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投入式液位計(jì)在大壩形變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用
發(fā)表時(shí)間：2018-07-12 ??點(diǎn)擊次數(shù)：1043? 技術(shù)支持：1560-1403-222
北斗大壩形變監(jiān)沒(méi)是北斗衛(wèi)星高精度定位的一種具體應(yīng)用，整個(gè)系統(tǒng)要做一**測(cè)量，需要一整套的設(shè)備的協(xié)同才能實(shí)現(xiàn)，其中投入式液位計(jì)等用于液位測(cè)量的儀表的作用也不可小覷，主要作用也是通過(guò)水位的變化來(lái)測(cè)量大壩的形變。本文主要介紹北斗大壩形變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)處理流程，以及使用定位數(shù)據(jù)處理誤差改正模式來(lái)提高監(jiān)測(cè)精度的方法。采集的北斗衛(wèi)星數(shù)據(jù)通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)送到數(shù)據(jù)處理中心，解算數(shù)據(jù)得到監(jiān)測(cè)點(diǎn)和基準(zhǔn)站的相對(duì)位移，從而達(dá)到監(jiān)測(cè)大壩形變的目的。
引言
北斗大壩形變監(jiān)測(cè)主要采用北斗差分定位方式，在一個(gè)已知經(jīng)緯度等信息的基準(zhǔn)站設(shè)置高精度北斗接收機(jī)，在大壩壩體上設(shè)置的若十高精度北斗接收機(jī)等設(shè)備作為監(jiān)測(cè)點(diǎn)，同時(shí)觀(guān)測(cè)相同的北斗衛(wèi)星，獲取相應(yīng)的北斗衛(wèi)星數(shù)據(jù)。采集的北斗衛(wèi)星數(shù)據(jù)通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)送到數(shù)據(jù)處理中心，解算數(shù)據(jù)得到監(jiān)測(cè)點(diǎn)和基準(zhǔn)站的相對(duì)位移，從而達(dá)到監(jiān)測(cè)大壩形變的目的。
1北斗大壩形變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成
北斗大壩形變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、通信網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)分析處理中心、遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)等構(gòu)成。
1.1數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)
數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)包括基準(zhǔn)站和監(jiān)測(cè)點(diǎn)兩部分。數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)功能是:采集基準(zhǔn)站及監(jiān)測(cè)站的定位信息，并定時(shí)向數(shù)據(jù)處理中心發(fā)送采集的數(shù)據(jù)。
基準(zhǔn)站是整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基準(zhǔn)參考，需建在穩(wěn)定的基巖上，基準(zhǔn)站安裝高精度北斗接收機(jī)采集衛(wèi)星觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)。監(jiān)測(cè)站分布在整個(gè)形變區(qū)域特征點(diǎn)上，即在壩體預(yù)理多個(gè)高精度北斗接收機(jī)、電子數(shù)據(jù)采集主機(jī)和電子傳感器作為監(jiān)測(cè)站。
1.1.1數(shù)據(jù)采集主機(jī)
數(shù)據(jù)采集主機(jī)特點(diǎn)如下:
①高精度衛(wèi)星接收機(jī)一次輸出的數(shù)據(jù)量較大，要求緩存較大，通信鏈路斷時(shí)需要木地保存大量數(shù)據(jù)，要求外接TF存儲(chǔ)器作為北斗數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。MCU選用ST公司的一款(Cortex-M3芯片。
②數(shù)據(jù)采集主機(jī)與高精度北斗衛(wèi)星接收機(jī)同在一個(gè)金屬殼體內(nèi)部，連接高精度北斗接收機(jī)的串口不需防雷處理，采用普通串口即可。RT1 RS232連接北斗接收}JL，采集北斗數(shù)據(jù)。
③隔離485接口主要連接電子式水平傳感器、垂直位移傳感器,485接口水位計(jì)、485接口雨量傳感器、土層濕度傳感器等。
④帶防護(hù)裝置的網(wǎng)口用于連接通信網(wǎng)絡(luò)，向數(shù)據(jù)處理中心發(fā)送采集的北斗定位數(shù)據(jù)和外部傳感數(shù)據(jù)。
