banner.jpg)
相關(guān)專題：
摘 要：針對常規(guī)GPS應(yīng)用中成本較高的問題，文中研究了GPS多天線數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了一機(jī)對多點(diǎn)的監(jiān)測。實(shí)驗(yàn)和實(shí)際應(yīng)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(shù)使得GPS監(jiān)測局部區(qū)域人工和自然結(jié)構(gòu)形變（如大壩、建筑等）的監(jiān)測費(fèi)用大大降低，具有重要的實(shí)用價(jià)值。
關(guān)鍵詞：GPS多天線系統(tǒng)；數(shù)據(jù)采集與控制；形變監(jiān)測
引 言
我國應(yīng)用GPS進(jìn)行變形、崩滑監(jiān)測并實(shí)現(xiàn)自動化監(jiān)控管理的已有多個實(shí)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(guān)學(xué)者［2］指出的，隔河巖水電站自動化監(jiān)測系統(tǒng)缺點(diǎn)之一是投資費(fèi)用較高，總經(jīng)費(fèi)超過了600萬元，除去軟件，由于每個變形測點(diǎn)需配備GPS接收機(jī)，單點(diǎn)費(fèi)用也在20萬元以上。GPS儀器費(fèi)用太高，大大制約了GPS在變形監(jiān)測、預(yù)防、減少地質(zhì)災(zāi)害方面的應(yīng)用。
自1999年開始，南京航空航天大學(xué)、香港理工大學(xué)聯(lián)合導(dǎo)航研究中心，開始對如何降低GPS使用成本展開研究，設(shè)計(jì)出了國家專利（專利號：ZL00219891．6）成果——GPS多天線技術(shù)，即一個GPS接收機(jī)接多個天線，不同的天線在不同的時間內(nèi)與接收機(jī)相連。這樣，一個接收機(jī)可以對多個監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測［3］。圖1是GPS多天線示意圖，價(jià)格昂貴的GPS接收機(jī)陣列，變成了GPS天線陣列，價(jià)格成倍降低�，F(xiàn)在一個接收機(jī)可以連4～16個天線。
利用多天線技術(shù)，可以對可能發(fā)生滑坡、崩塌、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害區(qū)域進(jìn)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(shù)據(jù)通訊、遠(yuǎn)程GPS數(shù)據(jù)采集三個部分。GPS數(shù)據(jù)采集包括設(shè)置在變形區(qū)域內(nèi)的多天線數(shù)據(jù)采集以及參考站數(shù)據(jù)采集，前者對變形監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的多個監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測，后者要求設(shè)置在變形區(qū)域外的穩(wěn)定點(diǎn)上。所計(jì)算的所有變形監(jiān)測點(diǎn)的坐標(biāo)都是相對于該參考站的。監(jiān)控中心主要完成對遠(yuǎn)程GPS數(shù)據(jù)采集的控制，并根據(jù)遠(yuǎn)程GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行GPS基線解算、變形分析和報(bào)警。
監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)處理軟件［4］以及數(shù)據(jù)通訊的實(shí)現(xiàn)，本文不作討論，文中只對基于嵌入式計(jì)算機(jī)的遠(yuǎn)程GPS多天線數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)進(jìn)行介紹，同時分析了GMS對GPS帶來的影響。
1 GPS多天線數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)
1．1 硬件結(jié)構(gòu)
GPS多天線數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)，是基于PC／104嵌入式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，硬件結(jié)構(gòu)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(yùn)行速度可達(dá)300 MHz，在板內(nèi)存支持可達(dá)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(biāo)、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(guān)控制板 這是一塊自制的符合PC／104總線結(jié)構(gòu)的多天線開關(guān)控制板，通過總線與CPU相連。
（3）多天線開關(guān) 這是一個自行研制的微波開關(guān)，其控制原理框圖見圖3。當(dāng)某一控制信號有效時（－5V），相應(yīng)GPS天線的高頻微波信號并傳輸?shù)紾PS接收機(jī)，而其他天線的高頻信號被隔離。根據(jù)開關(guān)控制板的控制信號，完成天線信號的切換。開關(guān)控制器要解決的關(guān)鍵技術(shù)是各通道GPS天線信號間的高隔離度問題。
�。�4）GPS接收機(jī) 選用的是Ashtech的G12OEM板，這是一款12通道單星單頻接收機(jī)，性能價(jià)格比較高。GPS接收機(jī)通過串行口與CPU板相連。
�。�5）MODEM調(diào)制解調(diào)器 選用WAVECOM公司生產(chǎn)的WMOD2雙頻（900／1800）GPRSmo－dem。
1．2 界面設(shè)計(jì)
