华测风塔GPS自动化监测方案.doc

风塔沉降GPS自动化 监测预警技术方案上海华测导航技术有限公司2012年11月1前言32风塔沉降GPS监测的总体设计42.1系统设计依据42.2系统硬件总体设计43风塔沉降GPS自动化监测预警系统概况63.1GPS自动化监测在风塔沉降形变监测中的应用63.2GPS自动化监测系统发展63.3自动化监测的优点73.4风塔沉降GPS自动化监测预警系统的介绍73.5风塔沉降GPS自动化监测预警系统原理和方法83.6风塔沉降GPS自动化监测预警系统组成93.7风塔沉降GPS自动化监测预警系统技术的先进性104风塔沉降GPS自动化监测预警系统方案实施114.1本监测系统设计依据114.2风塔沉降区GPS监测点的布置124.2.1GPS参考站124.2.2GPS监测站124.3风塔沉降体GPS观测蹲的建设124.3.1参考站的选址依据124.3.2GPS观测墩的埋设要求134.4供电系统系统174.4.1太阳能供电系统174.5数据通讯单元184.6雷电防护184.6.1雷电的危害性184.6.2直接雷防护184.7监测设备防盗措施195系统控制解算中心195.1存储及处理系统205.2软件控制系统206控制中心解算软件GPSENSOR简介226.1应用背景226.2GPSensor功能简介246.2.1GPSensor的功能模块：246.2.2GPSensor的基本功能246.2.3数据记录266.3GPSensor算法的特点（与RTK和传统静态模式比较）276.4GPSensor的软件界面介绍306.4.1数据监控窗口306.4.2接收机监控窗口306.4.3监测站变形曲线窗口316.4.4基线窗口326.4.5日志326.5GPSensor的系统结构336.5.1系统结构336.5.2GPSensor支持的GPS接收机336.6服务器和操作系统336.7系统通讯网络357产品选型367.1华测双频X60M接收机368.1防雷相关设备388.1.1避雷针388.2天线罩39GPS观测墩设计图411 前言INTERNET彻底改变了我们的习惯，涵盖我们生活各个角落的大量信息在人们之间免费自由交流；无线技术将我们从纷繁的电缆、各式各样的适配器以及插座中解放出来；计算机在体积越来越小的背后其功能却不断增强。面对这一切，年轻的工程师和科学家无法想象究竟应怎么评价并实际应用它们。对我们安全监测工程师而言，新技术给我们带来的最大冲击就是现场监测，尤其是自动化监测：各种传感器安装在现场，自动采集系统按照要求的采样速率自动测读数据。传感器、数据采集系统以及数据管理等方面的技术进展，已经扩展应用于各类安全监测预警。本文通过GPS自动化监测说明自动监测的益处，如边坡监测、深基坑监测和桥梁监测。这些例子都说明了要搞监测的三个主要原因：节省投资、保障安全、确保建筑施工安全。  风能是现今世界各国都十分重视开发和利用的一种绿色能源。风电场塔筒是风力发电的塔杆,在风力发电机组中起支撑作用,同时吸收机组震动。要保证风力发电机组的正常运转,就必须保证塔筒结构的安全可靠。风电场风力发电塔筒不仅受到自身重力、风轮和机舱的重力、作用在塔身上的风载荷,还受到通过风轮作用在塔筒顶端的气动载荷、偏转力、陀螺力和陀螺力矩等。塔筒轴心倾斜度、振动频率及振幅都是塔筒结构健康状况的重要参数,对这些参数进行实时监测可以检测塔筒能否正常使用。加速度传感器法、位移传感器法和全站仪自动扫描法是现今常用于结构动态变形监测的几种方法。但传统的观测技术受其能力所限,已经不能满足大型构筑物动态监测的需求。随着现代硬件技术、数据处理技术以及通信技术的发展,一门新兴技术GPS监测技术逐渐发展起来,国内外运用GPS监测技术对建筑物的实时健康监测也日渐增多,如加拿大Loves等于1993年对高160 m的卡尔加里塔用GPS进行了强风作用下的振动测量;德国Breuer等于1999年对高155 m的电视塔进行了风载荷作用下的振动测量2 风塔沉降GPS监测的总体设计2.1 系统设计依据华测GPS变形监测系统是一个集结构分析计算、计算机技术、通信技术、网络技术、传感器技术等高新技术于一体的综合系统工程。