⑤ 4-20mA模擬信號(hào)輸入口用于連接4-20mA輸出接口的雨量傳感器、水位計(jì)、土層濕度傳感器等。輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)電流/電壓變換后送入MCU的A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)字化處理。
⑥許多翻斗式雨量傳感器等輸出的是脈沖信號(hào)，可以通過(guò)計(jì)數(shù)脈沖輸入口接入。計(jì)數(shù)脈沖經(jīng)過(guò)普通MCU的I/ O口輸入，結(jié)合內(nèi)部定時(shí)器廣計(jì)數(shù)器統(tǒng)計(jì)雨量。
數(shù)據(jù)采集主機(jī)原理框圖如圖1所示。
圖1數(shù)據(jù)采集主機(jī)原理框圖
1.1.2大壩形變監(jiān)測(cè)常用的電子傳感器
(1)水位計(jì)
水位計(jì)種類(lèi)比較多，有投入式液位計(jì)、浮子式水位計(jì)、超聲波水位計(jì)、壓力式水位計(jì)、等，各有特點(diǎn)，使用時(shí)要根據(jù)壩體周?chē)木唧w情況選用。
①浮子式水位計(jì)其原理是由浮子感應(yīng)水位的升降。有用機(jī)械方式直接使浮子傳動(dòng)記錄結(jié)構(gòu)的普通水位計(jì)，有把浮子提供的轉(zhuǎn)角量轉(zhuǎn)換成增量電脈沖或二進(jìn)制編碼脈沖作遠(yuǎn)距離傳輸?shù)碾妭鳌?shù)傳水位計(jì)，還有由微型浮子和許多十簧管組成的數(shù)字傳感水位計(jì)等。應(yīng)用較廣的是機(jī)械式浮子水位計(jì)。應(yīng)用浮子式水位計(jì)需有測(cè)井設(shè)備，只適合于岸坡穩(wěn)定、河床沖淤很小的低含沙量河段使用。
②超聲波水位計(jì)是反射式水位計(jì)的一種，應(yīng)用聲波遇不同介面反射的原理來(lái)測(cè)定水位。分為氣介式和水介式兩類(lèi)。氣介式以空氣為聲波的傳播介質(zhì)，換能器置于水面上方，由水面反射聲波，根據(jù)回波時(shí)間可計(jì)算并顯不出水位。儀器不接觸水體，完全擺脫水中泥沙、流速?zèng)_擊和水草等不利因素的影響。水介式是將換能器安裝在河底，向水面發(fā)射聲波，也不需要建測(cè)井。兩種水位計(jì)均可用電纜傳輸至室內(nèi)顯不或存儲(chǔ)記錄。
③壓力式水位計(jì)的工作原理是測(cè)量水壓力，推算水位。其特點(diǎn)是無(wú)需建靜水測(cè)井，可以將傳感器固定在河底，用引壓管消除大氣壓力，從而直接測(cè)得水位。壓力式水位計(jì)有兩類(lèi):一類(lèi)為氣泡型，在引壓管中不斷輸氣，用自動(dòng)調(diào)節(jié)的壓力天平將水壓力轉(zhuǎn)換成機(jī)械轉(zhuǎn)角量，從而帶動(dòng)記錄機(jī)構(gòu);另一類(lèi)為電測(cè)型，它應(yīng)用固態(tài)壓阻器件作傳感器，可直接將水壓力轉(zhuǎn)變成電壓模量或頻率量輸出，然后用導(dǎo)線(xiàn)傳輸至岸上進(jìn)行處理和記錄。
④跟蹤式水位計(jì)又稱(chēng)接觸式水位計(jì)，利用重錘上的電測(cè)針接觸水面發(fā)出電信號(hào)，使電機(jī)正轉(zhuǎn)或逆轉(zhuǎn)，隨時(shí)跟蹤水面點(diǎn)的位置，從而測(cè)定水位。一般在較陡岸坡上架設(shè)鐵管，懸錘和懸索在管道中升降，驅(qū)動(dòng)記錄或信號(hào)裝置。鐵管進(jìn)水口需有沉沙和凈水設(shè)施。
⑤投入式液位計(jì)是基于所測(cè)液體靜壓與該液體高度成正比的原理，采用擴(kuò)散硅或陶瓷敏感元件的壓阻效應(yīng)，將靜壓轉(zhuǎn)成電信號(hào)。經(jīng)過(guò)溫度補(bǔ)償和線(xiàn)性校正，轉(zhuǎn)換成4-20 mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)輸出。投入式液位計(jì)的傳感器部分可直接投入到液體中，變送器部分可用法蘭或支架固定，安裝使用較為方便。
考慮數(shù)據(jù)采集主機(jī)用以連接傳感器的接口只有485接口和4-20 mA輸入接口，因此選用水位時(shí)應(yīng)考慮接口匹配。
(2)雨量傳感器
常用的雨量傳感器是翻斗型雨量傳感器，主要工作原理是承水口收集的雨水，經(jīng)過(guò)上筒(漏斗)注入計(jì)量翻斗，翻斗是用工程塑料注射成型的，由中間隔板分成兩個(gè)等容積的三角斗室。它是一個(gè)機(jī)械雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)，當(dāng)一個(gè)斗室接水時(shí)，另一個(gè)斗室處于等待狀態(tài)。當(dāng)所接雨水容積達(dá)到預(yù)定值0. 4 mm(假定測(cè)量精度為0. 4 mm)時(shí)，由于重力作用使自己翻倒，處于等待狀態(tài)，另一個(gè)斗室處于接水工作狀態(tài)。當(dāng)其接水量達(dá)到預(yù)定值時(shí)，又自己翻倒，處于等待狀態(tài)。在翻斗測(cè)壁上裝有磁鋼，它隨翻斗翻動(dòng)時(shí)從十式舌簧管旁?huà)呙瑁故缴嗷晒芡〝唷＜捶访糠挂淮危缴嗷晒鼙憬油ㄒ淮嗡统鲆粋€(gè)開(kāi)關(guān)信號(hào)(脈沖信號(hào))。
