1. 監(jiān)測(cè)指標(biāo)

壩體表面變形包括水平位移和垂直位移，水平位移精度要求滿(mǎn)足±3mm，垂直位移精度要求滿(mǎn)足±5mm。

接收機(jī)主要工作模式為靜態(tài)觀測(cè)模式，即以時(shí)段解的形式提供變形監(jiān)測(cè)成果，應(yīng)用于日常大壩定期變形觀測(cè)應(yīng)用場(chǎng)景；接收機(jī)次要工作模式為快速靜態(tài)，當(dāng)庫(kù)區(qū)出現(xiàn)水位快速上漲等情況，需加密監(jiān)測(cè)頻次進(jìn)行全天候24小時(shí)監(jiān)測(cè)，接收機(jī)可切換成快速靜態(tài)的形式，提供緊急狀態(tài)下的高頻次動(dòng)態(tài)觀測(cè)值。表面位移點(diǎn)均可以和當(dāng)?shù)氐淖鴺?biāo)系進(jìn)行聯(lián)測(cè)，所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)均可轉(zhuǎn)換為當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)。

（廣州創(chuàng)科工程質(zhì)量檢測(cè)）

2.技術(shù)原理

2.1.基本原理

在GNSS定位中，把高速運(yùn)動(dòng)的衛(wèi)星作為已知位置的空間點(diǎn)，其位置可由衛(wèi)星星歷查詢(xún)得知，用戶(hù)通過(guò)專(zhuān)用GNSS接收機(jī)捕獲衛(wèi)星信號(hào)并跟蹤，從而計(jì)算出衛(wèi)星與用戶(hù)的距離，然后利用空間距離后方交會(huì)的方法確定接收機(jī)的位置，理論上，已知三顆衛(wèi)星S1、S2、S3的空間位置以及GNSS接收機(jī)到衛(wèi)星S1、S2、S3的距離d1、d2、d3，即可推算GNSS接收機(jī)于以S1、S2、S3為球心，距離d1、d2、d3為半徑的圓球交會(huì)點(diǎn)上，實(shí)現(xiàn)定位。

實(shí)際上，距離長(zhǎng)度的測(cè)量是通過(guò)測(cè)量電磁波從衛(wèi)星傳輸?shù)紾NSS接收機(jī)的傳播時(shí)間間接獲得的。衛(wèi)星采用的是原子鐘，而GNSS接收機(jī)采用的是石英鐘，兩者穩(wěn)定性存在較大差異，導(dǎo)致GNSS衛(wèi)星時(shí)鐘與接收機(jī)時(shí)鐘難以做到嚴(yán)格同步，因此GPS 標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間與接收機(jī)時(shí)間之間的偏差是未知的。在定位過(guò)程中需額外引入一個(gè)鐘差變量，因此GNSS定位必須通過(guò)觀測(cè)至少4顆衛(wèi)星才能得出用戶(hù)位置。GNSS定位原理如下圖所示。

GNSS技術(shù)利用測(cè)距碼和載波實(shí)現(xiàn)測(cè)距，對(duì)應(yīng)觀測(cè)值為偽距觀測(cè)值和載波相位觀測(cè)值。偽距觀測(cè)值由衛(wèi)星信號(hào)的接收時(shí)間與發(fā)射時(shí)間之間的差值與光速相乘而得。稱(chēng)之為“偽距”，是因?yàn)槭苄l(wèi)星時(shí)鐘、接收機(jī)時(shí)鐘鐘差影響，以及信號(hào)經(jīng)過(guò)電離層、對(duì)流層會(huì)發(fā)生延遲，使得測(cè)得的衛(wèi)星與用戶(hù)的距離并非它們之間真正的幾何距離。

2.2.相對(duì)定位

GNSS測(cè)量不可避免地還會(huì)受到觀測(cè)誤差地影響，從而影響定位精度。

在大壩表面變形監(jiān)測(cè)應(yīng)用中，一般采用載波相位相對(duì)定位的原理，通過(guò)誤差消除手段，實(shí)現(xiàn)毫米級(jí)的定位。這種監(jiān)測(cè)方法是將兩臺(tái)GNSS接收機(jī)分別安置在待測(cè)基線(xiàn)兩端，分別作為基準(zhǔn)站和監(jiān)測(cè)站同步觀測(cè)相同的衛(wèi)星，通過(guò)兩站點(diǎn)同步觀測(cè)采集GNSS衛(wèi)星原始觀測(cè)數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理以確定基線(xiàn)兩端點(diǎn)的相對(duì)位置或三位空間向量。

