北斗大壩變形監(jiān)測不是北斗衛(wèi)星高精度定位的具體應用，需要測量整個系統(tǒng)，需要一系列設備的協(xié)作

投入式液位計

用于液位測量的儀表的作用也不容忽視，主要作用也是根據(jù)水位的變化來測量水庫的變形。 本文主要介紹了采用北斗大壩變形監(jiān)測系統(tǒng)結構、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)測精度的方法。 收集的北斗衛(wèi)星數(shù)據(jù)通過通信網(wǎng)絡傳送到數(shù)據(jù)處理中心，計算數(shù)據(jù)得到監(jiān)測點和基準站的相對位移，達到了監(jiān)測水庫變形的目的。 引言北斗大壩變形監(jiān)測主要采用北斗差分定位方式，在了解緯度和經(jīng)度等信息的基準站安裝高精度北斗接收機，以大壩上安裝的十高精度北斗接收機等設備為監(jiān)測點，同時觀測相同的北斗衛(wèi)星，取得相應的北斗衛(wèi)星數(shù)據(jù)。 收集的北斗衛(wèi)星數(shù)據(jù)通過通信網(wǎng)絡傳送到數(shù)據(jù)處理中心，計算數(shù)據(jù)得到監(jiān)測點和基準站的相對位移，達到了監(jiān)測水庫變形的目的。 1北斗大壩變形監(jiān)測系統(tǒng)構成北斗大壩變形監(jiān)測系統(tǒng)，由數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、通信網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)分析處理中心、遠程監(jiān)測平臺等組成。 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)測點兩部分。 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)定時發(fā)送到數(shù)據(jù)處理中心。 基準站是監(jiān)控系統(tǒng)整體的基準參考，需要建設在穩(wěn)定的巖盤上，基準站設置高精度的北斗接收機來收集衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)。 監(jiān)測站分布于整個變形區(qū)域的特征點，整個壩體以多臺高精度北斗接收機、電子數(shù)據(jù)采集主機和電子傳感器為監(jiān)測站。 1.1.1數(shù)據(jù)采集主機的數(shù)據(jù)采集主機特點:①高精度衛(wèi)星接收機一次輸出的數(shù)據(jù)量大、要求高速緩存大、通信鏈路斷開時需要保存大量數(shù)據(jù)，需要外置TF存儲器作為北斗數(shù)據(jù)存儲器。 MCU選定了ST公司( Cortex-M3芯片)。 ②數(shù)據(jù)采集主機與高精度北斗衛(wèi)星接收機位于同一金屬機殼內(nèi)，連接高精度北斗接收機的串行無需防雷處理，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、485接口雨量傳感器、土層濕度傳感器等。 ④帶防護裝置的網(wǎng)絡端口連接到通信網(wǎng)絡，將收集到的北斗定位數(shù)據(jù)和外部感測數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)處理中心。 ⑤ 4-20mA模擬信號輸入端口用于連接4-20mA輸出端口的雨量傳感器、液位計、土層濕度傳感器等。 輸入信號被轉(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，可通過計數(shù)脈沖輸入口訪問。 計數(shù)脈沖從通常的MCU I/o端口輸入，與內(nèi)部定時器的寬計數(shù)器一起計數(shù)雨量。 數(shù)據(jù)采集主機的原理框圖如圖1所示。 圖1數(shù)據(jù)采集主機原理框圖1.1.2水庫變形監(jiān)測常用的電子傳感器(1)水庫液位計種類繁多，具有投入式液位計、浮子式液位計、超聲波液位計、壓力式液位計等特點，可根據(jù)水庫整體周圍的具體情況使用。 ①浮子式液位計有浮子感知水位升降的原理。 通過機械方法直接驅(qū)動浮子來記錄結構的普通水平計，有將浮子給予的旋轉(zhuǎn)角量轉(zhuǎn)換成增量電脈沖或二進制碼脈沖并遠距離傳送的電傳輸、數(shù)字水平計、由微浮子和多個十彈簧管構成的數(shù)字傳感器水平計等。 應用廣泛的是機械浮子液位計。 應用浮式液位計需要測井設備，只適用于岸坡穩(wěn)定、河床沖擊小的低含沙量河段。 ②超聲波液位計是一種反射式液位計，應用聲波在不同接口反射的原理測量水位。 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，通過回波時間無法計算水位。 儀器不接觸水體，完全消除水中泥沙、流速沖擊、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。 兩種液位計都可以用電纜保存室內(nèi)標志和記錄。 ③壓力式液位計的工作原理是測量水壓，估計水位。 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，直接測量水位。 壓力式液位計有兩種。 一個是氣泡型，在壓力管中不斷供給空氣，用自動調(diào)節(jié)的壓力天平把水的壓力轉(zhuǎn)換成機械的旋轉(zhuǎn)角度量，使記錄機構運轉(zhuǎn)。 另一種是電測型，將固體壓阻元件作為傳感器應用，將水壓直接轉(zhuǎn)換為電壓彈性模量和頻率數(shù)量的輸出，然后用導線送到岸上進行處理和記錄。 ④跟蹤式液位計也稱為接觸式液位計，重錘上的電針接觸水面發(fā)出電信號，使馬達正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，隨時跟蹤水面點的位置測量水位。 一般在陡峭的岸坡上架設鐵管，使錘子和繩子在管道中升降，驅(qū)動記錄和信號裝置。 鐵管進水口需要沉砂和凈水設施。 ⑤