翻斗式雨量傳感器直接通過(guò)數(shù)據(jù)采集主機(jī)的計(jì)數(shù)脈沖輸入接口傳送脈沖數(shù)據(jù)。
雨量信息采集可以不使用雨量傳感器，直接采用雨量監(jiān)測(cè)站通過(guò)無(wú)線(xiàn)UPRS網(wǎng)絡(luò)向數(shù)據(jù)處理中心傳送氣象數(shù)據(jù)。
(3)位移傳感器
高精度北斗衛(wèi)星接收機(jī)木身可以進(jìn)行水平和垂直位移測(cè)量，考慮成木及安裝方便等因素，時(shí)常將高精度北斗衛(wèi)星接收機(jī)與電子位移傳感器結(jié)合使用。位移傳感器包含水平位移和垂直位移傳感器，主要有電感式、電容式、光電式、霍爾式、渦流式位移傳感器，激光位移傳感器使用比較方便，不用其他外部設(shè)備，可以輸出數(shù)字和模擬信號(hào)，可以與數(shù)據(jù)采集主機(jī)的485接口或4-20 mA輸入接口相連接。
1.2數(shù)據(jù)處理與分析中心
數(shù)據(jù)處理中心負(fù)責(zé)接收處理基準(zhǔn)站和監(jiān)測(cè)點(diǎn)北斗數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理中心將星歷、原始觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)如衛(wèi)星號(hào)、偽距、偽距標(biāo)準(zhǔn)差、載波相位、載波相位差、瞬時(shí)載波多普勒頻率、載噪比、連續(xù)跟蹤秒數(shù)等數(shù)據(jù)采用雙差解算模式，在優(yōu)化載波相位差分?jǐn)?shù)據(jù)處理方法的基礎(chǔ)上，同時(shí)處理基準(zhǔn)站和監(jiān)測(cè)站載波相位數(shù)據(jù)，得到精確的監(jiān)測(cè)點(diǎn)相對(duì)于基準(zhǔn)點(diǎn)的形變量，從而獲取整個(gè)壩體區(qū)域的形變信息。
數(shù)據(jù)處理中心主要由通信網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)處理軟件、服務(wù)器等組成。
1.3遠(yuǎn)程監(jiān)控中心
遠(yuǎn)程監(jiān)控中心可與數(shù)據(jù)處理中心并置，遠(yuǎn)程監(jiān)控中心是整個(gè)系統(tǒng)的神經(jīng)中樞，負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)信息的處理，融合水文、氣象等信息，組成大壩形變監(jiān)測(cè)信息自動(dòng)處理與應(yīng)急預(yù)警信息平臺(tái)。
2北斗數(shù)據(jù)處理流程
北斗數(shù)據(jù)處理主要可分為數(shù)據(jù)清理、數(shù)據(jù)處理、結(jié)果分析等幾個(gè)流程，具體如圖z一圖4所不。
3數(shù)據(jù)處理誤差改正模型
在相對(duì)定位中，涉及的關(guān)鍵數(shù)據(jù)處理過(guò)程是基線(xiàn)解算，基線(xiàn)解算可以分為:長(zhǎng)基線(xiàn)、中長(zhǎng)基線(xiàn)和短基線(xiàn)三種類(lèi)型。這里介紹短基線(xiàn)數(shù)據(jù)處理中相關(guān)的誤差影響因素川、誤差消除或削弱的方法。
3.1短基線(xiàn)的衛(wèi)星星歷誤差影響
由衛(wèi)星星歷所給出的衛(wèi)星位置與實(shí)際衛(wèi)星位置的差值稱(chēng)為衛(wèi)星星歷誤差。星歷誤差的大小取決于衛(wèi)星定軌系統(tǒng)的質(zhì)量，如定軌站的數(shù)量及其地理分布、觀(guān)測(cè)值的數(shù)量及其精度、定軌的數(shù)學(xué)力學(xué)模型和定軌軟件的完善程度等。在一般工程應(yīng)用中，特別是北斗短基線(xiàn)的數(shù)據(jù)處理中，由于基線(xiàn)較短，通常采用廣播星歷即可滿(mǎn)足應(yīng)用的要求。
在相對(duì)定位中，衛(wèi)星的星歷誤差對(duì)解算精度影響較小，利用廣播星歷進(jìn)行相對(duì)定位時(shí)，即使基線(xiàn)長(zhǎng)度達(dá)到56 km時(shí)，其誤差影響仍然保持在1 cm以?xún)?nèi)，故對(duì)于短基線(xiàn)(10 km以?xún)?nèi))來(lái)說(shuō)，其誤差的影響非常小，可以忽略不計(jì)。
3.2短基線(xiàn)的衛(wèi)星鐘差與接收機(jī)鐘差影響[[3]
衛(wèi)星上計(jì)時(shí)工具是高精度的原子鐘，但衛(wèi)星鐘也不可避免地會(huì)產(chǎn)生誤差，這種誤差既包含系統(tǒng)性的偏差(如鐘差、鐘速、鐘漂等)，也包括隨機(jī)性質(zhì)的偏差。系統(tǒng)誤差可以通過(guò)檢驗(yàn)和對(duì)比來(lái)確定，并通過(guò)相應(yīng)的數(shù)學(xué)物理模型加以改正;而隨機(jī)誤差只能通過(guò)鐘的穩(wěn)定度來(lái)描述其統(tǒng)計(jì)特性，無(wú)法確定其具體的大小和方向。
