【正文】 橋和汀九大橋的 GNSS監(jiān)測系統(tǒng)。上海曾經(jīng)是中國緩變性地面沉降較為嚴重的城市，自 1921年發(fā)現(xiàn)地面沉降至今已有 80余年，開展地面沉降專項勘查與研究至今已有 40年。特別是近十余年來，采用GIS（地理信息系統(tǒng)）和 GNSS（全球定位系統(tǒng)）技術(shù)，對全市監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)進行了全面更新與調(diào)整，并正在建設(shè)完善全市地面沉降自動化預(yù)警預(yù)報系統(tǒng)工程。三峽庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警工程是國家在三峽庫區(qū)實施的一項重大減災(zāi)工程，國土資源部將實施這一工程。三峽庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警工程于 2022年 3月正式啟動后，三峽庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害防治工作指揮部在全庫區(qū)建成包括 GNSS監(jiān)測網(wǎng)、綜合立體監(jiān)測網(wǎng)和遙感監(jiān)測系統(tǒng)的專業(yè)監(jiān)測工程，建立各類監(jiān)測網(wǎng)點 1447個，配備 GNSS接收機 46臺（套） ，并在重慶市和湖北省的 18個區(qū)、縣的 129處滑坡和庫岸監(jiān)測運行。完成了包括地表位移監(jiān)測、深部變形監(jiān)測、滑坡推力監(jiān)測、滑坡地下水監(jiān)測和宏觀巡查監(jiān)測在內(nèi)的 18個區(qū)、縣的 125處崩塌滑坡庫岸綜合立體監(jiān)測網(wǎng)建設(shè)。由 CDMonitor為核心構(gòu)成的變形監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中的每個 GNSS接收機只需要輸出 GNSS的原始數(shù)據(jù)和星歷，原始數(shù)據(jù)包含了 GNSS解算所有必要的偽距和載波相位數(shù)據(jù)等，星歷指 GNSS衛(wèi)星發(fā)播的廣播星歷。數(shù)據(jù)通過廣域網(wǎng)、局域網(wǎng)絡(luò)、串口、無線設(shè)備等傳到控制中心，控制中心的 CDMonitor軟件根據(jù)每臺 GNSS接收機對應(yīng)的 IP地址和端口號，獲得每個監(jiān)測點的原始實時數(shù)據(jù)流，CDMonitor 軟件對這些原始數(shù)據(jù)進行實時差分解算，得到各個監(jiān)測站的坐標，并存入數(shù)據(jù)庫或發(fā)送給客戶端。利用 CDMonitor軟件能進行 724小時不間斷觀測。而且，與傳統(tǒng)的 RTK方式相比，CDMonitor具有精度更高，實時性更強的特點。CDMonitor 支持各種主流品牌的單多頻GNSS接收機混合監(jiān)控。CDMonitor 采用了 C/S架構(gòu)，用戶可以進行遠程監(jiān)控。具體的 CDMonitor實時差分變形監(jiān)測軟件的工作流程可用下圖表示：CDMonitor 工作流程如圖所示，CDMonitor 變形監(jiān)控軟件實現(xiàn)了各個監(jiān)控站的實時差分定位，并具有圖形顯示、接收機設(shè)置、監(jiān)控站參數(shù)設(shè)置、觀測數(shù)據(jù)記錄、報警等功能。采用 C/S架構(gòu)的 CDMonitor軟件方便用戶在辦公室、監(jiān)控中心、家中監(jiān)測系統(tǒng)的健康狀況。CDMonitor實時差分變形監(jiān)控軟件支持英文和中文。CDMonitor 的開發(fā)工具為 VC++ 。 數(shù)據(jù)處理軟件 CDMonitor 的功能模塊這里用框圖來表示 CDMonitor的主要功能模塊。CDMonitor 功能模塊 CDMonitor 的基本功能CDMonitor實時差分變形監(jiān)控軟件具有下面的一些基本功能：? 對 GNSS原始數(shù)據(jù)進行 724小時實時差分處理，進行變形監(jiān)測，永不間斷；? 根據(jù)接收機的原始數(shù)據(jù)輸出率，數(shù)據(jù)更新率最高可達 20Hz；? 可根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置，對不同的監(jiān)測站的實時差分結(jié)果進行 Kalman濾波，達到不同的動態(tài)要求和精度要求；? 可同時處理多個基站和監(jiān)測站的數(shù)據(jù)；? 