本监测系统的作用是成为一个功能强大并能真正长期用于结构损伤和状态评估，满足固体建筑物管理和运营的需要，同时又具经济效益的结构健康安全监控系统，遵循如下设计原则：1) 遵循简洁、实用、性能可靠、经济合理的指导思想；2) 系统设置立足实用性原则第一，兼顾考虑科学试验和设计验证等方面因素；3) 各传感器的布置、安装要合理，力求用最少的传感器和最小的数据量完成工作；4) 系统应具有可扩展性。GPS & GPSensor监测系统的技术设计及工程建造依据相关的国家标准和相关行业标准进行，本设计书中所引用的部分技术规范参见表1。表1名称编号批准单位年份全球定位系统测量规范CH2001国家测绘局精密工程测量规范GB/T 15314-94国家技术监督局1994-12-22全球定位系统城市测量技术规程CJJ 73-97中国建设部1997UNAVCO 基准站建立规范国际UNAVCO组织IGS基准站建立规范国际IGS委员会混凝土结构设计规范GBJ 1089建设部2.2 系统硬件总体设计系统硬件由四大部分组成：1) 传感器子系统：由布置监测点上的各类GPS组成，主要传感器采用后安装方式；2) 数据传输子系统：GPS天线到GPS主机由同轴电缆通讯；GPS主机及其它传感器与控制中心通讯采用有线或无线的通讯方式；3) 数据处理与控制子系统：由布置在监控中心的小型机系统、服务器系统、数据实时自动处理与Web发布；4) 辅助支持系统：包括外场机柜、配电及UPS、防雷和远程电源监控。3 风塔沉降GPS自动化监测预警系统概况3.1 GPS自动化监测在风塔沉降形变监测中的应用GPS用于形变监测，监测的区域一般不是很大，但变形监测点布设比较密集。当GPS用于风塔沉降监测时，往往是对一定范围内具有代表性的区域建立变形观测点，在远离监测点合适的位置（如稳固的基岩上）建立基准点。在基准点架设GPS接收机，根据其高精度的已知的三维坐标，经过定期连续观测从而得到变形点坐标（或者基线）的变化量。根据观测点的形变量，建立安全监测模型，从而分析风塔沉降的变形规律并实现及时的反馈。事实上，为了建立一个更接近实际情况的安全监测模型，合理的密集分布监测点是需要的。与普通的工程测量不同，风塔沉降及形变监测需要实时传送数据，并不断更新，达到监控的目的。普通的全站仪或其它监测手段不仅需要更多的人力完成观测操作，而且由于其内部的电器、光学特性使得它不能工作在雨雪天气，夜里也无法完成测量作业，GPS技术由于其全天候作业的特点不但可以取代传统的测量作业方式，而且可以将GPS信号传输到控制中心，实现数据自动化传输、管理和分析处理。GPS用于变形监测虽具有突出的优点，所以GPS技术在安全监测方面一定会有广阔的应用前景。3.2 GPS自动化监测系统发展GPS（全球卫星定位系统）自八十年代中期投入民用后，已广泛地在导航、定位等各领域应用，尤其在测量界的控制测量中起了划时代的作用。正因为是它在相对定位中的高精度、高效益、全天候、不需通视等优点，使人们普遍采用其来代替常规的三角、三边、边角等方法，并在理论、实践中取得了可喜的成果。在精密工程变形监测中也逐步得到广泛的应用。随着社会经济和科学技术的快速发展，为了更有效保障国家财产及人生安全，利用传统的变形监测手段越来越不能满足变形监测要求，这就迫切需要性能更可靠的设备来监测大桥的形变。目前，随着GPS技术的不断成熟，GPS自动化监测系统已经在桥梁、风塔沉降、建筑、地震、等行业中应用并取得很好的效益。GPS自动化监测系统仪器以其卓越的性能受到专家的好评。从国内外的有关研究和应用可以看出GPS是一个非常有效的GPS监测技术，GPS与其它传感器结合用于风塔沉降监测已形成了趋势。目前GPS在风塔沉降中的最高精度在毫米级。而华测GPS监测系统已经做到数据自动传输、自动解算处理、准实时测量结果和测量结果图形演示，自动预警报警。3.3 自动化监测的优点自动化监测系统允许以任意间隔采样-典型间隔可以是按分钟、小时或者按天。测试精度得以提高，数据可以远程处理，从而向项目组提供有用信息。当然，还有其它益处包括： 1) 避免人工读数和记录引起的人为误差。 