與衛(wèi)星鐘一樣，接收機(jī)鐘也會(huì)產(chǎn)生誤差，接收機(jī)鐘為石英鐘，接收機(jī)鐘差較衛(wèi)星鐘差來(lái)講要顯著一些。該項(xiàng)誤差主要取決于鐘的質(zhì)量，與使用的環(huán)境也有一定的關(guān)系。它對(duì)測(cè)碼偽距觀(guān)測(cè)值和載波相位觀(guān)測(cè)值的影響是相同的。
某一時(shí)刻t,的鐘差一般可以表不為:pt一「」+a, }t一」)+a9 }t一」)+{y(t)dt式中:a〔為t〔時(shí)刻該鐘的鐘差;a、為t,時(shí)刻該鐘的鐘速;a為L(zhǎng)}時(shí)刻該鐘的加速度的一半。
利用載波相位觀(guān)測(cè)值進(jìn)行相對(duì)定位時(shí)，根據(jù)衛(wèi)星導(dǎo)航電文所給的衛(wèi)星鐘參數(shù)而求得的衛(wèi)星鐘差不能作為后的精確值，在建立觀(guān)測(cè)方程時(shí)必須將其視為米知參數(shù)。由于進(jìn)行同步觀(guān)測(cè)時(shí)，不同的觀(guān)測(cè)值中會(huì)包含有同樣的鐘差影響，故可以通過(guò)觀(guān)測(cè)方程相減來(lái)消除這些鐘差的影響。假設(shè)同步觀(guān)測(cè)n顆衛(wèi)星，在短基線(xiàn)(甚至長(zhǎng)基線(xiàn))數(shù)據(jù)處理中，*先選擇一個(gè)衛(wèi)星作為基準(zhǔn)星，并將其余的(n-1)個(gè)觀(guān)測(cè)方程分別與基準(zhǔn)星觀(guān)測(cè)方程相減，那么在這((n-1)個(gè)求差以后的新觀(guān)測(cè)方程中，某一對(duì)應(yīng)的時(shí)刻t0接收機(jī)的鐘差將被消除。
在兩站之間，進(jìn)行站間單差就可以將衛(wèi)星鐘差消除。把不同時(shí)刻，不同站間的鐘差視為一個(gè)獨(dú)立的米知參數(shù)，通過(guò)相應(yīng)的觀(guān)測(cè)方程相減來(lái)消除這些鐘差的影響，后再組成法方程。
3.3短基線(xiàn)的電離層延遲影響
衛(wèi)星電磁波信號(hào)在穿過(guò)電離層時(shí)，傳播速度會(huì)產(chǎn)生變化，變化程度主要取決于載波信號(hào)頻率和電離層中的電子密度;傳播路徑也會(huì)發(fā)生略微的彎曲，由此而產(chǎn)生的誤差影響稱(chēng)為電離層延遲誤差。
消除和削弱電離層延遲的方法有很多，比如模型法，包括Bent模型、國(guó)內(nèi)參考電離層模型}Klobuchar模型和雙頻改正模型等。還有用實(shí)測(cè)雙頻觀(guān)測(cè)值來(lái)建立電離層延遲改正模型等，在不同的觀(guān)測(cè)條件下采用相應(yīng)的模型可以較好地削弱電離層延遲影響萬(wàn)’〕。但目前常用的為采用雙頻觀(guān)測(cè)值消除電離層影響，利用雙頻觀(guān)測(cè)值消除一階項(xiàng)電離層影響后，剩余的高階項(xiàng)影響對(duì)于短基線(xiàn)來(lái)說(shuō)一般很小，可忽略不計(jì)。
3.4短基線(xiàn)的對(duì)流層延遲影響
對(duì)流層延遲一般泛指中性大氣層對(duì)電磁波的折射。中性大氣層包括對(duì)流層和平流層，大約是大氣層從地面向上40 km部分。由于折射的80%發(fā)生在對(duì)流層，所以通常也叫做對(duì)流層折射延遲。對(duì)流層對(duì)于15 UHz的射電頻率呈中性，信號(hào)傳播產(chǎn)生非色散延遲，使電磁波傳播路徑比幾何距離長(zhǎng)。電磁波在對(duì)流層的傳播速度只與大氣的折射頻率及電磁波傳播方向有關(guān)，與電磁波頻率無(wú)關(guān)。
對(duì)流層折射影響通常表不為天頂方向的對(duì)流層折射量和與高度角相關(guān)的投影函數(shù)M的乘積。并且對(duì)流層延遲的90%是由大氣中十燥氣體引起的，稱(chēng)為十分量;其余10%是由水汽引起的，稱(chēng)為濕分量。因此，對(duì)流層延遲可用天頂方向的十、濕分量延遲及其相應(yīng)的投影函數(shù)表示:
中經(jīng)常采用}1ie11模型，}1ie11模型除了考慮緯度因素外，還考慮了對(duì)流層的季節(jié)性變化和高度不同的影響，其不包含氣象元素，不會(huì)受氣象元素觀(guān)測(cè)誤差的影響，其沒(méi)有考慮實(shí)測(cè)的氣象數(shù)據(jù)，也能與無(wú)線(xiàn)電探空數(shù)據(jù)計(jì)算出的投影模型相符合。對(duì)流層影響利用模型改正后，十分量部分的改正精度可以達(dá)到cm級(jí)，而濕分量部分的殘余影響還比較大，在精密定位中，必須利用參數(shù)估計(jì)的方法將對(duì)流層殘余影響當(dāng)作一個(gè)參數(shù)進(jìn)行估計(jì)。
大壩形變監(jiān)測(cè)精度要求達(dá)到mm級(jí)，需要對(duì)以上幾個(gè)誤差進(jìn)行建模處理，方能滿(mǎn)足要求。
結(jié)語(yǔ)