投入式液位計

根據(jù)測量的液體靜壓與該液體高度成比例的原理，利用擴散硅和陶瓷傳感器的壓電電阻效應，將靜壓轉(zhuǎn)換為電信號。 經(jīng)過溫度補償和線性補償，轉(zhuǎn)換為4-20 mA的標準電流信號輸出。 投入式液位計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，設置方便。 數(shù)據(jù)收集主機連接傳感器的接口可能只有485接口和4-20 mA輸入接口，因此選擇水位時請考慮接口的匹配。 (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，通過上筒(漏斗)計量跌倒，跌倒用工程塑料注塑成形，用中間隔板分為兩個等容積的三角斗室。 這是機械的雙穩(wěn)定構造，一旦某斗室受水，另一斗室就處于待機狀態(tài)。 接受的雨水容積達到規(guī)定值的0. 4 mm (假設測量精度為0. 4 mm )時，由于重力傾倒，變成待機狀態(tài)，另一斗室變成接水狀態(tài)。 當該連接水量達到規(guī)定值時，自己跌倒，成為待機狀態(tài)。 反斗測定壁上設置有磁鋼，伴隨著反斗反斗時從十式導管旁邊掃描，切斷十式導管。 也就是說，每次跌倒時，十字導管就會接通，發(fā)出開關信號(脈沖信號)。 反斗式雨量傳感器通過數(shù)據(jù)收集主體計數(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)測站通過無線UPRS網(wǎng)絡將氣象數(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)星接收機的木體能夠進行水平和垂直的位移測量，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，無需其他外部設備即可輸出數(shù)字和模擬信號，數(shù)據(jù)收集主機的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)處理中心負責處理基站和監(jiān)控站的北斗數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理中心包括星歷表、原始觀測數(shù)據(jù)，如衛(wèi)星號、偽距離、偽距離標準偏差、載波相位差、載波瞬時多普勒頻率、加載噪聲比、 在采用雙差分計算模式來優(yōu)化載波相位差分數(shù)據(jù)處理方法的基礎上，同時處理基站和監(jiān)視站的載波相位數(shù)據(jù)，獲得關于所獲得的監(jiān)視點參考點的變化量，并獲得關于整個壩區(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、數(shù)據(jù)處理軟件、服務器等構成。 1.3遠程監(jiān)控中心遠程監(jiān)控中心可與數(shù)據(jù)處理中心并列，遠程監(jiān)控中心是整個系統(tǒng)的神經(jīng)中樞，監(jiān)控信息處理，融合水文、氣象等信息，構成水庫變形監(jiān)控信息自動處理和應急預警信息平臺。 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、結果分析等幾個流程，具體來說在圖z1~圖4中沒有。 3數(shù)據(jù)處理誤差修正模型為相對定位，相關的重要數(shù)據(jù)處理過程分為基線計算，基線計算分為長基線、中長基線、短基線3類。 本文介紹如何消除或減少與短的基線數(shù)據(jù)處理有關的誤差影響因素的河流、誤差。 3.1短基線的衛(wèi)星歷書誤差從衛(wèi)星歷書給出的衛(wèi)星位置和實際衛(wèi)星位置之間的差稱為衛(wèi)星歷書誤差。 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、觀測值的數(shù)量和精度、決定軌道的數(shù)學模型和決定軌道的軟件完整度等。 在一般工程應用中，特別是在北斗短基線的數(shù)據(jù)處理中，由于基線較短，一般采用廣播歷書可以滿足應用的要求。 在相對定位中，衛(wèi)星歷書誤差對計算精度的影響很小，但是在使用廣播歷書執(zhí)行相對定位時，因為即使基線長度達到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)星時鐘差和接收機時鐘差的影響[[3]衛(wèi)星上的時鐘工具是高精度的原子鐘，但衛(wèi)星時鐘也不可避免地會產(chǎn)生誤差。 