2) 可以实现远程以及恶劣天气条件下采集数据。 3) 每天可进行24小时连续监测。 4) 连续监测能快速检测到临界变化，能在事态恶化之前采取处理措施。 5) 自动化监测系统可以按程序步骤监测限定阀值、变化速率，从而能在超出预定极限值时自动报警。 很多工程师认为自动化监测是“黑箱”，可见的查验以及宝贵的经验都被冷冰冰的电路板和继电器将所存在的问题通过警报而取代了。事实上，自动化连续监测所获得的数据能向工程师提供被监测结构很多肉眼不易察觉的新的特征信息。它们拓展了工程师的视野， 对结构响应有深入的理解。不仅如此，应用自动化监测系统，结合先进分析工具，工程师能享受到这些廉价的新技术优势，而不用牺牲风塔沉降的安全。3.4 风塔沉降GPS自动化监测预警系统的介绍风塔沉降GPS自动化监测预警系统，主要应用现代化的传感技术、GPS技术、计算机技术、现代网络通讯通信技术对在不同的天气或环境下准实时反映风塔沉降区域变形情况，根据对实时位移数据的实时分析，对分析后适当的数据存储、分类、提取、统计等处理，为中心站日常管理提供各类报表、图形，为风塔沉降预警分析提供决策依据和参考以达到在最短的时间通过短消息、E-MAIL或者声响预警、报警的功效，如下面示意图：系统功能示意图另外，本系统还可实现预警站点分布图、预警站点基本情况的计算机的初级显示等功能。3.5 风塔沉降GPS自动化监测预警系统原理和方法本系统采用成熟的INTERNET技术、华测高精度GPS准动态算法及GPS一机一天线等技术。变形监测网络中的每个GPS接收机都同时输出GPS的原始数据格式RT17，RT17包含了GPS解算的所有必要的载波相位数据、星历等数据。通过无线网桥或者GPRS/CDMA无线网络传到控制中心。控制中心根据每台GPS接收机对应的IP地址和端口号，获得每个监测点的原始实时数据流;或者，软件通过远程的端口映射，直接从监测单元的端口获得GPS的原始数据流。在控制中心服务器上，GPSensor监测软件准实时解算出各监测点的三维坐标。本套系统采用的是光纤传输。3.6 风塔沉降GPS自动化监测预警系统组成数据处理中心建设在控制中心，办公室有总控计算机、数据处理工作站、打印机等硬件设备，而在总控计算机上安装华测GPSensor软件。控制中心配备一台高性能服务器，用于数据分析和图形处理，以及终端服务。结合GPSensor软件和其他专业的数据处理软件，实时对数据分析和图形处理。如下图，为该系统结构拓扑图。风塔沉降区系统结构拓扑图数据传输方式采用光纤传输，能使用市电的情况全部使用市电，在不方便使用市电的地方使用太阳能和蓄电池联合供电方式。3.7 风塔沉降GPS自动化监测预警系统技术的先进性1） GPS接收机及其配套设备，要求包括从数据采集、集中传输、解算处理、显示和记录及避雷和防盗等安全保护设施的全部设备，实现将监控数据传输到监控中心并显示；2） 监测系统无人值守，有人照看、自动运行，年运行可靠率99%以上，系统可满足7×24小时长时间可靠运行，连续无故障运行时间超过10万小时。在没有太阳的情况下，监测系统设备可依靠备用电源连续工作7天以上；3） GPS硬件具有良好的物理性能和工作性能，适合长时间连续工作，GPS接收机天线为大地测量型天线；4） 本系统可采用光纤通讯，数据传输到控制中心准实时处理；5） 准实时显示和分析形变量，可间断性评估的健康状况；6） 数据实时输出给分析软件；7） 控制中心软件自动解算，最短反应时间可为几分钟到几小时，并实时进行网平差，自动评估监测结果，而且各参数完全由用户根据不同监测需求自行设置。8） 设定日常信道报警系统，Web发布以及可通过短消息或E-MAIL方式报警，无论您在何时何地都可以掌握风塔沉降体的动态；9） 通过实时监测风塔沉降点的空间位移，确定风塔沉降区的变形状况、几何线形等；10） 提供高质量的双频GPS测量数据，实时获得毫米级精度的位置数据，静态精度为水平：小于±3mm ,垂直：小于±6mm；风塔风载震动中实时监测精度：小于±10mm ,垂直：小于±20mm11） 自动生成报表，形成报表的周期用户可自行设计，比如一周、一天等，一些必要的输出信息用户也可以自动添加或删除，同时根据需要可自动生成各点的周变化曲线、月变化曲线等。