北斗高精度大壩形變監(jiān)測(cè)主要是利用連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位參考站技術(shù)、衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)高精度處理技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、通信技術(shù)及信息處理技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)對(duì)大壩形變的全天候、自動(dòng)化、高精度、高可靠監(jiān)測(cè)，具有要求通視的常規(guī)測(cè)繪技術(shù)無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。
上一條：精確安裝浮球液位控制器需要考慮介質(zhì)密度對(duì)于測(cè)量高度的影響
下一條：電磁流量計(jì)在淡濃堿生產(chǎn)中流量測(cè)量的案例分析
引言
北斗大壩形變監(jiān)測(cè)主要采用北斗差分定位方式，在一個(gè)已知經(jīng)緯度等信息的基準(zhǔn)站設(shè)置高精度北斗接收機(jī)，在大壩壩體上設(shè)置的若十高精度北斗接收機(jī)等設(shè)備作為監(jiān)測(cè)點(diǎn)，同時(shí)觀(guān)測(cè)相同的北斗衛(wèi)星，獲取相應(yīng)的北斗衛(wèi)星數(shù)據(jù)。采集的北斗衛(wèi)星數(shù)據(jù)通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)送到數(shù)據(jù)處理中心，解算數(shù)據(jù)得到監(jiān)測(cè)點(diǎn)和基準(zhǔn)站的相對(duì)位移，從而達(dá)到監(jiān)測(cè)大壩形變的目的。
1北斗大壩形變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成
北斗大壩形變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、通信網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)分析處理中心、遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)等構(gòu)成。
1.1數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)
數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)包括基準(zhǔn)站和監(jiān)測(cè)點(diǎn)兩部分。數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)功能是:采集基準(zhǔn)站及監(jiān)測(cè)站的定位信息，并定時(shí)向數(shù)據(jù)處理中心發(fā)送采集的數(shù)據(jù)。
基準(zhǔn)站是整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基準(zhǔn)參考，需建在穩(wěn)定的基巖上，基準(zhǔn)站安裝高精度北斗接收機(jī)采集衛(wèi)星觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)。監(jiān)測(cè)站分布在整個(gè)形變區(qū)域特征點(diǎn)上，即在壩體預(yù)理多個(gè)高精度北斗接收機(jī)、電子數(shù)據(jù)采集主機(jī)和電子傳感器作為監(jiān)測(cè)站。
1.1.1數(shù)據(jù)采集主機(jī)
數(shù)據(jù)采集主機(jī)特點(diǎn)如下:
①高精度衛(wèi)星接收機(jī)一次輸出的數(shù)據(jù)量較大，要求緩存較大，通信鏈路斷時(shí)需要木地保存大量數(shù)據(jù)，要求外接TF存儲(chǔ)器作為北斗數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。MCU選用ST公司的一款(Cortex-M3芯片。
②數(shù)據(jù)采集主機(jī)與高精度北斗衛(wèi)星接收機(jī)同在一個(gè)金屬殼體內(nèi)部，連接高精度北斗接收機(jī)的串口不需防雷處理，采用普通串口即可。RT1 RS232連接北斗接收}JL，采集北斗數(shù)據(jù)。
③隔離485接口主要連接電子式水平傳感器、垂直位移傳感器,485接口水位計(jì)、485接口雨量傳感器、土層濕度傳感器等。
④帶防護(hù)裝置的網(wǎng)口用于連接通信網(wǎng)絡(luò)，向數(shù)據(jù)處理中心發(fā)送采集的北斗定位數(shù)據(jù)和外部傳感數(shù)據(jù)。
⑤ 4-20mA模擬信號(hào)輸入口用于連接4-20mA輸出接口的雨量傳感器、水位計(jì)、土層濕度傳感器等。輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)電流/電壓變換后送入MCU的A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)字化處理。
⑥許多翻斗式雨量傳感器等輸出的是脈沖信號(hào)，可以通過(guò)計(jì)數(shù)脈沖輸入口接入。計(jì)數(shù)脈沖經(jīng)過(guò)普通MCU的I/ O口輸入，結(jié)合內(nèi)部定時(shí)器廣計(jì)數(shù)器統(tǒng)計(jì)雨量。
數(shù)據(jù)采集主機(jī)原理框圖如圖1所示。
