北斗大壩變形監(jiān)測(cè)不是北斗衛(wèi)星高精度定位的具體應(yīng)用，需要測(cè)量整個(gè)系統(tǒng)，需要一系列設(shè)備的協(xié)作

投入式液位計(jì)

用于液位測(cè)量的儀表的作用也不容忽視，主要作用也是根據(jù)水位的變化來(lái)測(cè)量水庫(kù)的變形。 本文主要介紹了采用北斗大壩變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)處理流程以及定位數(shù)據(jù)處理誤差修正模型提高監(jiān)測(cè)精度的方法。 收集的北斗衛(wèi)星數(shù)據(jù)通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)傳送到數(shù)據(jù)處理中心，計(jì)算數(shù)據(jù)得到監(jiān)測(cè)點(diǎn)和基準(zhǔn)站的相對(duì)位移，達(dá)到了監(jiān)測(cè)水庫(kù)變形的目的。 引言北斗大壩變形監(jiān)測(cè)主要采用北斗差分定位方式，在了解緯度和經(jīng)度等信息的基準(zhǔn)站安裝高精度北斗接收機(jī)，以大壩上安裝的十高精度北斗接收機(jī)等設(shè)備為監(jiān)測(cè)點(diǎn)，同時(shí)觀測(cè)相同的北斗衛(wèi)星，取得相應(yīng)的北斗衛(wèi)星數(shù)據(jù)。 收集的北斗衛(wèi)星數(shù)據(jù)通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)傳送到數(shù)據(jù)處理中心，計(jì)算數(shù)據(jù)得到監(jiān)測(cè)點(diǎn)和基準(zhǔn)站的相對(duì)位移，達(dá)到了監(jiān)測(cè)水庫(kù)變形的目的。 1北斗大壩變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成北斗大壩變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，由數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、通信網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)分析處理中心、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)平臺(tái)等組成。 1.1數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)包括基站和監(jiān)測(cè)點(diǎn)兩部分。 數(shù)據(jù)收集子系統(tǒng)的功能是收集基站和監(jiān)控站的定位信息，并將收集到的數(shù)據(jù)定時(shí)發(fā)送到數(shù)據(jù)處理中心。 基準(zhǔn)站是監(jiān)控系統(tǒng)整體的基準(zhǔn)參考，需要建設(shè)在穩(wěn)定的巖盤(pán)上，基準(zhǔn)站設(shè)置高精度的北斗接收機(jī)來(lái)收集衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)。 監(jiān)測(cè)站分布于整個(gè)變形區(qū)域的特征點(diǎn)，整個(gè)壩體以多臺(tái)高精度北斗接收機(jī)、電子數(shù)據(jù)采集主機(jī)和電子傳感器為監(jiān)測(cè)站。 1.1.1數(shù)據(jù)采集主機(jī)的數(shù)據(jù)采集主機(jī)特點(diǎn):①高精度衛(wèi)星接收機(jī)一次輸出的數(shù)據(jù)量大、要求高速緩存大、通信鏈路斷開(kāi)時(shí)需要保存大量數(shù)據(jù)，需要外置TF存儲(chǔ)器作為北斗數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。 MCU選定了ST公司( Cortex-M3芯片)。 ②數(shù)據(jù)采集主機(jī)與高精度北斗衛(wèi)星接收機(jī)位于同一金屬機(jī)殼內(nèi)，連接高精度北斗接收機(jī)的串行無(wú)需防雷處理，采用普通串行即可。 RT1 RS232連接北斗接收}JL、北斗數(shù)據(jù)收集。 ③隔離485接口主要連接電子式水平傳感器、垂直位移傳感器、485接口液位計(jì)、485接口雨量傳感器、土層濕度傳感器等。 ④帶防護(hù)裝置的網(wǎng)絡(luò)端口連接到通信網(wǎng)絡(luò)，將收集到的北斗定位數(shù)據(jù)和外部感測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)處理中心。 ⑤ 4-20mA模擬信號(hào)輸入端口用于連接4-20mA輸出端口的雨量傳感器、液位計(jì)、土層濕度傳感器等。 輸入信號(hào)被轉(zhuǎn)換成電流/電壓，并被發(fā)送給MCU的A/D轉(zhuǎn)換器以被數(shù)字化。 ⑥許多反斗式雨量傳感器等輸出的是脈沖信號(hào)，可通過(guò)計(jì)數(shù)脈沖輸入口訪問(wèn)。 計(jì)數(shù)脈沖從通常的MCU I/o端口輸入，與內(nèi)部定時(shí)器的寬計(jì)數(shù)器一起計(jì)數(shù)雨量。 數(shù)據(jù)采集主機(jī)的原理框圖如圖1所示。 圖1數(shù)據(jù)采集主機(jī)原理框圖1.1.2水庫(kù)變形監(jiān)測(cè)常用的電子傳感器(1)水庫(kù)液位計(jì)種類(lèi)繁多，具有投入式液位計(jì)、浮子式液位計(jì)、超聲波液位計(jì)、壓力式液位計(jì)等特點(diǎn)，可根據(jù)水庫(kù)整體周?chē)木唧w情況使用。 ①浮子式液位計(jì)有浮子感知水位升降的原理。 通過(guò)機(jī)械方法直接驅(qū)動(dòng)浮子來(lái)記錄結(jié)構(gòu)的普通水平計(jì)，有將浮子給予的旋轉(zhuǎn)角量轉(zhuǎn)換成增量電脈沖或二進(jìn)制碼脈沖并遠(yuǎn)距離傳送的電傳輸、數(shù)字水平計(jì)、由微浮子和多個(gè)十彈簧管構(gòu)成的數(shù)字傳感器水平計(jì)等。 應(yīng)用廣泛的是機(jī)械浮子液位計(jì)。 應(yīng)用浮式液位計(jì)需要測(cè)井設(shè)備，只適用于岸坡穩(wěn)定、河床沖擊小的低含沙量河段。 ②超聲波液位計(jì)是一種反射式液位計(jì)，應(yīng)用聲波在不同接口反射的原理測(cè)量水位。 分為氣介式和水介式。 氣介式以空氣為聲波的傳播媒介，換能器放置在水面上，在水面上反射聲波，通過(guò)回波時(shí)間無(wú)法計(jì)算水位。 儀器不接觸水體，完全消除水中泥沙、流速?zèng)_擊、水草等不利因素的影響。 水介式是在河底安裝轉(zhuǎn)換器，向水面發(fā)射聲波，也不需要打井。 兩種液位計(jì)都可以用電纜保存室內(nèi)標(biāo)志和記錄。 ③壓力式液位計(jì)的工作原理是測(cè)量水壓，估計(jì)水位。 其特征是，不需要建造靜水井，可以將傳感器固定在河底，用壓力管消除大氣壓，直接測(cè)量水位。 壓力式液位計(jì)有兩種。 一個(gè)是氣泡型，在壓力管中不斷供給空氣，用自動(dòng)調(diào)節(jié)的壓力天平把水的壓力轉(zhuǎn)換成機(jī)械的旋轉(zhuǎn)角度量，使記錄機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)。 另一種是電測(cè)型，將固體壓阻元件作為傳感器應(yīng)用，將水壓直接轉(zhuǎn)換為電壓彈性模量和頻率數(shù)量的輸出，然后用導(dǎo)線送到岸上進(jìn)行處理和記錄。 ④跟蹤式液位計(jì)也稱(chēng)為接觸式液位計(jì)，重錘上的電針接觸水面發(fā)出電信號(hào)，使馬達(dá)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，隨時(shí)跟蹤水面點(diǎn)的位置測(cè)量水位。 一般在陡峭的岸坡上架設(shè)鐵管，使錘子和繩子在管道中升降，驅(qū)動(dòng)記錄和信號(hào)裝置。 鐵管進(jìn)水口需要沉砂和凈水設(shè)施。 ⑤