4 风塔沉降GPS自动化监测预警系统方案实施1) 本GPS自动化监测系统实施主要包括以下几个方面：2) 参考站及监测站选址3) 参考站及监测站观测墩的建设4) 设备的供电5) 设备避雷6) 数据通讯7) 控制中心的建设4.1 本监测系统设计依据风塔沉降GPS自动化监测预警系统技术设计及工程建造依据相关的国家标准和相关行业标准进行，本设计书中所引用的部分技术规范参下表：名称编号批准单位年份全球定位系统测量规范CH2001国家测绘局精密工程测量规范GB/T 15314-94国家技术监督局1994-12-22全球定位系统城市测量技术规程CJJ 73-97中国建设部1997UNAVCO 基准站建立规范国际UNAVCO组织IGS基准站建立规范国际IGS委员会混凝土结构设计规范GBJ 1089建设部4.2 风塔沉降区GPS监测点的布置风塔沉降区GPS自动化监测预警系统的监测单元包括参考站和监测站，各站点的具体布置方式根据以下要求：4.2.1 GPS参考站GPS基准网布设应根据风塔沉降体的情况而定。点位宜分布在风塔沉降体周围(与监测点的距离最好在3公里以内)地质条件良好、稳定、视野相对比较开阔且易于长期保存的地方，而这些监测点必须定时应与就近的GPSA,B级控制网或国家IGS网进行联测,以利于分析基准网点的可靠性及变形情况。基准网点基线向量的中误差1ppmD，当基线长度D<3km时,基线分量绝对精度3mm。对于本监测系统而言，我们将按照这些布设条件，分别在远离风塔沉降区、地质条件稳定的地方建设3个参考站。4.2.2 GPS监测站监测点GPS天线安装到风塔顶部合适的位置，GPS主机置于塔筒顶部的机柜内。GPS天线和GPS主机之间通过同轴电缆链接由于GPS观测无须点间通视,所以监测点位完全可按监测风塔沉降的需要选定(但应满足GPS观测条件)。4.3 风塔沉降体GPS观测蹲的建设4.3.1 参考站的选址依据参考站要求建立在地基稳定的地点，同时GPS参考站场地应满足以下要求：1) 距离风塔沉降体最好不超过3KM；2) 参考站场地稳固，最好建在稳定的基岩上或冻土层以下2米，但不允许建设在风塔沉降体上；而监测点必须选择在风塔沉降体上，所选择的监测点要和整个风塔沉降体为一个整体，监测点的三维变化可以实时、真实反映风塔沉降体的三维变化；3) 视野尽量开阔；4) 远离大功率无线电发射源（如电视台，电台，微波站等），其距离不小于200m，远离高压输电线和微波无线电传送通道，其距离不得小于50m；5) 尽量靠近数据传输网络；6) 参考站观测蹲应远离震动源（铁路、公路等）50米以上。4.3.2 GPS观测墩的埋设要求1 参考站观测墩(单位：CM)注：水准标志在观测墩的四侧各埋一个，目的是将来可检查墩子有无倾斜，如果本地区没有冻土则从地面算起。A.2 天线强制对中标志(单位：mm)A.3 GPS观测墩钢筋捆扎示意图（单位：CM）A.4 GPS观测墩基座钢筋骨捆扎示意图(单位：CM) l 混凝土施工要求1灌制混凝土标石所用材料应符合下列要求：a采用的水泥标号应不低于425。制作不受冻融影响的混凝土标石，应优先采用矿渣和火山灰质水泥，不得使用粉煤灰水泥。制作受冻融影响的混凝土标石，宜使用普通硅酸盐水泥。在制作受盐碱、海水或工业污水侵蚀地区的标石时，须使用抗硫酸盐水泥。在沙漠、戈壁等干燥环境中的标石，不得使用火山灰质水泥；b石子采用级配合格的540mm的天然卵石或坚硬碎石，不宜采用同一尺寸的石子；c沙子采用0.153mm粒径的中砂，含泥量不得超过3%；d水须采用清洁的淡水，硫酸盐含量不得超过1%；e外加剂可根据施工环境选用，如早强剂、减水剂、引气剂等，其质量应符合相应规定，不得使用含氯盐的外加剂。