北斗大壩形變監沒(méi)是北斗衛星高精度定位的一種具體應用，整個(gè)系統要做一精準測量，需要一整套的設備的協(xié)同才能實(shí)現，其中投入式液位計等用于液位測量的儀表的作用也不可小覷，主要作用也是通過(guò)水位的變化來(lái)測量大壩的形變。本文主要介紹北斗大壩形變監測系統的組成結構、數據處理流程，以及使用定位數據處理誤差改正模式來(lái)提高監測精度的方法。采集的北斗衛星數據通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò )送到數據處理中心，解算數據得到監測點(diǎn)和基準站的相對位移，從而達到監測大壩形變的目的。
　　引言   
北斗大壩形變監測主要采用北斗差分定位方式，在一個(gè)已知經(jīng)緯度等信息的基準站設置高精度北斗接收機，在大壩壩體上設置的若十高精度北斗接收機等設備作為監測點(diǎn)，同時(shí)觀(guān)測相同的北斗衛星，獲取相應的北斗衛星數據。采集的北斗衛星數據通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò )送到數據處理中心，解算數據得到監測點(diǎn)和基準站的相對位移，從而達到監測大壩形變的目的。
　　1北斗大壩形變監測系統組成   
　　 北斗大壩形變監測系統由數據采集子系統、通信網(wǎng)絡(luò )、數據分析處理中心、遠程監控平臺等構成。
　　1.1數據采集子系統   
　　數據采集子系統包括基準站和監測點(diǎn)兩部分。數據采集子系統功能是:采集基準站及監測站的定位信息，并定時(shí)向數據處理中心發(fā)送采集的數據。   
基準站是整個(gè)監測系統的基準參考，需建在穩定的基巖上，基準站安裝高精度北斗接收機采集衛星觀(guān)測數據。監測站分布在整個(gè)形變區域特征點(diǎn)上，即在壩體預理多個(gè)高精度北斗接收機、電子數據采集主機和電子傳感器作為監測站。
　　1.1.1數據采集主機  
　　 數據采集主機特點(diǎn)如下:   
　?、俑呔刃l星接收機一次輸出的數據量較大，要求緩存較大，通信鏈路斷時(shí)需要木地保存大量數據，要求外接TF存儲器作為北斗數據存儲器。MCU選用ST公司的一款(Cortex-M3芯片。   
　?、跀祿杉鳈C與高精度北斗衛星接收機同在一個(gè)金屬殼體內部，連接高精度北斗接收機的串口不需防雷處理，采用普通串口即可。RT1 RS232連接北斗接收}JL，采集北斗數據。   
　?、鄹綦x485接口主要連接電子式水平傳感器、垂直位移傳感器,485接口水位計、485接口雨量傳感器、土層濕度傳感器等。  
　?、軒Х雷o裝置的網(wǎng)口用于連接通信網(wǎng)絡(luò )，向數據處理中心發(fā)送采集的北斗定位數據和外部傳感數據。  
　?、?4-20mA模擬信號輸入口用于連接4-20mA輸出接口的雨量傳感器、水位計、土層濕度傳感器等。輸入信號經(jīng)過(guò)電流/電壓變換后送入MCU的A/D轉換器進(jìn)行數字化處理。   
　?、拊S多翻斗式雨量傳感器等輸出的是脈沖信號，可以通過(guò)計數脈沖輸入口接入。計數脈沖經(jīng)過(guò)普通MCU的I/ O口輸入，結合內部定時(shí)器廣計數器統計雨量。   

數據采集主機原理框圖如圖1所示。
　圖1數據采集主機原理框圖
　　1.1.2大壩形變監測常用的電子傳感器   
　　(1)水位計  
　　 水位計種類(lèi)比較多，有投入式液位計、浮子式水位計、超聲波水位計、壓力式水位計、等，各有特點(diǎn)，使用時(shí)要根據壩體周?chē)木唧w情況選用。  