圖1數(shù)據(jù)采集主機(jī)原理框圖
1.1.2大壩形變監(jiān)測(cè)常用的電子傳感器
(1)水位計(jì)
水位計(jì)種類(lèi)比較多，有投入式液位計(jì)、浮子式水位計(jì)、超聲波水位計(jì)、壓力式水位計(jì)、等，各有特點(diǎn)，使用時(shí)要根據(jù)壩體周?chē)木唧w情況選用。
①浮子式水位計(jì)其原理是由浮子感應(yīng)水位的升降。有用機(jī)械方式直接使浮子傳動(dòng)記錄結(jié)構(gòu)的普通水位計(jì)，有把浮子提供的轉(zhuǎn)角量轉(zhuǎn)換成增量電脈沖或二進(jìn)制編碼脈沖作遠(yuǎn)距離傳輸?shù)碾妭鳌?shù)傳水位計(jì)，還有由微型浮子和許多十簧管組成的數(shù)字傳感水位計(jì)等。應(yīng)用較廣的是機(jī)械式浮子水位計(jì)。應(yīng)用浮子式水位計(jì)需有測(cè)井設(shè)備，只適合于岸坡穩(wěn)定、河床沖淤很小的低含沙量河段使用。
②超聲波水位計(jì)是反射式水位計(jì)的一種，應(yīng)用聲波遇不同介面反射的原理來(lái)測(cè)定水位。分為氣介式和水介式兩類(lèi)。氣介式以空氣為聲波的傳播介質(zhì)，換能器置于水面上方，由水面反射聲波，根據(jù)回波時(shí)間可計(jì)算并顯不出水位。儀器不接觸水體，完全擺脫水中泥沙、流速?zèng)_擊和水草等不利因素的影響。水介式是將換能器安裝在河底，向水面發(fā)射聲波，也不需要建測(cè)井。兩種水位計(jì)均可用電纜傳輸至室內(nèi)顯不或存儲(chǔ)記錄。
③壓力式水位計(jì)的工作原理是測(cè)量水壓力，推算水位。其特點(diǎn)是無(wú)需建靜水測(cè)井，可以將傳感器固定在河底，用引壓管消除大氣壓力，從而直接測(cè)得水位。壓力式水位計(jì)有兩類(lèi):一類(lèi)為氣泡型，在引壓管中不斷輸氣，用自動(dòng)調(diào)節(jié)的壓力天平將水壓力轉(zhuǎn)換成機(jī)械轉(zhuǎn)角量，從而帶動(dòng)記錄機(jī)構(gòu);另一類(lèi)為電測(cè)型，它應(yīng)用固態(tài)壓阻器件作傳感器，可直接將水壓力轉(zhuǎn)變成電壓模量或頻率量輸出，然后用導(dǎo)線(xiàn)傳輸至岸上進(jìn)行處理和記錄。
④跟蹤式水位計(jì)又稱(chēng)接觸式水位計(jì)，利用重錘上的電測(cè)針接觸水面發(fā)出電信號(hào)，使電機(jī)正轉(zhuǎn)或逆轉(zhuǎn)，隨時(shí)跟蹤水面點(diǎn)的位置，從而測(cè)定水位。一般在較陡岸坡上架設(shè)鐵管，懸錘和懸索在管道中升降，驅(qū)動(dòng)記錄或信號(hào)裝置。鐵管進(jìn)水口需有沉沙和凈水設(shè)施。
⑤投入式液位計(jì)是基于所測(cè)液體靜壓與該液體高度成正比的原理，采用擴(kuò)散硅或陶瓷敏感元件的壓阻效應(yīng)，將靜壓轉(zhuǎn)成電信號(hào)。經(jīng)過(guò)溫度補(bǔ)償和線(xiàn)性校正，轉(zhuǎn)換成4-20 mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)輸出。投入式液位計(jì)的傳感器部分可直接投入到液體中，變送器部分可用法蘭或支架固定，安裝使用較為方便。
考慮數(shù)據(jù)采集主機(jī)用以連接傳感器的接口只有485接口和4-20 mA輸入接口，因此選用水位時(shí)應(yīng)考慮接口匹配。
(2)雨量傳感器
常用的雨量傳感器是翻斗型雨量傳感器，主要工作原理是承水口收集的雨水，經(jīng)過(guò)上筒(漏斗)注入計(jì)量翻斗，翻斗是用工程塑料注射成型的，由中間隔板分成兩個(gè)等容積的三角斗室。它是一個(gè)機(jī)械雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)，當(dāng)一個(gè)斗室接水時(shí)，另一個(gè)斗室處于等待狀態(tài)。當(dāng)所接雨水容積達(dá)到預(yù)定值0. 4 mm(假定測(cè)量精度為0. 4 mm)時(shí)，由于重力作用使自己翻倒，處于等待狀態(tài)，另一個(gè)斗室處于接水工作狀態(tài)。當(dāng)其接水量達(dá)到預(yù)定值時(shí)，又自己翻倒，處于等待狀態(tài)。在翻斗測(cè)壁上裝有磁鋼，它隨翻斗翻動(dòng)時(shí)從十式舌簧管旁?huà)呙瑁故缴嗷晒芡〝唷＜捶访糠挂淮危缴嗷晒鼙憬油ㄒ淮嗡统鲆粋€(gè)開(kāi)關(guān)信號(hào)(脈沖信號(hào))。
翻斗式雨量傳感器直接通過(guò)數(shù)據(jù)采集主機(jī)的計(jì)數(shù)脈沖輸入接口傳送脈沖數(shù)據(jù)。
雨量信息采集可以不使用雨量傳感器，直接采用雨量監(jiān)測(cè)站通過(guò)無(wú)線(xiàn)UPRS網(wǎng)絡(luò)向數(shù)據(jù)處理中心傳送氣象數(shù)據(jù)。
(3)位移傳感器
高精度北斗衛(wèi)星接收機(jī)木身可以進(jìn)行水平和垂直位移測(cè)量，考慮成木及安裝方便等因素，時(shí)常將高精度北斗衛(wèi)星接收機(jī)與電子位移傳感器結(jié)合使用。位移傳感器包含水平位移和垂直位移傳感器，主要有電感式、電容式、光電式、霍爾式、渦流式位移傳感器，激光位移傳感器使用比較方便，不用其他外部設(shè)備，可以輸出數(shù)字和模擬信號(hào)，可以與數(shù)據(jù)采集主機(jī)的485接口或4-20 mA輸入接口相連接。