在相對(duì)定位中，兩個(gè)或多個(gè)觀測(cè)站同步觀測(cè)同組衛(wèi)星的情況下，衛(wèi)星的軌道誤差、衛(wèi)星鐘差、接收機(jī)鐘差、電離層延遲、對(duì)流層延遲等誤差，對(duì)觀測(cè)量的影響具有一定的相關(guān)性，利用這些相關(guān)性，將觀測(cè)量進(jìn)行不同的線(xiàn)性組合，按照測(cè)站、衛(wèi)星、歷元三種要素進(jìn)行差分處理，可以大大削弱有關(guān)誤差的影響，從而將相對(duì)定位精度提高到毫米級(jí)。

在大壩變形監(jiān)測(cè)中，基準(zhǔn)站和監(jiān)測(cè)站的距離一般不超過(guò)1km，通過(guò)差分手段能消除絕大部分觀測(cè)誤差。影響大壩變形監(jiān)測(cè)觀測(cè)精度的主要誤差源為：接收機(jī)內(nèi)部噪聲、接收機(jī)天線(xiàn)相位中心誤差、多路徑效應(yīng)和殘余的電離層延遲、對(duì)流層延遲。通過(guò)采用數(shù)據(jù)處理方法，能消除誤差影響，獲取高精度變形監(jiān)測(cè)成果。

3.方案架構(gòu)

GNSS自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)大壩的水平和豎直位移毫米級(jí)精度的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，采用市面上專(zhuān)門(mén)針對(duì)水庫(kù)大壩安全監(jiān)測(cè)研制的的GNSS監(jiān)測(cè)設(shè)備搭建水利設(shè)施監(jiān)測(cè)專(zhuān)用的GNSS自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可有效解決水利設(shè)施表面位移監(jiān)測(cè)成本高、周期長(zhǎng)、難以普及等問(wèn)題。GNSS自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括輔助層、感知層、傳輸層、數(shù)據(jù)層和應(yīng)用層幾個(gè)方面的內(nèi)容，具體系統(tǒng)架構(gòu)圖如下所示：

1、輔助層：包括太陽(yáng)能供電系統(tǒng)、市電供電系統(tǒng)、風(fēng)電供電系統(tǒng)以及風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)等幾種穩(wěn)定的電力輔助支撐設(shè)施，主要為GNSS接收機(jī)提供電力供應(yīng)。

2、感知層：感知層主要包括GNSS基準(zhǔn)站和監(jiān)測(cè)站，由GNSS接收機(jī)、GNSS天線(xiàn)、觀測(cè)墩、避雷設(shè)施等組成，GNSS基準(zhǔn)站主要提供變形基準(zhǔn)，安裝在穩(wěn)固的基巖上，監(jiān)測(cè)站主要用來(lái)監(jiān)測(cè)壩體的形變，部署在壩體上，GNSS監(jiān)測(cè)站與基準(zhǔn)站可通過(guò)向后臺(tái)傳輸原始數(shù)據(jù)進(jìn)行后端解算得到變形結(jié)果，也可由監(jiān)測(cè)站直接通過(guò)LoRa/WIFI無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)或光纖/RS485有線(xiàn)組網(wǎng)調(diào)用基準(zhǔn)站觀測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)本機(jī)前端解算獲得變形結(jié)果。

3、傳輸層：根據(jù)水庫(kù)大壩監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)情況，可以選擇4G、5G、LoRa組網(wǎng)、WIFI組網(wǎng)、光纖、北斗短報(bào)文、衛(wèi)星通信等方式進(jìn)行北斗監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的傳輸，其中4G、5G、光纖、衛(wèi)星通信可用于將GNSS原始數(shù)據(jù)傳輸至后臺(tái)進(jìn)行后端解算，LoRa、WIFI組網(wǎng)、光纖、RS485可用于構(gòu)建前端解算的局域網(wǎng)絡(luò)。