該誤差還包括系統(tǒng)偏差(例如，時鐘偏差、時鐘速度、時鐘漂移等)，也包括隨機性質(zhì)的偏差。 系統(tǒng)誤差通過檢驗和比較確定，可以用相應的數(shù)學物理模型修正的隨機誤差只能用時鐘的穩(wěn)定度來表現(xiàn)統(tǒng)計特性，不能確定其具體大小和方向。 和衛(wèi)星時鐘一樣，接收機時鐘也出現(xiàn)誤差，接收機時鐘是石英時鐘，接收機時鐘的差比衛(wèi)星時鐘的差顯著。 這個誤差主要取決于鐘表的質(zhì)量，與使用環(huán)境有一定的關系。 碼偽距觀測值和對載波相位觀測值的影響相同。 某個時刻t的時鐘差一般在pt一" +a，}t一" +a9 }t一" +{y(t)dt式中為a〔時刻t的該時鐘的時鐘差； a、t、時刻的鐘表的時鐘速度a是l )時刻的該鐘表的加速度的一半。 在使用載波相位觀測值進行相對定位的情況下，根據(jù)衛(wèi)星導航消息給出的衛(wèi)星時鐘參數(shù)求出的衛(wèi)星時鐘差不能成為后述的值，在制作觀測方程式時必須視為美知參數(shù)。 在執(zhí)行同步觀測的情況下，不同的觀測值可包括相同的時鐘差的影響，因此，通過減去觀測方程可以消除這些時鐘差的影響。 假設同步觀測n個衛(wèi)星，在短基線(更長的基線)的數(shù)據(jù)處理中，首先選擇一個衛(wèi)星作為基準星，將其馀的( n-1 )個觀測方程式分別從基準星觀測方程式中減去，則在求出該( ( n-1 )個差分后的新的觀測方程式中，某個對應 在兩個車站之間，進行車站之間的單差可以消除衛(wèi)星時鐘的差異。 將不同時刻、不同車站間的時鐘差視為獨立的美知參數(shù)，減去相應的觀測方程式，消除這些時鐘差的影響，構成方程式。 3.3短基線的電離層延遲影響衛(wèi)星電磁波信號通過電離層時傳播速度的變化，變化的程度主要依賴于載波信號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、國際參考電離層模型、}Klobuchar模型、雙頻修正模型等。 另外，采用實測雙頻觀測值構建電離層延遲修正模型等不同觀測條件下相應的模型對電離層延遲影響萬&rsquo； 的雙曲馀弦值。 然而，目前常用的方法是用二頻觀測值去除電離層的影響，用二頻觀測值去除一次項電離層的影響后，剩馀高次項的影響在短基線上通常較小，可以忽略。 3.4短基線對流層延遲影響對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)生在對流層，因此也稱為對流層的折射延遲。 對流層相對于15 UHz的電波頻率為中性，信號傳播產(chǎn)生非色散延遲，電磁波傳播路徑比幾何距離長。 電磁波在對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，與電磁波的頻率無關。 對流層折射的影響通常不是天頂方向上對流層折射量與高度角的投影函數(shù)m的乘積。 對流層延遲的90%是由大氣中的十干燥氣體引起的，稱為十量的剩馀10%是由水蒸氣引起的，稱為濕量。 因此，對流層的延遲可以用天頂方向的十、濕度延遲及相應的投影函數(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，不受氣象因素觀測誤差的影響，也不考慮實測氣象數(shù)據(jù)，無線 對流層的影響在利用模型進行修正后，足夠部分的修正精度可以達到cm水平，但濕潤成分部分的殘留影響仍很大，在精確定位時，應利用參數(shù)估計方法將對流層的殘留影響估計為一個參數(shù)。 大壩變形監(jiān)測精度要求達到mm級，可以對以上幾個誤差進行建模處理，滿足要求。 結語高精度水庫變形監(jiān)測主要利用連續(xù)運行的衛(wèi)星定位基準站技術、衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)高精度處理技術、單網(wǎng)絡技術、通信技術和信息處理技術等，對水庫變形實現(xiàn)全天候自動化、高精度、可靠的監(jiān)測，優(yōu)于要求通視的常規(guī)測繪技術

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