根據(jù)多天運行的結(jié)果，建立近期的大氣延遲（對流層、電離層）模型，提高定位精度和可靠性；? 多基站支持，多基站不但提高了系統(tǒng)的可靠性，而且，根據(jù)多基站的觀測數(shù)據(jù)，可以建立電離層模型，提高長距離監(jiān)測的精度；根據(jù)多基站的處理結(jié)果，可以實現(xiàn)實時網(wǎng)平差功能，提高點位精度和可靠性；? 原始數(shù)據(jù)后處理功能；? 輸入接口協(xié)議：RS23CAN、TCP/IP；? 輸出接口（遠程服務(wù)）協(xié)議：TCP/IP；? 實時顯示接收機的信號跟蹤狀況，如星空圖、信噪比、鐘差等；? 實時顯示基線的變化情況，點位的移動情況等；? 原始數(shù)據(jù)、解算結(jié)果的自動保存功能，可根據(jù)用戶需求進行設(shè)置；? 對監(jiān)測站、基站接收機的遠程設(shè)置功能，軟件上有各個 GNSS接收機的獨立監(jiān)控模塊，可以向 GNSS接收機發(fā)送用戶更改參數(shù)的命令（如采樣間隔、高度截止角等） ；? 系統(tǒng)完備性監(jiān)測功能，可對整個系統(tǒng)的健康狀況進行監(jiān)測；? 每個監(jiān)控站的監(jiān)控范圍可根據(jù)用戶設(shè)置，可從 5厘米到 5米，相對的，精度可從 2mm到 1cm（平面） ，高程 4mm到 2cm。? 環(huán)境參數(shù)輸入功能。比如，輸入監(jiān)測站周圍障礙物的分布情況，在數(shù)據(jù)處理時，能剔除常規(guī)方法不能自動剔出的壞數(shù)據(jù)，提高定位精度。? 具有防死機功能，一旦某個監(jiān)測站出現(xiàn)死機現(xiàn)象，軟件馬上會通過數(shù)據(jù)信號觸發(fā)的方式實現(xiàn)接收機自動重啟；? 可以調(diào)整各個監(jiān)測站的位置更新率；? 支持網(wǎng)絡(luò)分布式計算；? 軟件實現(xiàn) C/S架構(gòu)，客戶端可以運行在遠程；? 提供第三方軟件接口，如用 COM組件的方式實現(xiàn)，可實現(xiàn)遠程查詢、管理、報警；? 另外，CDMonitor 軟件可用于橋梁、大壩、礦區(qū)等的監(jiān)測，可針對不同的工作環(huán)境對用戶圖形界面進行定制。如針對橋梁監(jiān)測，CDMonitor 的客戶端能提供如下功能：? 數(shù)據(jù)庫功能，長期觀測的數(shù)據(jù)能保存在數(shù)據(jù)庫中；? 三維動畫；? 整體變形示意圖；? 歷史數(shù)據(jù)分析；? 趨勢圖；? 報警功能，報警項可根據(jù)用戶要求設(shè)定，可通過短信、電子郵件等方式進行報警。? 權(quán)限管理：一般用戶只能瀏覽數(shù)據(jù)，系統(tǒng)管理員才可能對一些參數(shù)進行設(shè)置。? 數(shù)據(jù)分析，即對監(jiān)控點進行頻域和時域分析。 數(shù)據(jù)記錄連接數(shù)據(jù)庫，CDMonitor 能夠記錄用戶需要保留的各項信息，根據(jù)用戶的選擇，記錄的內(nèi)容如下：GNSS 定位數(shù)據(jù)坐標；精度（水平和垂直） ；PDOP 值；使用衛(wèi)星顆數(shù)；解類型。衛(wèi)星數(shù)據(jù)衛(wèi)星顆數(shù)；每顆衛(wèi)星的坐標；每顆衛(wèi)星的信噪比；每顆衛(wèi)星的仰角；基線解信息基線向量；基線誤差（中誤差和相對誤差） ；比率值；協(xié)方差陣。系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)軟件本身的工作狀態(tài)；各個機站的工作狀態(tài)是否正常；網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)。 CDMonitor 算法的特點（與 RTK 和傳統(tǒng)靜態(tài)模式比較）集成了 RTK功能的 CDMonitor軟件，除了也能采用 RTK方法之外，采用其自身與 RTK和傳統(tǒng)靜態(tài)不同的算法后，還具有如下一些特點。1) 算法相比 RTK及傳統(tǒng)靜態(tài)方法而言，CDMonitor 的算法具有如下特點：? CDMonitor采用采用同時刻（在 1微秒之內(nèi)）的 GNSS原始觀測值進行差分解算；而 RTK方法不需要差分改正數(shù)和流動站的觀測數(shù)據(jù)保持同步，一般的參考站接收機差分改正數(shù)廣播更新率為 1Hz，因此，一般情況下差分改正數(shù)會延遲 秒到 2秒不等，在特別情況下，流動站能允許 1分鐘之前的差分改正數(shù)參與解算； ? CDMonitor可以采用擴展的動態(tài)非線性 Kalman濾波算法進行差分解算。? CDMonitor的算法對系統(tǒng)的硬件要求較高，通常在高性能計算機，而 RTK的算法總是有 GNSS接收機生產(chǎn)廠商提供，固化在 GNSS接收機內(nèi)部；靜態(tài)解算需人工干預(yù)，一般采用雙差固定解得方式。