1、概述

中國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BeiDou Navigation Satellite System，BDS）是中國(guó)自行研制的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。是繼美國(guó)全球定位系統(tǒng)（GPS）、俄羅斯格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GLONASS）之后第三個(gè)成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。

作為一種空間數(shù)據(jù)獲取方法，衛(wèi)星定位是現(xiàn)代測(cè)繪學(xué)科的代表技術(shù)之一。以GPS為代表的GNSS測(cè)量技術(shù)出現(xiàn)后，隨即在變形監(jiān)測(cè)領(lǐng)域得到了嘗試和應(yīng)用。

隨著GNSS自動(dòng)化形變監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展，以及GNSS系統(tǒng)精度進(jìn)一步提高。GNSS系統(tǒng)開始逐步從平面監(jiān)測(cè)向高程監(jiān)測(cè)方向發(fā)展。同時(shí)，北斗作為我國(guó)自主研發(fā)、自主建設(shè)、獨(dú)立運(yùn)營(yíng)的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，在變形監(jiān)測(cè)領(lǐng)域也發(fā)揮了重要作用。

橋梁、大壩、滑坡等工程災(zāi)害雖然不像地震、洪水、海嘯那樣一發(fā)生就造成巨大人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，但地震、洪水、海嘯一般都是十幾年，乃至幾十年一遇，而工程災(zāi)害發(fā)生非常頻繁，幾乎每周一遇。從這個(gè)意義上講，工程災(zāi)害的危害比地震災(zāi)害、洪水、海嘯災(zāi)害等有過之而無不及。近年來，國(guó)內(nèi)外水庫(kù)大壩潰壩現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，水庫(kù)大壩的安全尤為重要，及時(shí)對(duì)大壩的變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如果壩體變形超過舍得安全允許時(shí)，及時(shí)報(bào)警，在大壩安全性保障方面顯得十分重要。尤其在汛期和抵抗大的洪水的時(shí)候，將起到直接決定泄洪與否的決定性作用。因此為了準(zhǔn)確預(yù)報(bào)工程災(zāi)害，到達(dá)減災(zāi)防災(zāi)的目的，必須對(duì)有可能帶來災(zāi)害工程進(jìn)行監(jiān)測(cè)和預(yù)警。一般的方法是利用外觀資料和引起外觀位移的因變量等各種資料，進(jìn)行綜合分析，及時(shí)掌握其運(yùn)營(yíng)狀態(tài)及變化趨勢(shì)，在災(zāi)害未發(fā)生之前進(jìn)行預(yù)警并采取相應(yīng)的對(duì)策，從而保證建筑物的運(yùn)行安全和保障人民的財(cái)產(chǎn)不受損失。

災(zāi)害監(jiān)測(cè)的危害性和實(shí)時(shí)性，決定了需要一套在辦公室就能自動(dòng)獲取各種變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的系統(tǒng)。那么這樣的系統(tǒng)對(duì)儀器或監(jiān)測(cè)技術(shù)提出更高要求，主要概括下面三點(diǎn)：自動(dòng)化程度高，在天氣惡劣條件下也能監(jiān)測(cè)；實(shí)時(shí)獲取變形，盡量在數(shù)據(jù)觀測(cè)完后，就能夠得到變形量；價(jià)格適宜，如果太高，不便于推廣應(yīng)用。

基于上述需求，同時(shí)，北斗變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)在成本、精度和實(shí)時(shí)性等方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的變形監(jiān)測(cè)方法。因此，理論上基于北斗的水庫(kù)表面變形北斗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可完全滿足需求。本系統(tǒng)采用我國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）和美國(guó)全球定位系統(tǒng)（GPS）雙系統(tǒng)聯(lián)合解算，具有定位速度快、全天候、自動(dòng)化、測(cè)站之間無需通視、可同時(shí)測(cè)定點(diǎn)的三位坐標(biāo)及精度高等特點(diǎn)。通過精密解算獲得的水平位移和垂直位移量可達(dá)到毫米級(jí)乃至亞毫米級(jí)的精度，可對(duì)水庫(kù)大壩較大變形進(jìn)行預(yù)警，為大壩的穩(wěn)定性、安全性和防洪決策提供了科學(xué)依據(jù)。

2、技術(shù)方案和路線

2.1、設(shè)計(jì)原則

本系統(tǒng)應(yīng)用北斗、GPS 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)大壩變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)并作精密解算，從而使水平位移和垂直位移量達(dá)到毫米級(jí)乃至亞毫米級(jí)精度。系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)、關(guān)鍵部件研發(fā)、軟件設(shè)計(jì)和系統(tǒng)整體測(cè)試方案均以此目標(biāo)為核心，并綜合考量系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性、易用性以及環(huán)境適應(yīng)性。軟件設(shè)計(jì)可充分滿足實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理要求，并達(dá)到標(biāo)稱精度。

圖2.1 總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理與分析3大部分組成。數(shù)據(jù)采集為自主研發(fā)的北斗、GPS多模多頻GNSS高精度監(jiān)測(cè)型接收機(jī)（CY-305），數(shù)據(jù)傳輸采用無線通訊方式，數(shù)據(jù)處理與分析為自主研發(fā)的高精度實(shí)時(shí)變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)軟件（QGMOSV1.0）。

監(jiān)測(cè)軟件可提供實(shí)時(shí)解以及準(zhǔn)實(shí)時(shí)解等多種解算模式，每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)可同時(shí)輸出實(shí)時(shí)解和3 hour、24 hour等準(zhǔn)實(shí)時(shí)解，滿足數(shù)據(jù)分析中對(duì)探測(cè)精度和穩(wěn)定性等指標(biāo)的要求。

（1）系統(tǒng)遵循科學(xué)可靠、結(jié)構(gòu)合理、功能完善、經(jīng)濟(jì)適用的原則；

（2）緊密結(jié)合GNSS系統(tǒng)有關(guān)國(guó)家規(guī)范以及各行業(yè)規(guī)范，實(shí)現(xiàn)理論研究與工程實(shí)踐的統(tǒng)一；

（3）采用目前國(guó)際上GNSS算法研究方面較先進(jìn)的理論成果，提高數(shù)據(jù)處理方法的效率和精度，并保證監(jiān)測(cè)系統(tǒng)精度滿足應(yīng)用需求；

（4）實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、處理、分析、輸出、存儲(chǔ)、報(bào)警全過程的自動(dòng)化，可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期無人值守連續(xù)自動(dòng)運(yùn)行監(jiān)測(cè)；

（5）系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)及接口符合工程設(shè)計(jì)總體規(guī)劃，便于擴(kuò)展維護(hù)；系統(tǒng)功能豐富，可滿足不同領(lǐng)域用戶需求；

（6）人性化操作設(shè)計(jì)，保證軟件操作的便捷及穩(wěn)定。