1.2數(shù)據(jù)處理與分析中心
數(shù)據(jù)處理中心負(fù)責(zé)接收處理基準(zhǔn)站和監(jiān)測(cè)點(diǎn)北斗數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理中心將星歷、原始觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)如衛(wèi)星號(hào)、偽距、偽距標(biāo)準(zhǔn)差、載波相位、載波相位差、瞬時(shí)載波多普勒頻率、載噪比、連續(xù)跟蹤秒數(shù)等數(shù)據(jù)采用雙差解算模式，在優(yōu)化載波相位差分?jǐn)?shù)據(jù)處理方法的基礎(chǔ)上，同時(shí)處理基準(zhǔn)站和監(jiān)測(cè)站載波相位數(shù)據(jù)，得到精確的監(jiān)測(cè)點(diǎn)相對(duì)于基準(zhǔn)點(diǎn)的形變量，從而獲取整個(gè)壩體區(qū)域的形變信息。
數(shù)據(jù)處理中心主要由通信網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)處理軟件、服務(wù)器等組成。
1.3遠(yuǎn)程監(jiān)控中心
遠(yuǎn)程監(jiān)控中心可與數(shù)據(jù)處理中心并置，遠(yuǎn)程監(jiān)控中心是整個(gè)系統(tǒng)的神經(jīng)中樞，負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)信息的處理，融合水文、氣象等信息，組成大壩形變監(jiān)測(cè)信息自動(dòng)處理與應(yīng)急預(yù)警信息平臺(tái)。
2北斗數(shù)據(jù)處理流程
北斗數(shù)據(jù)處理主要可分為數(shù)據(jù)清理、數(shù)據(jù)處理、結(jié)果分析等幾個(gè)流程，具體如圖z一圖4所不。
3數(shù)據(jù)處理誤差改正模型
在相對(duì)定位中，涉及的關(guān)鍵數(shù)據(jù)處理過(guò)程是基線(xiàn)解算，基線(xiàn)解算可以分為:長(zhǎng)基線(xiàn)、中長(zhǎng)基線(xiàn)和短基線(xiàn)三種類(lèi)型。這里介紹短基線(xiàn)數(shù)據(jù)處理中相關(guān)的誤差影響因素川、誤差消除或削弱的方法。
3.1短基線(xiàn)的衛(wèi)星星歷誤差影響
由衛(wèi)星星歷所給出的衛(wèi)星位置與實(shí)際衛(wèi)星位置的差值稱(chēng)為衛(wèi)星星歷誤差。星歷誤差的大小取決于衛(wèi)星定軌系統(tǒng)的質(zhì)量，如定軌站的數(shù)量及其地理分布、觀(guān)測(cè)值的數(shù)量及其精度、定軌的數(shù)學(xué)力學(xué)模型和定軌軟件的完善程度等。在一般工程應(yīng)用中，特別是北斗短基線(xiàn)的數(shù)據(jù)處理中，由于基線(xiàn)較短，通常采用廣播星歷即可滿(mǎn)足應(yīng)用的要求。
在相對(duì)定位中，衛(wèi)星的星歷誤差對(duì)解算精度影響較小，利用廣播星歷進(jìn)行相對(duì)定位時(shí)，即使基線(xiàn)長(zhǎng)度達(dá)到56 km時(shí)，其誤差影響仍然保持在1 cm以?xún)?nèi)，故對(duì)于短基線(xiàn)(10 km以?xún)?nèi))來(lái)說(shuō)，其誤差的影響非常小，可以忽略不計(jì)。
3.2短基線(xiàn)的衛(wèi)星鐘差與接收機(jī)鐘差影響[[3]
衛(wèi)星上計(jì)時(shí)工具是高精度的原子鐘，但衛(wèi)星鐘也不可避免地會(huì)產(chǎn)生誤差，這種誤差既包含系統(tǒng)性的偏差(如鐘差、鐘速、鐘漂等)，也包括隨機(jī)性質(zhì)的偏差。系統(tǒng)誤差可以通過(guò)檢驗(yàn)和對(duì)比來(lái)確定，并通過(guò)相應(yīng)的數(shù)學(xué)物理模型加以改正;而隨機(jī)誤差只能通過(guò)鐘的穩(wěn)定度來(lái)描述其統(tǒng)計(jì)特性，無(wú)法確定其具體的大小和方向。
與衛(wèi)星鐘一樣，接收機(jī)鐘也會(huì)產(chǎn)生誤差，接收機(jī)鐘為石英鐘，接收機(jī)鐘差較衛(wèi)星鐘差來(lái)講要顯著一些。該項(xiàng)誤差主要取決于鐘的質(zhì)量，與使用的環(huán)境也有一定的關(guān)系。它對(duì)測(cè)碼偽距觀(guān)測(cè)值和載波相位觀(guān)測(cè)值的影響是相同的。
某一時(shí)刻t,的鐘差一般可以表不為:pt一「」+a, }t一」)+a9 }t一」)+{y(t)dt式中:a〔為t〔時(shí)刻該鐘的鐘差;a、為t,時(shí)刻該鐘的鐘速;a為L(zhǎng)}時(shí)刻該鐘的加速度的一半。
