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摘 要：針對常規(guī)GPS應用中成本較高的問題，文中研究了GPS多天線數據采集與控制系統(tǒng)，實現了一機對多點的監(jiān)測。實驗和實際應用表明，該系統(tǒng)對GPS信號的衰減、GPS測量精度幾乎沒有影響。該技術使得GPS監(jiān)測局部區(qū)域人工和自然結構形變（如大壩、建筑等）的監(jiān)測費用大大降低，具有重要的實用價值。
關鍵詞：GPS多天線系統(tǒng)；數據采集與控制；形變監(jiān)測
引 言
我國應用GPS進行變形、崩滑監(jiān)測并實現自動化監(jiān)控管理的已有多個實例。其中湖北清江隔河巖水電站大壩變形監(jiān)測是最為成功的例子之一［1］。正如有關學者［2］指出的，隔河巖水電站自動化監(jiān)測系統(tǒng)缺點之一是投資費用較高，總經費超過了600萬元，除去軟件，由于每個變形測點需配備GPS接收機，單點費用也在20萬元以上。GPS儀器費用太高，大大制約了GPS在變形監(jiān)測、預防、減少地質災害方面的應用。
自1999年開始，南京航空航天大學、香港理工大學聯合導航研究中心，開始對如何降低GPS使用成本展開研究，設計出了國家專利（專利號：ZL00219891．6）成果——GPS多天線技術，即一個GPS接收機接多個天線，不同的天線在不同的時間內與接收機相連。這樣，一個接收機可以對多個監(jiān)測點進行監(jiān)測［3］。圖1是GPS多天線示意圖，價格昂貴的GPS接收機陣列，變成了GPS天線陣列，價格成倍降低�，F在一個接收機可以連4～16個天線。
利用多天線技術，可以對可能發(fā)生滑坡、崩塌、泥石流等地質災害區(qū)域進行不間斷的連續(xù)的監(jiān)控。
整個監(jiān)控系統(tǒng)包括監(jiān)控中心、數據通訊、遠程GPS數據采集三個部分。GPS數據采集包括設置在變形區(qū)域內的多天線數據采集以及參考站數據采集，前者對變形監(jiān)測區(qū)域內的多個監(jiān)測點進行監(jiān)測，后者要求設置在變形區(qū)域外的穩(wěn)定點上。所計算的所有變形監(jiān)測點的坐標都是相對于該參考站的。監(jiān)控中心主要完成對遠程GPS數據采集的控制，并根據遠程GPS數據進行GPS基線解算、變形分析和報警。
監(jiān)控中心的數據處理軟件［4］以及數據通訊的實現，本文不作討論，文中只對基于嵌入式計算機的遠程GPS多天線數據采集與控制系統(tǒng)進行介紹，同時分析了GMS對GPS帶來的影響。
1 GPS多天線數據采集與控制系統(tǒng)
1．1 硬件結構
GPS多天線數據采集控制系統(tǒng)，是基于PC／104嵌入式計算機控制系統(tǒng)，硬件結構如圖2所示，主要包括以下幾個方面：
�。�1）SCM／SPTPC／104 CPU模塊 這是一款真正的“all－in－one”CPU模塊，CPU是一片586的64位處理器，最高運行速度可達300 MHz，在板內存支持可達128 M，圖形處理器可支持多種LCD及TFT顯示屏。支持PS／2鍵盤、PS／2鼠標、EIDE接口、Floppy接口、兩個串口一個并口以及兩個USB接口。
�。�2）微波開關控制板 這是一塊自制的符合PC／104總線結構的多天線開關控制板，通過總線與CPU相連。
�。�3）多天線開關 這是一個自行研制的微波開關，其控制原理框圖見圖3。當某一控制信號有效時（－5V），相應GPS天線的高頻微波信號并傳輸到GPS接收機，而其他天線的高頻信號被隔離。根據開關控制板的控制信號，完成天線信號的切換。開關控制器要解決的關鍵技術是各通道GPS天線信號間的高隔離度問題。
�。�4）GPS接收機 選用的是Ashtech的G12OEM板，這是一款12通道單星單頻接收機，性能價格比較高。GPS接收機通過串行口與CPU板相連。
�。�5）MODEM調制解調器 選用WAVECOM公司生產的WMOD2雙頻（900／1800）GPRSmo－dem。
1．2 界面設計
系統(tǒng)進行數據采集運行時，各通道參數除了可以由監(jiān)控中心通過GPRS或普通電話線等進行控制、設置外，也可以由現場計算機直接進行設置�？梢詫Ω魍ǖ溃ㄊ欠襁x通、各通道切換時間）、GPS（采樣間隔、高度角）以及數據傳輸時間等參數進行設置，另外也可對通訊口、系統(tǒng)運行方式等進行選擇。參數設置完成后，系統(tǒng)運行界面如圖4所示。由圖4可以看出，當前共選通了CH1，CH2，CH3，CH5這四個通道，每個通道的工作時間是900 s，當前GPS信號來自于CH1所對應的天線，同時顯示了各衛(wèi)星的狀態(tài)（衛(wèi)星號、方位角、高度角、信噪比）以及衛(wèi)星數、PDOP值等。