2) 精度CDMonitor直接應(yīng)用 GNSS接收機的原始數(shù)據(jù)，參考站和流動站的觀測數(shù)據(jù)保持嚴格的同步，所以，大氣層延遲造成的公共誤差被最大程度地抵消，CDMonitor 還采用濾波方法消除 GNSS動態(tài)定位數(shù)據(jù)中的各種隨機誤差，是輸出的定位結(jié)果更符合真實的情況，所以 CDMonitor根據(jù)采用的 GNSS接收機和 GNSS天線的不同，可以保證毫米級的定位精度，而通常的 RTK接收機動態(tài)定位精度為厘米級。3) 通訊因為 CDMonitor僅要求收到 GNSS接收機的原始觀測數(shù)據(jù)，所以，原則上，應(yīng)要求軟件（服務(wù)器）與 GNSS接收機之間僅要求實現(xiàn)單向通訊。而通常的 RTK方法，要求參考站和流動站之間進行通訊，又要求流動站和數(shù)據(jù)中心之間進行通訊。下圖是在采用串行端口 GNSS接收機進行網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控的情況下，CDMonitor 和 RTK方式需要建立的數(shù)據(jù)通訊鏈路示意圖： 參 考 站 串 口 /RJ45 RJ45/串 口 流 動 站 串 口 /RJ45 數(shù) 據(jù) 中 心 RTK 方式下的數(shù)據(jù)通訊圖由圖可見，RTK 方式下，差分改正數(shù)和定位結(jié)果需要進行多次傳輸，上圖中，一個監(jiān)測點的差分數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)中心，需要進行 3次串口數(shù)據(jù)傳輸，兩次網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸。CDMonitor 數(shù)據(jù)傳輸圖由圖可見，在 CDMonitor方式下，流動站的原始數(shù)據(jù)僅需要一次串口數(shù)據(jù)通訊和一次網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通訊，就可以到達數(shù)據(jù)中心，參考站可以直接與數(shù)據(jù)中心服務(wù)器相連。4) 系統(tǒng)可靠性RTK通常應(yīng)用于測量、高精度導航等，對于 RTK接收機而言，如 GNSS信號發(fā)生失鎖那么接收機需要重新初始化，求解整周模糊度，從而造成短時間隔內(nèi)不能正常輸出厘米級定位解。傳統(tǒng)的靜態(tài)數(shù)據(jù)處理需要人工干預(yù)解算、網(wǎng)平差，同時需要在每一個點上分時段長時間觀測，如果監(jiān)測點是處于移動狀態(tài)則不能解算出有效的結(jié)果。而 CDMonitor專為變形監(jiān)測而設(shè)計，適用于橋梁、大壩、礦區(qū)、滑坡等的變形監(jiān)測，軟件能長時間持續(xù)可靠工作，諸如 RTK經(jīng)常需要重新初始化、靜態(tài)解算需要人工干預(yù)不能監(jiān)測運動物體、時效性差等缺點在 CDMonitor里并不存在。CDMonitor軟件運行在數(shù)據(jù)中心的計算機上，整個計算功能可以設(shè)計成冗余模式，增加系統(tǒng)的可靠性，而 RTK方法不能實現(xiàn)類似的功能。通過上面的介紹，我們可以對 CDMonitor軟件的各項性能和特點有了一個粗略的了解，其中，特別是 CDMonitor對數(shù)據(jù)通訊的要求較低；同樣的數(shù)據(jù)，CDMonitor 可以獲得更高的精度；CDMonitor 可以實現(xiàn)比 RTK方法和傳統(tǒng)靜態(tài)方式更高的可靠性。軟件將原來在接收機內(nèi)進行解算的工作移植到性能更高、速度更快、更穩(wěn)定的計算機上來進行。系統(tǒng)中所有的 GNSS原始數(shù)據(jù)都通過網(wǎng)絡(luò)（有線/無線）傳回到控制中心的計算機上，軟件對所有數(shù)據(jù)進行同步的、實時的解算。 流 動 站 串 口 /RJ45 數(shù) 據(jù) 中 心 參 考 站 同時，所有的 GNSS接收機設(shè)置也都通過控制中心的計算機來執(zhí)行，完全實現(xiàn)無人值守及遠程控制。CDMonitor 系統(tǒng)為科學家，工程師，災(zāi)害監(jiān)測人員提供實時的、極有價值的人工建筑或自然災(zāi)害預(yù)警信息。