投入式液位計(jì)

根據(jù)測(cè)量的液體靜壓與該液體高度成比例的原理，利用擴(kuò)散硅和陶瓷傳感器的壓電電阻效應(yīng)，將靜壓轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。 經(jīng)過(guò)溫度補(bǔ)償和線性補(bǔ)償，轉(zhuǎn)換為4-20 mA的標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)輸出。 投入式液位計(jì)的傳感器部分可以直接投入液體中，寄存器部分可以用法蘭和支架固定，設(shè)置方便。 數(shù)據(jù)收集主機(jī)連接傳感器的接口可能只有485接口和4-20 mA輸入接口，因此選擇水位時(shí)請(qǐng)考慮接口的匹配。 (2)雨量傳感器常用的雨量傳感器為跌倒型雨量傳感器，主要工作原理為接口收集的雨水，通過(guò)上筒(漏斗)計(jì)量跌倒，跌倒用工程塑料注塑成形，用中間隔板分為兩個(gè)等容積的三角斗室。 這是機(jī)械的雙穩(wěn)定構(gòu)造，一旦某斗室受水，另一斗室就處于待機(jī)狀態(tài)。 接受的雨水容積達(dá)到規(guī)定值的0. 4 mm (假設(shè)測(cè)量精度為0. 4 mm )時(shí)，由于重力傾倒，變成待機(jī)狀態(tài)，另一斗室變成接水狀態(tài)。 當(dāng)該連接水量達(dá)到規(guī)定值時(shí)，自己跌倒，成為待機(jī)狀態(tài)。 反斗測(cè)定壁上設(shè)置有磁鋼，伴隨著反斗反斗時(shí)從十式導(dǎo)管旁邊掃描，切斷十式導(dǎo)管。 也就是說(shuō)，每次跌倒時(shí)，十字導(dǎo)管就會(huì)接通，發(fā)出開(kāi)關(guān)信號(hào)(脈沖信號(hào))。 反斗式雨量傳感器通過(guò)數(shù)據(jù)收集主體計(jì)數(shù)脈沖輸入接口直接傳送脈沖數(shù)據(jù)。 雨量信息采集可以不使用雨量傳感器，使用雨量監(jiān)測(cè)站通過(guò)無(wú)線UPRS網(wǎng)絡(luò)將氣象數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)處理中心。 (3)位移傳感器的高精度北斗衛(wèi)星接收機(jī)的木體能夠進(jìn)行水平和垂直的位移測(cè)量，考慮到成木和安裝的便利性等，多采用高精度北斗衛(wèi)星接收機(jī)和電子位移傳感器。 位移傳感器包括水平位移和垂直位移傳感器，主要有電感式、靜電電容式、光電式、霍爾式、渦流式位移傳感器，激光位移傳感器的使用方便，無(wú)需其他外部設(shè)備即可輸出數(shù)字和模擬信號(hào)，數(shù)據(jù)收集主機(jī)的485接口和4-20 mA輸入 1.2數(shù)據(jù)處理和分析中心的數(shù)據(jù)處理中心負(fù)責(zé)處理基站和監(jiān)控站的北斗數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理中心包括星歷表、原始觀測(cè)數(shù)據(jù)，如衛(wèi)星號(hào)、偽距離、偽距離標(biāo)準(zhǔn)偏差、載波相位差、載波瞬時(shí)多普勒頻率、加載噪聲比、 在采用雙差分計(jì)算模式來(lái)優(yōu)化載波相位差分?jǐn)?shù)據(jù)處理方法的基礎(chǔ)上，同時(shí)處理基站和監(jiān)視站的載波相位數(shù)據(jù)，獲得關(guān)于所獲得的監(jiān)視點(diǎn)參考點(diǎn)的變化量，并獲得關(guān)于整個(gè)壩區(qū)域的變化量的信息。 數(shù)據(jù)處理中心主要由通信網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)處理軟件、服務(wù)器等構(gòu)成。 