實際應用中，可根據所監(jiān)測點的位移變化情況、監(jiān)測點的重要性等動態(tài)地設定各監(jiān)測點的工作時間。對于那些重要的監(jiān)測點，監(jiān)測時間可以長一些。
2 系統(tǒng)對GPS信號的影響
根據國際無線電咨詢委員會和國際電信聯盟的規(guī)定，所有空間上的衛(wèi)星信號在到達地面時產生的最大通量密度不得超過－154dBW［5］。為此，GPS信號的強度為：
L1波段，對C／A碼為－155dBW，對P碼為－158dBW；L2波段，對P碼為－158dBW。
由于各種遮擋以及其它無線電頻率源的干擾，使得GPS視在場強減小，噪聲增加，從而降低了信噪比。嚴重時，即使性能優(yōu)良的接收機也無法工作。低信噪比往往會引起接收機失鎖和發(fā)生周跳，導致數據無法使用，而較為普遍的是造成測量精度的降低。所以對于GPS而言，信噪比是一個很重要的參數。
2．1 GMS對GPS信噪比的影響
2002年4月15日在香港理工大學樓頂上進行了實驗，無遮擋物，視野開闊，能較好地接收GPS衛(wèi)星信號。實驗用兩臺Ashtech GG24進行。兩個天線放在非常接近的地方，其中一個天線通過GMS系統(tǒng)后接到一臺GG24接收機上，另一個天線直接接到另一臺GG24接收機上。天線所在位置為：經度114°10′46″，緯度22°18′10″。實驗時每隔5min保存一組數據。
如果用經過GMS后的GPS信噪比減去不經過GMS的GPS信噪比，則可以更加明顯地看出GMS對GPS信噪比的影響。
由表2可以看出，相對于天線、接收機直接相連時的GPS信噪比而言，經過GMS后的GPS信噪比普遍降低了，最大降低了5。統(tǒng)計發(fā)現，在這段時間內信噪比平均降低了1．24。
為了排除GPS接收機、天線以及天線饋線帶來的影響，將兩臺設備的接收機、天線以及饋線進行交換后再次試驗，經過分析發(fā)現，GMS控制系統(tǒng)使得GPS信噪比平均降低了1．28，最大降低5。
在不同時間段和不同地點，進行了多次試驗后發(fā)現，GMS控制系統(tǒng)使得GPS信噪比平均降低1～2，最大降低不大于6。
2．2 基線解實例分析
為了研究GMS系統(tǒng)引起的GPS信噪比降低對測量精度帶來的影響，作者進行了多次試驗。實驗時將一個GPS天線相對于固定點上的GPS天線進行移動，通過解算可以得到該監(jiān)測點沿北向、東向相對于固定點的位移變化，圖5是一次實驗時的位移曲線圖，與實際移動軌跡相符，可見GMS系統(tǒng)對GPS的基線解算幾乎沒有影響。更進一步，進行殘差分析后發(fā)現，殘差圖在量級上和不經過GMS系統(tǒng)時是一樣的。
3 結束語
可以發(fā)現，所研究的GMS多天線數據采集控制系統(tǒng)，信噪比平均降低了1～2，但對GPS測量精度幾乎沒有影響。GPS測量精度完全取決于所使用的GPS接收機以及天線情況。
再以清江隔河巖水電站為例，如果采用一臺6天線的GMS多天線系統(tǒng)，也即一臺GPS接收機外接5個天線即可滿足原方案中對5個壩頂測點的監(jiān)測。如果考慮到距離問題，對一些距離較遠的點可以加上天線放大器進行信號放大。這樣，GPS方面的投資最多也就是70萬元，僅此一項就將GPS成本降低了50％。由此可見，GPS多天線技術的研究和應用具有重要的實用價值和現實意義。文中所述的方法已成功應用在香港某山體滑波監(jiān)測系統(tǒng)中，該系統(tǒng)已連續(xù)運行了四個多月，運行效果良好。
參考文獻
［1］ 徐紹銓．隔河巖大壩GPS自動化監(jiān)測系統(tǒng)［J］．鐵路航測，2001，4：42～44
［2］ 方衛(wèi)華，王潤英．大壩變形監(jiān)測自動化系統(tǒng)進展［J］．水利水電科技進展，2000，20（6）：23～25
［3］ Ding XL，Chen Y Q，Huang D F，etal．Slope mo－nitoring using GPS－a multi－antenna approach［J］．GPSW orld，2000，11（3）：52～55
［4］ 黃丁發(fā)，丁曉莉，陳永奇．多天線GPS軟件系統(tǒng)［J］．測繪通報，2000，11：1～3
［5］ 王廣運，郭秉義，李洪濤編著．差分GPS定位技術與應用［M］．北京：電子工業(yè)出版社，1996．24～32
摘自 北極星電技術網