利用載波相位觀(guān)測(cè)值進(jìn)行相對(duì)定位時(shí)，根據(jù)衛(wèi)星導(dǎo)航電文所給的衛(wèi)星鐘參數(shù)而求得的衛(wèi)星鐘差不能作為后的精確值，在建立觀(guān)測(cè)方程時(shí)必須將其視為米知參數(shù)。由于進(jìn)行同步觀(guān)測(cè)時(shí)，不同的觀(guān)測(cè)值中會(huì)包含有同樣的鐘差影響，故可以通過(guò)觀(guān)測(cè)方程相減來(lái)消除這些鐘差的影響。假設(shè)同步觀(guān)測(cè)n顆衛(wèi)星，在短基線(xiàn)(甚至長(zhǎng)基線(xiàn))數(shù)據(jù)處理中，*先選擇一個(gè)衛(wèi)星作為基準(zhǔn)星，并將其余的(n-1)個(gè)觀(guān)測(cè)方程分別與基準(zhǔn)星觀(guān)測(cè)方程相減，那么在這((n-1)個(gè)求差以后的新觀(guān)測(cè)方程中，某一對(duì)應(yīng)的時(shí)刻t0接收機(jī)的鐘差將被消除。
在兩站之間，進(jìn)行站間單差就可以將衛(wèi)星鐘差消除。把不同時(shí)刻，不同站間的鐘差視為一個(gè)獨(dú)立的米知參數(shù)，通過(guò)相應(yīng)的觀(guān)測(cè)方程相減來(lái)消除這些鐘差的影響，后再組成法方程。
3.3短基線(xiàn)的電離層延遲影響
衛(wèi)星電磁波信號(hào)在穿過(guò)電離層時(shí)，傳播速度會(huì)產(chǎn)生變化，變化程度主要取決于載波信號(hào)頻率和電離層中的電子密度;傳播路徑也會(huì)發(fā)生略微的彎曲，由此而產(chǎn)生的誤差影響稱(chēng)為電離層延遲誤差。
消除和削弱電離層延遲的方法有很多，比如模型法，包括Bent模型、國(guó)內(nèi)參考電離層模型}Klobuchar模型和雙頻改正模型等。還有用實(shí)測(cè)雙頻觀(guān)測(cè)值來(lái)建立電離層延遲改正模型等，在不同的觀(guān)測(cè)條件下采用相應(yīng)的模型可以較好地削弱電離層延遲影響萬(wàn)’〕。但目前常用的為采用雙頻觀(guān)測(cè)值消除電離層影響，利用雙頻觀(guān)測(cè)值消除一階項(xiàng)電離層影響后，剩余的高階項(xiàng)影響對(duì)于短基線(xiàn)來(lái)說(shuō)一般很小，可忽略不計(jì)。
3.4短基線(xiàn)的對(duì)流層延遲影響
對(duì)流層延遲一般泛指中性大氣層對(duì)電磁波的折射。中性大氣層包括對(duì)流層和平流層，大約是大氣層從地面向上40 km部分。由于折射的80%發(fā)生在對(duì)流層，所以通常也叫做對(duì)流層折射延遲。對(duì)流層對(duì)于15 UHz的射電頻率呈中性，信號(hào)傳播產(chǎn)生非色散延遲，使電磁波傳播路徑比幾何距離長(zhǎng)。電磁波在對(duì)流層的傳播速度只與大氣的折射頻率及電磁波傳播方向有關(guān)，與電磁波頻率無(wú)關(guān)。
對(duì)流層折射影響通常表不為天頂方向的對(duì)流層折射量和與高度角相關(guān)的投影函數(shù)M的乘積。并且對(duì)流層延遲的90%是由大氣中十燥氣體引起的，稱(chēng)為十分量;其余10%是由水汽引起的，稱(chēng)為濕分量。因此，對(duì)流層延遲可用天頂方向的十、濕分量延遲及其相應(yīng)的投影函數(shù)表示:
中經(jīng)常采用}1ie11模型，}1ie11模型除了考慮緯度因素外，還考慮了對(duì)流層的季節(jié)性變化和高度不同的影響，其不包含氣象元素，不會(huì)受氣象元素觀(guān)測(cè)誤差的影響，其沒(méi)有考慮實(shí)測(cè)的氣象數(shù)據(jù)，也能與無(wú)線(xiàn)電探空數(shù)據(jù)計(jì)算出的投影模型相符合。對(duì)流層影響利用模型改正后，十分量部分的改正精度可以達(dá)到cm級(jí)，而濕分量部分的殘余影響還比較大，在精密定位中，必須利用參數(shù)估計(jì)的方法將對(duì)流層殘余影響當(dāng)作一個(gè)參數(shù)進(jìn)行估計(jì)。
大壩形變監(jiān)測(cè)精度要求達(dá)到mm級(jí)，需要對(duì)以上幾個(gè)誤差進(jìn)行建模處理，方能滿(mǎn)足要求。
結(jié)語(yǔ)
北斗高精度大壩形變監(jiān)測(cè)主要是利用連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位參考站技術(shù)、衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)高精度處理技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、通信技術(shù)及信息處理技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)對(duì)大壩形變的全天候、自動(dòng)化、高精度、高可靠監(jiān)測(cè)，具有要求通視的常規(guī)測(cè)繪技術(shù)無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。
上一條：精確安裝浮球液位控制器需要考慮介質(zhì)密度對(duì)于測(cè)量高度的影響
下一條：電磁流量計(jì)在淡濃堿生產(chǎn)中流量測(cè)量的案例分析
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