4、數(shù)據(jù)層：主要由工作站、計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)及相關(guān)的服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)、防火墻、數(shù)據(jù)通信設(shè)備及運(yùn)行在服務(wù)器的GNSS監(jiān)測(cè)解算軟件、設(shè)備遠(yuǎn)程管控平臺(tái)等組成。對(duì)前端GNSS接收機(jī)回傳的設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)、前端解算回傳的解算結(jié)果進(jìn)行處理解析、入庫(kù)、存儲(chǔ)，對(duì)GNSS原始數(shù)據(jù)進(jìn)行后臺(tái)解算處理等操作，可供運(yùn)維人員提供設(shè)備的遠(yuǎn)程運(yùn)維管理，是整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心，承載著承前啟后的作用。

5、應(yīng)用層：采用專(zhuān)用的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)/APP進(jìn)行設(shè)備運(yùn)行監(jiān)控、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)管理、監(jiān)測(cè)狀況可視化呈現(xiàn)、監(jiān)測(cè)預(yù)警告警、多參數(shù)安全模型分析等、監(jiān)測(cè)月度/季度/年度報(bào)告導(dǎo)出等，同時(shí)利用短信、微信預(yù)警信息推動(dòng)、現(xiàn)場(chǎng)聲光報(bào)警來(lái)實(shí)現(xiàn)水庫(kù)大壩安全的預(yù)警預(yù)報(bào)。

4.網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/h1>

4.1.無(wú)線(xiàn)局域組網(wǎng)＋本機(jī)前端解算

現(xiàn)場(chǎng)采用無(wú)線(xiàn)AP網(wǎng)絡(luò)覆蓋方式進(jìn)行無(wú)線(xiàn)LoRa/WIFI局域組網(wǎng)，區(qū)域范圍內(nèi)所有的北斗/GNSS監(jiān)測(cè)站和基準(zhǔn)站以客戶(hù)端的方式接入無(wú)線(xiàn)AP/LoRa網(wǎng)關(guān)形成局域網(wǎng)。

1）GNSS數(shù)據(jù)解算流程

監(jiān)測(cè)站每完成一個(gè)時(shí)段的觀測(cè)后立即通過(guò)局域網(wǎng)向基準(zhǔn)站申請(qǐng)調(diào)用基準(zhǔn)站同時(shí)段原始觀測(cè)數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)站完成接收基準(zhǔn)站的同時(shí)段原始觀測(cè)數(shù)據(jù)后，利用嵌入式本機(jī)前端靜態(tài)解算引擎進(jìn)行基線(xiàn)解算和不同時(shí)刻壩體坐標(biāo)數(shù)據(jù)的對(duì)比，測(cè)得壩體的水平位移和垂直位移。適用于壩軸線(xiàn)較短且布點(diǎn)比較集中的情況（如<200m）。

2）GNSS解算結(jié)果傳輸流程

現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)局域組網(wǎng)和前端解算獲得的水平和垂直變形數(shù)據(jù)由監(jiān)測(cè)站自動(dòng)匯集到無(wú)線(xiàn)AP，由無(wú)線(xiàn)AP統(tǒng)一通過(guò)通信線(xiàn)纜傳送至RTU。由RTU通過(guò)移動(dòng)公網(wǎng)、衛(wèi)星信道（北斗短報(bào)文）、有線(xiàn)通信等通信方式傳送至數(shù)據(jù)中心（小型水庫(kù)監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)）。

3）其他傳感器兼容接入

現(xiàn)場(chǎng)的水位、雨量、圖像、滲壓計(jì)、量水堰計(jì)等傳感器，可就近通過(guò)RS485、LORa等通訊方式將數(shù)據(jù)匯聚到GNSS接收機(jī)后通過(guò)WIFI局域網(wǎng)統(tǒng)一匯聚到RTU，由RTU通過(guò)移動(dòng)公網(wǎng)、衛(wèi)星信道（北斗短報(bào)文）、有線(xiàn)通信等通信方式，實(shí)時(shí)傳輸?shù)叫⌒退畮?kù)監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)。

4.2.移動(dòng)公網(wǎng)通訊＋本機(jī)前端解算

區(qū)域范圍內(nèi)所有的北斗/GNSS監(jiān)測(cè)站和基準(zhǔn)站通過(guò)移動(dòng)公網(wǎng)接入數(shù)據(jù)中心。