2每立方米混凝土制作材料用量：每立方米混凝土制作材料用量表：骨料种类级配粒径mm水水泥砂石配合比例重量，kg重量，kg重量，kg重量，kg（体积，m3）（体积，m3）（体积，m3）（体积，m3）碎石54018030060012260.6：1：2.2：4.09（0.18）（0.30）（0.44）（0.82）0.6：1：1.47：2.73卵石54017028567212480.6：1：2.36：4.38（0.17）（0.28）（0.45）（0.83）0.6：1：1.61：2.96注：表中配合比适用中砂，当采用细砂或粗砂时，水和水泥用量相应增加或减少17kg和10 kg。当采用540 mm粒径的碎石或卵石，应将水和水泥用量各增加10%，砂、石用量不变。3混凝土施工要求：a调制混凝土，须先将砂、石洗净。浇灌标石时，须逐层充分捣固；b气温在0以下时，必须加入防冻剂，拆模时间不得少于24h，否则不准施工；c拆模时间可根据气温和外加剂性能决定，一般条件下，平均气温在0以上时，拆模时间不得少于12h； GPS参考站示意图4.4 供电系统系统对于该风塔沉降区GPS自动化监测预警系统特殊情况（现场有市电，但距离有限），我们在能够牵引市电的地方采用市电供电，在不方便牵引市电的地方采用了太阳能供电的方式。4.4.1 太阳能供电系统本系统我们采用太阳能和蓄电池联合供电方式。如下图：我们采用50W的太阳能电池板和100Ah的蓄电池，这样的好处是安全、容易避雷、省工，而且在没有太阳的情况下可以连续工作7天。太阳能电池板供电示意图4.5 数据通讯单元由于本监测方案的特点是远程控制、远程管理、实时自动化监测、数据双向通讯等特点，所以数据通讯包括两个部分，即控制中心通讯部分和监测单元数据通讯部分。根据现场情况，我们选择无线网桥通讯方式。4.6 雷电防护4.6.1 雷电的危害性在连续运行的GPS监测站和参考站一定要考虑到防雷电措施，雷电所产生的高电压电磁脉冲对没有相应保护措施如：同轴电缆，天线，数据通讯电缆，电源电缆产生强烈的毁坏作用，直接损坏所连接的电子设备，所以必须安装避雷电接地端。雷电是导致电涌最明显的原因，雷电击中输电线路会导致巨大的经济损失。每一次电力公司切换负载而引起的电涌都缩短各种计算机、通讯设备、仪器仪表和 PLC的寿命。4.6.2 直接雷防护在距观测墩33.5米处安装H=7米的普通避雷针，选用16不锈钢制作。支撑杆由两节组成、分别由2寸、1.2寸各三米热镀锌管制作。地网选用4根50×50×5mm热镀锌角钢为垂直地极L=2.5米，以40×4mm热镀锌扁钢互连，地极埋地深度>0.7米。避雷针基座为500×500×60mm钢筋混凝土，由地网引两根40×4mm热镀锌扁钢与基座连接，接地电阻小于2。避雷针与天线的距离选择大于3米，是以中等强度的雷电流通过避雷针接地泄流时所产生的感应电磁场到达天线时其强度可衰减到安全值的范围之内。预防直接雷示意图4.7 监测设备防盗措施因为本系统具有自动检测、自动报警的功能，所以本监测系统防盗措施主要通过以下3个方面：1) 观测蹲周围设置防护栅栏（如太阳能电池板供电示意图），在栅栏上贴上电力警示标志；2) 各监测点做到无人照管有人照看。3) 每个机柜都配有锁和钥匙。5 系统控制解算中心系统控制中心是整个系统的核心单元。由机房、中心网络和软件系统组成，具有数据处理、系统控制和网络管理的功能。5.1 存储及处理系统微机应有以下性能：1) 高的散热技术，更好的稳定性（MTBF 20,000小时），并能支持高达2GHZ主频的CPU,1G内存,Windows XP操作系统2) 数据库平台 3) 网络平台：具有固定IP地址，带宽至少为2M；4) 小巧简约的外形设计，节省办公空间，可以随意摆放和移动位置。5.2 软件控制系统GPSensor 软件界面图标准特性l Windows95/NT 32bit 结构;l 多线程，多任务设计;l 先进的GPS数据算法，具有OTF解算，卡尔曼滤波，三差解算等;l 图形用户界面，实时显示基准站、监测站的工作状态;l 具有防死机功能，一旦某个监测站出现死机现象，软件马上会通过数据信号触发的方式实现接收机自动重启;l 软件上有各个GPS接收机的模拟串口，可以向GPS接收机发送用户更改参数的命令（如采样间隔、高度截止角、时段长度等）;l 软件记录原始数据后，可以任意截取其中部分数据;l 可以调整各个监测站的位置更新率;l 可以输出多种差分后的数据格式，如GGA等;l 可以提供源代码，支持用户二次开发。