　　 ①浮子式水位計其原理是由浮子感應水位的升降。有用機械方式直接使浮子傳動(dòng)記錄結構的普通水位計，有把浮子提供的轉角量轉換成增量電脈沖或二進(jìn)制編碼脈沖作遠距離傳輸的電傳、數傳水位計，還有由微型浮子和許多十簧管組成的數字傳感水位計等。應用較廣的是機械式浮子水位計。應用浮子式水位計需有測井設備，只適合于岸坡穩定、河床沖淤很小的低含沙量河段使用。   
　?、诔暡ㄋ挥嬍欠瓷涫剿挥嫷囊环N，應用聲波遇不同介面反射的原理來(lái)測定水位。分為氣介式和水介式兩類(lèi)。氣介式以空氣為聲波的傳播介質(zhì)，換能器置于水面上方，由水面反射聲波，根據回波時(shí)間可計算并顯不出水位。儀器不接觸水體，完全擺脫水中泥沙、流速沖擊和水草等不利因素的影響。水介式是將換能器安裝在河底，向水面發(fā)射聲波，也不需要建測井。兩種水位計均可用電纜傳輸至室內顯不或存儲記錄。  
　　 ③壓力式水位計的工作原理是測量水壓力，推算水位。其特點(diǎn)是無(wú)需建靜水測井，可以將傳感器固定在河底，用引壓管消除大氣壓力，從而直接測得水位。壓力式水位計有兩類(lèi):一類(lèi)為氣泡型，在引壓管中不斷輸氣，用自動(dòng)調節的壓力天平將水壓力轉換成機械轉角量，從而帶動(dòng)記錄機構;另一類(lèi)為電測型，它應用固態(tài)壓阻器件作傳感器，可直接將水壓力轉變成電壓模量或頻率量輸出，然后用導線(xiàn)傳輸至岸上進(jìn)行處理和記錄。  
④跟蹤式水位計又稱(chēng)接觸式水位計，利用重錘上的電測針接觸水面發(fā)出電信號，使電機正轉或逆轉，**跟蹤水面點(diǎn)的位置，從而測定水位。一般在較陡岸坡上架設鐵管，懸錘和懸索在管道中升降，驅動(dòng)記錄或信號裝置。鐵管進(jìn)水口需有沉沙和凈水設施。   
　?、萃度胧揭何挥嬍腔谒鶞y液體靜壓與該液體高度成正比的原理，采用擴散硅或陶瓷敏感元件的壓阻效應，將靜壓轉成電信號。經(jīng)過(guò)溫度補償和線(xiàn)性校正，轉換成4-20 mA標準電流信號輸出。投入式液位計的傳感器部分可直接投入到液體中，變送器部分可用法蘭或支架固定，安裝使用較為方便。   
考慮數據采集主機用以連接傳感器的接口只有485接口和4-20 mA輸入接口，因此選用水位時(shí)應考慮接口匹配。
　　(2)雨量傳感器  
　　 *常用的雨量傳感器是翻斗型雨量傳感器，主要工作原理是承水口收集的雨水，經(jīng)過(guò)上筒(漏斗)注入計量翻斗，翻斗是用工程塑料注射成型的，由中間隔板分成兩個(gè)等容積的三角斗室。它是一個(gè)機械雙穩態(tài)結構，當一個(gè)斗室接水時(shí)，另一個(gè)斗室處于等待狀態(tài)。當所接雨水容積達到預定值0. 4 mm(假定測量精度為0. 4 mm)時(shí)，由于重力作用使自己翻倒，處于等待狀態(tài)，另一個(gè)斗室處于接水工作狀態(tài)。當其接水量達到預定值時(shí)，又自己翻倒，處于等待狀態(tài)。在翻斗測壁上裝有磁鋼，它隨翻斗翻動(dòng)時(shí)從十式舌簧管旁?huà)呙?，使十式舌簧管通斷。即翻斗每翻倒一次，十式舌簧管便接通一次送出一個(gè)開(kāi)關(guān)信號(脈沖信號)。   
　　  翻斗式雨量傳感器直接通過(guò)數據采集主機的計數脈沖輸入接口傳送脈沖數據。  
　　 雨量信息采集可以不使用雨量傳感器，直接采用雨量監測站通過(guò)無(wú)線(xiàn)UPRS網(wǎng)絡(luò )向數據處理中心傳送氣象數據。
　　 (3)位移傳感器  
　　 高精度北斗衛星接收機木身可以進(jìn)行水平和垂直位移測量，考慮成木及安裝方便等因素，時(shí)常將高精度北斗衛星接收機與電子位移傳感器結合使用。位移傳感器包含水平位移和垂直位移傳感器，主要有電感式、電容式、光電式、霍爾式、渦流式位移傳感器，激光位移傳感器使用比較方便，不用其他外部設備，可以輸出數字和模擬信號，可以與數據采集主機的485接口或4-20 mA輸入接口相連接。