1.3遠(yuǎn)程監(jiān)控中心遠(yuǎn)程監(jiān)控中心可與數(shù)據(jù)處理中心并列，遠(yuǎn)程監(jiān)控中心是整個(gè)系統(tǒng)的神經(jīng)中樞，監(jiān)控信息處理，融合水文、氣象等信息，構(gòu)成水庫(kù)變形監(jiān)控信息自動(dòng)處理和應(yīng)急預(yù)警信息平臺(tái)。 2北斗數(shù)據(jù)處理流程北斗數(shù)據(jù)處理主要分為數(shù)據(jù)整理、數(shù)據(jù)處理、結(jié)果分析等幾個(gè)流程，具體來(lái)說(shuō)在圖z1~圖4中沒(méi)有。 3數(shù)據(jù)處理誤差修正模型為相對(duì)定位，相關(guān)的重要數(shù)據(jù)處理過(guò)程分為基線計(jì)算，基線計(jì)算分為長(zhǎng)基線、中長(zhǎng)基線、短基線3類(lèi)。 本文介紹如何消除或減少與短的基線數(shù)據(jù)處理有關(guān)的誤差影響因素的河流、誤差。 3.1短基線的衛(wèi)星歷書(shū)誤差從衛(wèi)星歷書(shū)給出的衛(wèi)星位置和實(shí)際衛(wèi)星位置之間的差稱(chēng)為衛(wèi)星歷書(shū)誤差。 星歷表誤差的大小取決于衛(wèi)星軌道系統(tǒng)的質(zhì)量，如軌道站的數(shù)量和地理分布、觀測(cè)值的數(shù)量和精度、決定軌道的數(shù)學(xué)模型和決定軌道的軟件完整度等。 在一般工程應(yīng)用中，特別是在北斗短基線的數(shù)據(jù)處理中，由于基線較短，一般采用廣播歷書(shū)可以滿足應(yīng)用的要求。 在相對(duì)定位中，衛(wèi)星歷書(shū)誤差對(duì)計(jì)算精度的影響很小，但是在使用廣播歷書(shū)執(zhí)行相對(duì)定位時(shí)，因?yàn)榧词够€長(zhǎng)度達(dá)到56 km，誤差的影響也保持在1 cm之內(nèi)，所以在短基線( 10 km之內(nèi))中誤差的影響非常小，并且可以忽略它。 3.2短基線衛(wèi)星時(shí)鐘差和接收機(jī)時(shí)鐘差的影響[[3]衛(wèi)星上的時(shí)鐘工具是高精度的原子鐘，但衛(wèi)星時(shí)鐘也不可避免地會(huì)產(chǎn)生誤差。 該誤差還包括系統(tǒng)偏差(例如，時(shí)鐘偏差、時(shí)鐘速度、時(shí)鐘漂移等)，也包括隨機(jī)性質(zhì)的偏差。 系統(tǒng)誤差通過(guò)檢驗(yàn)和比較確定，可以用相應(yīng)的數(shù)學(xué)物理模型修正的隨機(jī)誤差只能用時(shí)鐘的穩(wěn)定度來(lái)表現(xiàn)統(tǒng)計(jì)特性，不能確定其具體大小和方向。 和衛(wèi)星時(shí)鐘一樣，接收機(jī)時(shí)鐘也出現(xiàn)誤差，接收機(jī)時(shí)鐘是石英時(shí)鐘，接收機(jī)時(shí)鐘的差比衛(wèi)星時(shí)鐘的差顯著。 這個(gè)誤差主要取決于鐘表的質(zhì)量，與使用環(huán)境有一定的關(guān)系。 碼偽距觀測(cè)值和對(duì)載波相位觀測(cè)值的影響相同。 某個(gè)時(shí)刻t的時(shí)鐘差一般在pt一" +a，}t一" +a9 }t一" +{y(t)dt式中為a〔時(shí)刻t的該時(shí)鐘的時(shí)鐘差； a、t、時(shí)刻的鐘表的時(shí)鐘速度a是l )時(shí)刻的該鐘表的加速度的一半。 在使用載波相位觀測(cè)值進(jìn)行相對(duì)定位的情況下，根據(jù)衛(wèi)星導(dǎo)航消息給出的衛(wèi)星時(shí)鐘參數(shù)求出的衛(wèi)星時(shí)鐘差不能成為后述的值，在制作觀測(cè)方程式時(shí)必須視為美知參數(shù)。 在執(zhí)行同步觀測(cè)的情況下，不同的觀測(cè)值可包括相同的時(shí)鐘差的影響，因此，通過(guò)減去觀測(cè)方程可以消除這些時(shí)鐘差的影響。 