6 控制中心解算软件GPSensor简介6.1 应用背景GPSensor是由上海华测导航技术有限公司研发的基于网络利用全球卫星定位系统（GPS）进行的实时三维变形量分析系统软件。这套软件对于人工建筑变形分析比如大型桥梁，水坝，大型人工建筑以及油田沉陷，矿山采空区沉陷，城市地下水漏斗沉陷，火山监测，山体风塔沉降监测等等具有非常大的现实意义。GPS（全球卫星定位系统）自八十年代中期投入民用后，已广泛地在导航、定位等各领域应用，尤其在测量界的控制测量中起了划时代的作用。正因为是它在静态相对定位中的高精度、高效益、全天候、不需通视等优点，使人们普遍采用其来代替常规的三角、三边、边角等方法，并在理论、实践中取得了可喜的成果。在精密工程变形监测中也逐步得到广泛的应用。从国内外的有关研究和应用可以看出GPS自动化监测系统已经在桥梁、大型建筑、地震、等行业中应用并取得较好的效益。目前，采用GPS技术用于桥梁等工程变形监测的手段已经被广泛的应用于世界各地。例如：英国Humber桥的GPS监测系统、日本明石海峡大桥的GPS监测系统、虎门大桥GPS监测系统、青马大桥、汲水门大桥和汀九大桥的GPS监测系统。上海曾经是中国缓变性地面沉降较为严重的城市，自1921年发现地面沉降至今已有80余年，开展地面沉降专项勘查与研究至今已有40年。特别是近十余年来，采用GIS（地理信息系统）和GPS（全球定位系统）技术，对全市监测网络进行了全面更新与调整，并正在建设完善全市地面沉降自动化预警预报系统工程。三峡库区地质灾害监测预警工程是国家在三峡库区实施的一项重大减灾工程，国土资源部将实施这一工程。三峡库区地质灾害监测预警工程于2002年3月正式启动后，三峡库区地质灾害防治工作指挥部在全库区建成包括GPS监测网、综合立体监测网和遥感监测系统的专业监测工程，建立各类监测网点1447个，配备GPS接收机46台（套），并在重庆市和湖北省的18个区、县的129处风塔沉降和库岸监测运行。完成了包括地表位移监测、深部变形监测、风塔沉降推力监测、风塔沉降地下水监测和宏观巡查监测在内的18个区、县的125处崩塌风塔沉降库岸综合立体监测网建设。由GPSensor为核心构成的变形监测网络中的每个GPS接收机只需要输出GPS的原始数据和星历，原始数据包含了GPS解算所有必要的伪距和载波相位数据等，星历指GPS卫星发播的广播星历。数据通过广域网、局域网络、串口、无线设备等传到控制中心，控制中心的GPSensor软件根据每台GPS接收机对应的IP地址和端口号，获得每个监测点的原始实时数据流，GPSensor软件对这些原始数据进行实时差分解算，得到各个监测站的坐标，并存入数据库或发送给客户端。利用GPSensor软件能进行7×24小时不间断观测。而且，与传统的RTK方式相比，GPSensor具有精度更高，实时性更强的特点。GPSensor支持各种主流品牌的单双频GPS接收机混合监控。GPSensor采用了C/S架构，用户可以进行远程监控。具体的，GPSensor实时差分变形监测软件的工作流程可用下图表示：如图所示，GPSensor变形监控软件实现了各个监控站的实时差分定位，并具有图形显示、接收机设置、监控站参数设置、观测数据记录、报警等功能。采用C/S架构的GPSensor软件方便用户在办公室、监控中心、家中监测系统的健康状况。GPSensor实时差分变形监控软件支持英文和中文。GPSensor的开发工具为VC+ 6.0。6.2 GPSensor功能简介6.2.1 GPSensor的功能模块：这里用框图来表示GPSensor的主要功能模块。