　　1.2數據處理與分析中心  
　　 數據處理中心負責接收處理基準站和監測點(diǎn)北斗數據，數據處理中心將星歷、原始觀(guān)測數據如衛星號、偽距、偽距標準差、載波相位、載波相位差、瞬時(shí)載波多普勒頻率、載噪比、連續跟蹤秒數等數據采用雙差解算模式，在優(yōu)化載波相位差分數據處理方法的基礎上，同時(shí)處理基準站和監測站載波相位數據，得到精確的監測點(diǎn)相對于基準點(diǎn)的形變量，從而獲取整個(gè)壩體區域的形變信息。   
數據處理中心主要由通信網(wǎng)絡(luò )、數據處理軟件、服務(wù)器等組成。
　　1.3遠程監控中心   
遠程監控中心可與數據處理中心并置，遠程監控中心是整個(gè)系統的神經(jīng)中樞，負責監測信息的處理，融合水文、氣象等信息，組成大壩形變監測信息自動(dòng)處理與應急預警信息平臺。
　　2北斗數據處理流程   
　　北斗數據處理主要可分為數據清理、數據處理、結果分析等幾個(gè)流程，具體如圖z一圖4所不。


　　3數據處理誤差改正模型   
在相對定位中，涉及的關(guān)鍵數據處理過(guò)程是基線(xiàn)解算，基線(xiàn)解算可以分為:長(cháng)基線(xiàn)、中長(cháng)基線(xiàn)和短基線(xiàn)三種類(lèi)型。這里介紹短基線(xiàn)數據處理中相關(guān)的誤差影響因素川、誤差消除或削弱的方法。
　　3.1短基線(xiàn)的衛星星歷誤差影響   
　　由衛星星歷所給出的衛星位置與實(shí)際衛星位置的差值稱(chēng)為衛星星歷誤差。星歷誤差的大小取決于衛星定軌系統的質(zhì)量，如定軌站的數量及其地理分布、觀(guān)測值的數量及其精度、定軌的數學(xué)力學(xué)模型和定軌軟件的完善程度等。在一般工程應用中，特別是北斗短基線(xiàn)的數據處理中，由于基線(xiàn)較短，通常采用廣播星歷即可滿(mǎn)足應用的要求。   
在相對定位中，衛星的星歷誤差對解算精度影響較小，利用廣播星歷進(jìn)行相對定位時(shí)，即使基線(xiàn)長(cháng)度達到56 km時(shí)，其誤差影響仍然保持在1  cm以?xún)?，故對于短基線(xiàn)(10 km以?xún)?來(lái)說(shuō)，其誤差的影響非常小，可以忽略不計。
　　3.2短基線(xiàn)的衛星鐘差與接收機鐘差影響[[3]   
　　衛星上計時(shí)工具是高精度的原子鐘，但衛星鐘也不可避免地會(huì )產(chǎn)生誤差，這種誤差既包含系統性的偏差(如鐘差、鐘速、鐘漂等)，也包括隨機性質(zhì)的偏差。系統誤差可以通過(guò)檢驗和對比來(lái)確定，并通過(guò)相應的數學(xué)物理模型加以改正;而隨機誤差只能通過(guò)鐘的穩定度來(lái)描述其統計特性，無(wú)法確定其具體的大小和方向。   
　　與衛星鐘一樣，接收機鐘也會(huì )產(chǎn)生誤差，接收機鐘為石英鐘，接收機鐘差較衛星鐘差來(lái)講要顯著(zhù)一些。該項誤差主要取決于鐘的質(zhì)量，與使用的環(huán)境也有一定的關(guān)系。它對測碼偽距觀(guān)測值和載波相位觀(guān)測值的影響是相同的。   
　　某一時(shí)刻t,的鐘差一般可以表不為:pt一「」+a, }t一」)+a9 }t一」)+{y(t)dt式中:a〔為t〔時(shí)刻該鐘的鐘差;a、為t,時(shí)刻該鐘的鐘速;a為L(cháng)}時(shí)刻該鐘的加速度的一半。  