系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集運(yùn)行時，各通道參數(shù)除了可以由監(jiān)控中心通過GPRS或普通電話線等進(jìn)行控制、設(shè)置外，也可以由現(xiàn)場計(jì)算機(jī)直接進(jìn)行設(shè)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(shù)據(jù)傳輸時間等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，另外也可對通訊口、系統(tǒng)運(yùn)行方式等進(jìn)行選擇。參數(shù)設(shè)置完成后，系統(tǒng)運(yùn)行界面如圖4所示。由圖4可以看出，當(dāng)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(dāng)前GPS信號來自于CH1所對應(yīng)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(shù)、PDOP值等。
實(shí)際應(yīng)用中，可根據(jù)所監(jiān)測點(diǎn)的位移變化情況、監(jiān)測點(diǎn)的重要性等動態(tài)地設(shè)定各監(jiān)測點(diǎn)的工作時間。對于那些重要的監(jiān)測點(diǎn)，監(jiān)測時間可以長一些。
2 系統(tǒng)對GPS信號的影響
根據(jù)國際無線電咨詢委員會和國際電信聯(lián)盟的規(guī)定，所有空間上的衛(wèi)星信號在到達(dá)地面時產(chǎn)生的最大通量密度不得超過－154dBW［5］。為此，GPS信號的強(qiáng)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(qiáng)減小，噪聲增加，從而降低了信噪比。嚴(yán)重時，即使性能優(yōu)良的接收機(jī)也無法工作。低信噪比往往會引起接收機(jī)失鎖和發(fā)生周跳，導(dǎo)致數(shù)據(jù)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(shù)。
2．1 GMS對GPS信噪比的影響
2002年4月15日在香港理工大學(xué)樓頂上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，無遮擋物，視野開闊，能較好地接收GPS衛(wèi)星信號。實(shí)驗(yàn)用兩臺Ashtech GG24進(jìn)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(jī)上，另一個天線直接接到另一臺GG24接收機(jī)上。天線所在位置為：經(jīng)度114°10′46″，緯度22°18′10″。實(shí)驗(yàn)時每隔5min保存一組數(shù)據(jù)。
如果用經(jīng)過GMS后的GPS信噪比減去不經(jīng)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(jī)直接相連時的GPS信噪比而言，經(jīng)過GMS后的GPS信噪比普遍降低了，最大降低了5。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，在這段時間內(nèi)信噪比平均降低了1．24。
為了排除GPS接收機(jī)、天線以及天線饋線帶來的影響，將兩臺設(shè)備的接收機(jī)、天線以及饋線進(jìn)行交換后再次試驗(yàn)，經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，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(diǎn)，進(jìn)行了多次試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，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(shí)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(jìn)行了多次試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)時將一個GPS天線相對于固定點(diǎn)上的GPS天線進(jìn)行移動，通過解算可以得到該監(jiān)測點(diǎn)沿北向、東向相對于固定點(diǎn)的位移變化，圖5是一次實(shí)驗(yàn)時的位移曲線圖，與實(shí)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(jìn)一步，進(jìn)行殘差分析后發(fā)現(xiàn)，殘差圖在量級上和不經(jīng)過GMS系統(tǒng)時是一樣的。
3 結(jié)束語
可以發(fā)現(xiàn)，所研究的GMS多天線數(shù)據(jù)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(jī)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(jī)外接5個天線即可滿足原方案中對5個壩頂測點(diǎn)的監(jiān)測。如果考慮到距離問題，對一些距離較遠(yuǎn)的點(diǎn)可以加上天線放大器進(jìn)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(xiàng)就將GPS成本降低了50％。由此可見，GPS多天線技術(shù)的研究和應(yīng)用具有重要的實(shí)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。文中所述的方法已成功應(yīng)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(yùn)行了四個多月，運(yùn)行效果良好。
參考文獻(xiàn)
［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(jìn)展［J］．水利水電科技進(jìn)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(bào)，2000，11：1～3
［5］ 王廣運(yùn)，郭秉義，李洪濤編著．差分GPS定位技術(shù)與應(yīng)用［M］．北京：電子工業(yè)出版社，1996．24～32
摘自 北極星電技術(shù)網(wǎng)