6.2.2 GPSensor的基本功能GPSensor实时差分变形监控软件具有下面的一些基本功能：u 对GPS原始数据进行7×24小时实时差分处理，进行变形监测，永不间断；u 根据接收机的原始数据输出率，数据更新率最高可达20Hz；u 可根据系统参数设置，对不同的监测站的实时差分结果进行Kalman滤波，达到不同的动态要求和精度要求；u 可同时处理多达多个基站和32个监测站的数据；u 根据多天运行的结果，建立近期的大气延迟（对流层、电离层）模型，提高定位精度和可靠性；u 多基站支持，多基站不但提高了系统的可靠性，而且，根据多基站的观测数据，可以建立电离层模型，提高长距离监测的精度；根据多基站的处理结果，可以实现实时网平差功能，提高点位精度和可靠性；u 原始数据后处理功能；u 输入接口协议：RS232、CAN、TCP/IP；u 输出接口（远程服务）协议：TCP/IP；u 实时显示接收机的信号跟踪状况，如星空图、信噪比、钟差等；u 实时显示基线的变化情况，点位的移动情况等；u 原始数据、解算结果的自动保存功能，可根据用户需求进行设置；u 对监测站、基站接收机的远程设置功能，软件上有各个GPS接收机的独立监控模块，可以向GPS接收机发送用户更改参数的命令（如采样间隔、高度截止角等）；u 系统完备性监测功能，可对整个系统的健康状况进行监测；u 每个监控站的监控范围可根据用户设置，可从5厘米到5米，相对的，精度可从2mm到1cm（平面），高程4mm到2cm。u 环境参数输入功能。比如，输入监测站周围障碍物的分布情况，在数据处理时，能剔除常规方法不能自动剔出的坏数据，提高定位精度。u 具有防死机功能，一旦某个监测站出现死机现象，软件马上会通过数据信号触发的方式实现接收机自动重启；u 可以调整各个监测站的位置更新率；u 支持网络分布式计算；u 软件实现C/S架构，客户端可以运行在远程；u 提供第三方软件接口，如用COM组件的方式实现，可实现远程查询、管理、报警；另外，GPSensor软件可用于桥梁、矿区等的监测，可针对不同的工作环境对用户图形界面进行定制。如针对桥梁监测，GPSensor的客户端能提供如下功能：u 数据库功能，长期观测的数据能保存在数据库中；u 三维动画；u 整体变形示意图；u 历史数据分析；u 趋势图；u 报警功能，报警项可根据用户要求设定，可通过短信、电子邮件等方式进行报警。u 权限管理：一般用户只能浏览数据，系统管理员才可能对一些参数进行设置。u 数据分析，即对监控点进行频域和时域分析。6.2.3 数据记录连接数据库，GPSensor能够记录用户需要保留的各项信息，根据用户的选择，记录的内容如下：GPS定位数据坐标；精度（水平和垂直）；PDOP值；使用卫星颗数；解类型。卫星数据卫星颗数；每颗卫星的坐标；每颗卫星的信噪比；每颗卫星的仰角；基线解信息基线向量；基线误差（中误差和相对误差）；比率值；协方差阵。系统状态数据软件本身的工作状态；各个机站的工作状态是否正常；网络连接状态。6.3 GPSensor算法的特点（与RTK和传统静态模式比较）集成了RTK功能的GPSensor软件，除了也能采用RTK方法之外，采用其自身与RTK或静态后处理不同的算法； 1) 算法相比RTK方法而言，GPSensor的算法具有如下特点：u GPSensor采用采用同时刻（在1微秒之内）的GPS原始观测值进行差分解算；而RTK方法不需要差分改正数和流动站的观测数据保持同步，一般的参考站接收机差分改正数广播更新率为1Hz，因此，一般情况下差分改正数会延迟0.5秒到2秒不等，在特别情况下，流动站能允许1分钟之前的差分改正数参与解算； u GPSensor可以采用扩展的动态非线性Kalman滤波算法进行差分解算。u GPSensor的算法对系统的硬件要求较高，通常在高性能计算机，而RTK的算法总是有GPS接收机生产厂商提供，固化在GPS接收机内部；静态解算需人工干预，一般采用双差固定解得方式。2) 精度GPSensor直接应用GPS接收机的原始数据，参考站和流动站的观测数据保持严格的同步，所以，大气层延迟造成的公共误差被最大程度地抵消，GPSensor还采用滤波方法消除GPS动态定位数据中的各种随机误差，是输出的定位结果更符合真实的情况，所以GPSensor根据采用的GPS接收机和GPS天线的不同，可以保证毫米级的定位精度，而通常的RTK接收机动态定位精度为厘米级。事例一：在一个静止点上，采用双频GPS接收机和普通双频天线进行实时RTK解算，解算结果如下图所示：RTK实时解算结果可见RTK的定位精度平面在2个厘米之内，高程在4个厘米之内。