假設(shè)同步觀測(cè)n個(gè)衛(wèi)星，在短基線(更長(zhǎng)的基線)的數(shù)據(jù)處理中，首先選擇一個(gè)衛(wèi)星作為基準(zhǔn)星，將其馀的( n-1 )個(gè)觀測(cè)方程式分別從基準(zhǔn)星觀測(cè)方程式中減去，則在求出該( ( n-1 )個(gè)差分后的新的觀測(cè)方程式中，某個(gè)對(duì)應(yīng) 在兩個(gè)車(chē)站之間，進(jìn)行車(chē)站之間的單差可以消除衛(wèi)星時(shí)鐘的差異。 將不同時(shí)刻、不同車(chē)站間的時(shí)鐘差視為獨(dú)立的美知參數(shù)，減去相應(yīng)的觀測(cè)方程式，消除這些時(shí)鐘差的影響，構(gòu)成方程式。 3.3短基線的電離層延遲影響衛(wèi)星電磁波信號(hào)通過(guò)電離層時(shí)傳播速度的變化，變化的程度主要依賴(lài)于載波信號(hào)頻率和電離層中的電子密度在傳播路徑上產(chǎn)生很小的彎曲，由此產(chǎn)生的誤差的影響稱(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。 例如Bent模型、國(guó)際參考電離層模型、}Klobuchar模型、雙頻修正模型等。 另外，采用實(shí)測(cè)雙頻觀測(cè)值構(gòu)建電離層延遲修正模型等不同觀測(cè)條件下相應(yīng)的模型對(duì)電離層延遲影響萬(wàn)&rsquo； 的雙曲馀弦值。 然而，目前常用的方法是用二頻觀測(cè)值去除電離層的影響，用二頻觀測(cè)值去除一次項(xiàng)電離層的影響后，剩馀高次項(xiàng)的影響在短基線上通常較小，可以忽略。 3.4短基線對(duì)流層延遲影響對(duì)流層延遲的一般是中性大氣指電磁波的折射。 中性大氣包括對(duì)流層和平流層，是大氣從地面上升約40 km的部分。 80%的折射發(fā)生在對(duì)流層，因此也稱(chēng)為對(duì)流層的折射延遲。 對(duì)流層相對(duì)于15 UHz的電波頻率為中性，信號(hào)傳播產(chǎn)生非色散延遲，電磁波傳播路徑比幾何距離長(zhǎng)。 電磁波在對(duì)流層的傳播速度只與大氣的折射頻率和電磁波的傳播方向有關(guān)，與電磁波的頻率無(wú)關(guān)。 對(duì)流層折射的影響通常不是天頂方向上對(duì)流層折射量與高度角的投影函數(shù)m的乘積。 對(duì)流層延遲的90%是由大氣中的十干燥氣體引起的，稱(chēng)為十量的剩馀10%是由水蒸氣引起的，稱(chēng)為濕量。 因此，對(duì)流層的延遲可以用天頂方向的十、濕度延遲及相應(yīng)的投影函數(shù)表示:其中始終采用IE11模型，IE11模型不僅考慮緯度因素，還考慮對(duì)流層季節(jié)性變化和高度差異的影響，不包括氣象因素，不受氣象因素觀測(cè)誤差的影響，也不考慮實(shí)測(cè)氣象數(shù)據(jù)，無(wú)線 對(duì)流層的影響在利用模型進(jìn)行修正后，足夠部分的修正精度可以達(dá)到cm水平，但濕潤(rùn)成分部分的殘留影響仍很大，在精確定位時(shí)，應(yīng)利用參數(shù)估計(jì)方法將對(duì)流層的殘留影響估計(jì)為一個(gè)參數(shù)。 大壩變形監(jiān)測(cè)精度要求達(dá)到mm級(jí)，可以對(duì)以上幾個(gè)誤差進(jìn)行建模處理，滿足要求。 結(jié)語(yǔ)高精度水庫(kù)變形監(jiān)測(cè)主要利用連續(xù)運(yùn)行的衛(wèi)星定位基準(zhǔn)站技術(shù)、衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)高精度處理技術(shù)、單網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)和信息處理技術(shù)等，對(duì)水庫(kù)變形實(shí)現(xiàn)全天候自動(dòng)化、高精度、可靠的監(jiān)測(cè)，優(yōu)于要求通視的常規(guī)測(cè)繪技術(shù)

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