　　 利用載波相位觀(guān)測值進(jìn)行相對定位時(shí)，根據衛星導航電文所給的衛星鐘參數而求得的衛星鐘差不能作為*后的精確值，在建立觀(guān)測方程時(shí)必須將其視為米知參數。由于進(jìn)行同步觀(guān)測時(shí)，不同的觀(guān)測值中會(huì )包含有同樣的鐘差影響，故可以通過(guò)觀(guān)測方程相減來(lái)消除這些鐘差的影響。假設同步觀(guān)測n顆衛星，在短基線(xiàn)(甚至長(cháng)基線(xiàn))數據處理中，*先選擇一個(gè)衛星作為基準星，并將其余的(n-1)個(gè)觀(guān)測方程分別與基準星觀(guān)測方程相減，那么在這((n-1)個(gè)求差以后的新觀(guān)測方程中，某一對應的時(shí)刻t0接收機的鐘差將被消除。  
　　 在兩站之間，進(jìn)行站間單差就可以將衛星鐘差消除。把不同時(shí)刻，不同站間的鐘差視為一個(gè)獨立的米知參數，通過(guò)相應的觀(guān)測方程相減來(lái)消除這些鐘差的影響，*后再組成法方程。
　　3.3短基線(xiàn)的電離層延遲影響   
　　衛星電磁波信號在穿過(guò)電離層時(shí)，傳播速度會(huì )產(chǎn)生變化，變化程度主要取決于載波信號頻率和電離層中的電子密度;傳播路徑也會(huì )發(fā)生略微的彎曲，由此而產(chǎn)生的誤差影響稱(chēng)為電離層延遲誤差。  
　　 消除和削弱電離層延遲的方法有很多，比如模型法，包括Bent模型、國際參考電離層模型}Klobuchar模型和雙頻改正模型等。還有用實(shí)測雙頻觀(guān)測值來(lái)建立電離層延遲改正模型等，在不同的觀(guān)測條件下采用相應的模型可以較好地削弱電離層延遲影響萬(wàn)’〕。但目前*常用的為采用雙頻觀(guān)測值消除電離層影響，利用雙頻觀(guān)測值消除一階項電離層影響后，剩余的高階項影響對于短基線(xiàn)來(lái)說(shuō)一般很小，可忽略不計。
　　3.4短基線(xiàn)的對流層延遲影響   
　　對流層延遲一般泛指中性大氣層對電磁波的折射。中性大氣層包括對流層和平流層，大約是大氣層從地面向上40 km部分。由于折射的80%發(fā)生在對流層，所以通常也叫做對流層折射延遲。對流層對于15 UHz的射電頻率呈中性，信號傳播產(chǎn)生非色散延遲，使電磁波傳播路徑比幾何距離長(cháng)。電磁波在對流層的傳播速度只與大氣的折射頻率及電磁波傳播方向有關(guān)，與電磁波頻率無(wú)關(guān)。   
　　對流層折射影響通常表不為天頂方向的對流層折射量和與高度角相關(guān)的投影函數M的乘積。并且對流層延遲的90%是由大氣中十燥氣體引起的，稱(chēng)為十分量;其余10%是由水汽引起的，稱(chēng)為濕分量。因此，對流層延遲可用天頂方向的十、濕分量延遲及其相應的投影函數表示:

　　中經(jīng)常采用}1ie11模型，}1ie11模型除了考慮緯度因素外，還考慮了對流層的季節性變化和高度不同的影響，其不包含氣象元素，不會(huì )受氣象元素觀(guān)測誤差的影響，其沒(méi)有考慮實(shí)測的氣象數據，也能與無(wú)線(xiàn)電探空數據計算出的投影模型相符合。對流層影響利用模型改正后，十分量部分的改正精度可以達到cm級，而濕分量部分的殘余影響還比較大，在精密定位中，必須利用參數估計的方法將對流層殘余影響當作一個(gè)參數進(jìn)行估計。   
大壩形變監測精度要求達到mm級，需要對以上幾個(gè)誤差進(jìn)行建模處理，方能滿(mǎn)足要求。
　　結語(yǔ)   
　　北斗高精度大壩形變監測主要是利用連續運行衛星定位參考站技術(shù)、衛星定位數據高精度處理技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、通信技術(shù)及信息處理技術(shù)等，實(shí)現對大壩形變的全天候、自動(dòng)化、高精度、高可靠監測，具有要求通視的常規測繪技術(shù)無(wú)法比擬的優(yōu)勢。