事例二：在一个静止点上，采用双频GPS接收机和普通双频天线，然后采用GPSensor软件对其连续解算24个小时，具体解算结果如下图：GPSensor实时Kalman解算结果相对RTK解算结果其精度有显著的提高。上图中，平面精度在10mm左右，高程精度在15mm左右。如采用高精度双频GPS天线，能更进一步提高其精度。事例三：采用同样的GPS接收机，在一个静止的点上，分20分钟一个时段对其连续观测5个小时的数据，用某进口后处理软件对其进行处理，得到结果如下图所示：平面后处理结果高程后处理结果相对GPSensor实时Kalman解算结果精度有所提高。上图中，平面精度在8mm左右，高程精度在12mm左右。如采用高精度双频GPS天线，能更进一步提高其精度。事例四：采用同样的GPS接收机，在一个静止的点上，分10分钟一个时段对其连续观测5个小时的数据，用华测GPSensor准动态Kalman算法对其进行处理，得到结果如下图所示：Kalman算法平面解算结果Kalman算法高程解算结果相对后处理解算结果精度又有所提高。上图中，平面精度在5mm左右，高程精度在8mm左右。如采用高精度双频GPS天线，能更进一步提高其精度。注：采用GPSensor软件是完全自动解算，而静态后处理需要人工干预。6.4 GPSensor的软件界面介绍正常情况下，GPSensor是在服务器端进行复杂的计算的，用户不需要去浏览这些窗口。但在系统安装阶段或者系统出现故障时，这些窗口提供的信息能帮助我们迅速地解决问题。6.4.1 数据监控窗口通过接收机数据监控窗口可以观察串口和网络来的数据的格式、数据的更新率、数据包的大小等，管理员通过这些信息可以快速地判断系统的通讯是否正常。6.4.2 接收机监控窗口通过每秒更新一次的接收机监控窗口，管理员能知道接收机跟踪的卫星数量、接收机的钟差、卫星的载噪比等接收机的关键信息，以确定接收机的工作状况、信号质量等。6.4.3 监测站变形曲线窗口下面是某悬索桥3/4跨的变形曲线。GPSensor可以精确地反映桥梁的变形情况。6.4.4 基线窗口通过基线窗口，管理员能够快速地知道软件的解算状态。6.4.5 日志GPSensor能够自动记录数天来的系统工作状况，供管理员进行分析处理。6.5 GPSensor的系统结构6.5.1 系统结构典型的GPSensor监测系统由三部分组成：监测单元、数据传输和控制单元、数据处理分析及管理单元。这三部分形成一个有机的整体，监测单元跟踪GPS卫星并实时采集数据，数据通过通讯网络传输至控制中心，控制中心相关的GPSensor软件对数据处理并分析，实时监测桥梁的形变。监测单元一个参考站（R1）和五个监测站(M1,M2,M4)组成。其中参考站根据实际情况，确定其具体位置；五个监测站根据实际情况，确定其具体位置。数据传输采用先进的光纤数据传输方式，一方面提高了系统通讯可靠性，另一方面提高了数据传输速度。控制中心配备一台高性能服务器，用于数据分析和图形处理，以及终端服务。结合GPSensor软件，实时对数据分析和图形处理。6.5.2 GPSensor支持的GPS接收机u Trimble 接收机;u NovAtel/Leica双频GPS接收机；u Javad/Topcon双频GPS接收机；u HuaceNav X60/X20/X300单双频GPS接收机；u Navcom双频GPS接收机。6.6 服务器和操作系统GPSensor的运算量P可以通过下面的公式计算：式中，M为基站的数量，N为监测站的数量，H为更新率，如系统采用了双频GPS接收机，则计算量将翻倍。以某个1个基站和8个监测站的系统为例，服务器采用了如下配置：u 硬件平台：至强服务器 1 CPU，主频3G，2G内存u 软件平台：正版Windows XP这样的配置将占服务器CPU的40%的计算时间，GPSensor要求软件在正常工作时CPU的平均使用率不超过60。6.7 系统通讯网络GPSensor软件支持多种通讯方法，而针对本项目我们采用现在最流行的GPRS无线网路的方式。但通常情况下，GPS接收机由串口输出原始数据，再采用GP