4）GNSS數(shù)據(jù)解算流程

基準(zhǔn)站每完成一個(gè)時(shí)段的觀測(cè)后立即通過(guò)移動(dòng)公網(wǎng)將原始觀測(cè)數(shù)據(jù)傳送至數(shù)據(jù)中心，監(jiān)測(cè)站隨后通過(guò)移動(dòng)公網(wǎng)向數(shù)據(jù)中心（服務(wù)器）申請(qǐng)調(diào)用基準(zhǔn)站回傳的同時(shí)段原始觀測(cè)數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)站完成接收基準(zhǔn)站的同步原始觀測(cè)數(shù)據(jù)后，利用嵌入式本機(jī)前端靜態(tài)解算引擎進(jìn)行基線(xiàn)解算和不同時(shí)刻壩體坐標(biāo)數(shù)據(jù)的對(duì)比，測(cè)得壩體的水平位移和垂直位移，適用于具備移動(dòng)公網(wǎng)覆蓋的水庫(kù)大壩。

5）GNSS解算結(jié)果傳輸流程

通過(guò)監(jiān)測(cè)站前端解算獲得的水平和垂直變形數(shù)據(jù)由監(jiān)測(cè)站通過(guò)RS485線(xiàn)纜或LoRa通訊終端自動(dòng)匯集到RTU，由RTU通過(guò)移動(dòng)公網(wǎng)、衛(wèi)星信道（北斗短報(bào)文）、有線(xiàn)通信等通信方式傳送至數(shù)據(jù)中心（小型水庫(kù)監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)）。

6）其他傳感器兼容接入

現(xiàn)場(chǎng)的水位、雨量、圖像、滲壓計(jì)、量水堰計(jì)等傳感器，可就近通過(guò)RS485、LORa等通訊方式將數(shù)據(jù)匯聚到GNSS接收機(jī)后統(tǒng)一匯聚到RTU，由RTU通過(guò)移動(dòng)公網(wǎng)、衛(wèi)星信道（北斗短報(bào)文）、有線(xiàn)通信等通信方式，實(shí)時(shí)傳輸?shù)叫⌒退畮?kù)監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)。

5.站點(diǎn)布設(shè)

5.1.點(diǎn)位布設(shè)

監(jiān)測(cè)斷面及監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布設(shè)參考《土石壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》（SL 551）、《混凝土壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》（SL 601）及《小型水庫(kù)雨水情測(cè)報(bào)和大壩安全監(jiān)測(cè)設(shè)施建設(shè)與運(yùn)行管理辦法》的要求。土石壩以表面垂直位移監(jiān)測(cè)為主，且宜在壩頂下游側(cè)設(shè)置一個(gè)變形監(jiān)測(cè)縱斷面。必要時(shí)，土石壩可增設(shè)1個(gè)監(jiān)測(cè)橫斷面，有條件的水庫(kù)可結(jié)合規(guī)范要求多布設(shè)幾個(gè)斷面；選擇基礎(chǔ)穩(wěn)固的壩端或近壩便于觀測(cè)區(qū)域設(shè)置必要的工作基準(zhǔn)站和校核基點(diǎn)。

在壩頂下游側(cè)設(shè)置一個(gè)變形監(jiān)測(cè)縱斷面，每個(gè)縱斷面按20~50米的距離（壩軸線(xiàn)<300m的壩體）布置1套北斗/GNSS監(jiān)測(cè)站，以監(jiān)測(cè)壩體的水平和垂直位移。

在基礎(chǔ)穩(wěn)固的壩端或近壩等便于觀測(cè)區(qū)域設(shè)置1-2個(gè)北斗/GNSS基準(zhǔn)站，以提供變形監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)。

北斗、雨量計(jì)、水位計(jì)、滲壓計(jì)、量水堰計(jì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布點(diǎn)圖如圖3-1所示。

5.2.站點(diǎn)選址

（1）GNSS監(jiān)測(cè)站應(yīng)布設(shè)在大壩變形量較大、穩(wěn)定性狀態(tài)差處;基準(zhǔn)站應(yīng)布設(shè)在壩肩和壩下游地基穩(wěn)定處;GNSS監(jiān)測(cè)站應(yīng)保證搜星條件良好，測(cè)點(diǎn)位置空曠，在±15°高度截止角上空不能有成片障礙物，以便接收衛(wèi)星信號(hào)。周?chē)鸁o(wú)高壓線(xiàn)、變電站等電磁干擾源。

（2）監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)應(yīng)避開(kāi)以下位置：

a）地勢(shì)低洼，易于積水淹沒(méi)之處。

b）埋設(shè)有地下管線(xiàn)處。

C）位置隱蔽，信號(hào)不佳處。

（廣州創(chuàng)科工程質(zhì)量檢測(cè)）