這套系統(tǒng)不用操作人員費時進行數(shù)據(jù)后處理、分析結(jié)果等工作，實時顯示變形量，大大延長了預(yù)警時間減少自然災(zāi)害對生命、財產(chǎn)的損失。而應(yīng)用 CDMonitor系統(tǒng)，可以采用無人值守的方法遠程管理幾十個監(jiān)測點。通過設(shè)定的臨界值，管理者可以通過圖形顯示得到實時的告警，為決策者提供及時準確的災(zāi)害預(yù)警信息，避免重大生命、財產(chǎn)損失。5) 結(jié)論通過上面的介紹，我們可以對 CDMonitor軟件的各項性能和特點有了一個粗略的了解，其中，特別是 CDMonitor對數(shù)據(jù)通訊的要求較低；同樣的數(shù)據(jù)，CDMonitor可以獲得更高的精度；CDMonitor 可以實現(xiàn)比 RTK方法更高的可靠性。注：采用 CDMonitor軟件是完全自動解算，而靜態(tài)后處理需要人工干預(yù)。 CDMonitor 的軟件界面介紹正常情況下，CDMonitor 是在服務(wù)器端進行復(fù)雜的計算的，用戶不需要去瀏覽這些窗口。但在系統(tǒng)安裝階段或者系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，這些窗口提供的信息能幫助我們迅速地解決問題。 數(shù)據(jù)監(jiān)控窗口通過接收機數(shù)據(jù)監(jiān)控窗口可以觀察串口和網(wǎng)絡(luò)來的數(shù)據(jù)的格式、數(shù)據(jù)的更新率、數(shù)據(jù)包的大小等，管理員通過這些信息可以快速地判斷系統(tǒng)的通訊是否正常。 接收機監(jiān)控窗口通過每秒更新一次的接收機監(jiān)控窗口，管理員能知道接收機跟蹤的衛(wèi)星數(shù)量、接收機的鐘差、衛(wèi)星的載噪比等接收機的關(guān)鍵信息，以確定接收機的工作狀況、信號質(zhì)量等。 監(jiān)測站變形曲線窗口下面是某監(jiān)測點的變形曲線。CDMonitor 能精確地反映監(jiān)測體的變形情況。 基線窗口通過基線窗口，管理員能夠快速地知道軟件的解算狀態(tài)。 日志CDMonitor 能夠自動記錄數(shù)天來的系統(tǒng)工作狀況，供管理員進行分析處理。 CDMonitor 的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)典型的 CDMonitor監(jiān)測系統(tǒng)由三部分組成：監(jiān)測單元、數(shù)據(jù)傳輸和控制單元、數(shù)據(jù)處理分析及管理單元。這三部分形成一個有機的整體，監(jiān)測單元跟蹤 GNSS衛(wèi)星并實時采集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)通過通訊網(wǎng)絡(luò)傳輸至控制中心，控制中心相關(guān)的 CDMonitor軟件對數(shù)據(jù)處理并分析，實時滑坡體的形變。監(jiān)測單元一個參考站（R1）和八個監(jiān)測站(M1,M2,…,M8)組成。其中參考站根據(jù)實際情況，確定其具體位置；八個監(jiān)測站根據(jù)實際情況，確定其具體位置。數(shù)據(jù)傳輸采用先進的無線高頻網(wǎng)橋傳輸方式，一方面提高了系統(tǒng)通訊可靠性，另一方面提高了數(shù)據(jù)傳輸速度?？刂浦行呐鋫湟慌_高性能服務(wù)器，用于數(shù)據(jù)分析和圖形處理，以及終端服務(wù)。結(jié)合CDMonitor軟件，實時對數(shù)據(jù)分析和圖形處理。 CDMonitor 支持的 GNSS 接收機? Trimble 接收機。? NovAtel/Leica雙頻 GNSS接收機；? Javad/Topcon雙頻 GNSS接收機；? 司南 M300C/M300T 雙星四頻 GNSS接收機；? Nav雙頻 GNSS接收機。 服務(wù)器和操作系統(tǒng)CDMonitor的運算量 P可以通過下面的公式計算： 2LMNH??式中，M 為基站的數(shù)量，N 為監(jiān)測站的數(shù)量，H 為更新率，如系統(tǒng)采用了雙星四頻GNSS接收機，則計算量將翻倍。服務(wù)器采用了如下配置：? 硬件平臺：至強服務(wù)器 1 CPU，主頻 3G，2G 內(nèi)存? 軟件平臺：正版 Windows XP這樣的配置將占服務(wù)器 CPU的 40%的計算時間，CDMonitor 要求軟件在正常工作時CPU的平均使用率不超過 60％。 系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡(luò)CDMonitor軟件支持多種通訊方法