上海司南GNSS自动化边坡在线监测方案

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1、 .某滑坡GNSS自动化监测技术方案司南卫星导航技术2013年3月83 / 85目 录1 前言32 某滑坡概况33 某滑坡GNSS监测的总体设计43.1 系统设计依据43.2 系统硬件总体设计44 某滑坡GNSS自动化监测预警系统概况54.1 GNSS自动化监测形变监测中的应用54.2 GNSS自动化监测系统发展64.3 自动化监测的优点64.4司南变形监测应用实例74.5 某滑坡GNSS自动化监测预警系统的介绍154.6某滑坡GNSS自动化监测预警系统原理和方法154.7某滑坡GNSS自动化监测预警系统组成164.8 某滑坡GNSS自动化监测预警系统技术的先进性175 某滑坡GNSS自动化监

2、测预警系统方案实施195.1 本监测系统设计依据195.2 某滑坡GNSS监测点的布置195.2.1 GNSS参考站195.2.2 GNSS监测站245.3 供电系统系统275.4 数据通讯单元295.4.1 无线网桥通讯方式295.4.3 本系统相关通讯方式的布设305.5 雷电防护305.5.1 雷电的危害性305.5.2 直接雷防护315.5.3感应雷保护325.6 控制中心机房建设335.7 外场机柜355.8 存储与处理系统355.9 监测设备防盗措施366 软件系统386.1 应用背景386.2 CDMonitor数据处理软件416.2.1 CDMonitor功能简介:416.2.

3、1.1 CDMonitor的功能模块416.2.1.2 CDMonitor的基本功能416.2.1.3 数据记录436.2.2 CDMonitor算法的特点（与RTK和传统静态模式比较）446.2.3 CDMonitor的软件界面介绍466.2.3.1 数据监控窗口476.2.3.2 接收机监控窗口476.2.3.3 监测站变形曲线窗口476.2.3.4 基线窗口476.2.3.5 日志486.2.4 CDMonitor的系统结构496.2.4.1 系统结构496.2.4.2 CDMonitor支持的GNSS接收机496.2.5 服务器和操作系统506.2.6 系统通讯网络516.3基于B/S

4、与C/S架构数据分析软件526.3.1 C/S架构数据分析软件526.3.2 基于WEB发布系统的B/S架构的客户端软件617 产品选型657.1 司南GNSS接收机657.2 GNSS天线677.3 GNSS天线罩687.4通讯设备697.4.1串口服务器697.4.2 高频无线传输终端Nanostation2717.5避雷设备747.5.1电源防雷设备747.5.2 避雷针747.6 服务器设备757.7 配电设备777.7.1 太阳能供电777.7.2 UPS供电797.8 其他设备817.9与其他厂家技术参数对比828技术支持与售后服务保证858.1 系统的安装、调试与培训858.2

5、免费保修承诺858.3 专业软件免费升级承诺858.4 技术培训承诺858.5 技术服务承诺868.6 维修服务承诺868.7 超过保修期的维修承诺878.8 配合使用者进行二次功能性开发提供一切必要技术支持的承诺878.9 定期向供产品升级和更新信息承诺871 前言2 某滑坡概况3 某滑坡GNSS监测的总体设计3.1 系统设计依据司南GNSS变形监测系统是一个集结构分析计算、计算机技术、通信技术、网络技术、传感器技术等高新技术于一体的综合系统工程。本监测系统的作用是成为一个功能强大并能真正长期用于结构损伤和状态评估，满足固体建筑物管理和运营的需要，同时又具经济效益的结构健康安全监控系统，遵循

6、如下设计原则：1) 遵循简洁、实用、性能可靠、经济合理的指导思想；2) 系统设置立足实用性原则第一，兼顾考虑科学试验和设计验证等方面因素；3) 各传感器的布置、安装要合理，力求用最少的传感器和最小的数据量完成工作；4) 系统应具有可扩展性。GNSS 监测系统的技术设计与工程建造依据相关的国家标准和相关行业标准进行，本设计书中所引用的部分技术规参见表1。表1名称编号批准单位年份全球定位系统测量规CH2001国家测绘局精密工程测量规GB/T 15314-94国家技术监督局1994-12-22全球定位系统城市测量技术规程CJJ 73-97中国建设部1997UNAVCO 基准站建立规国际UNAVCO组

7、织IGS基准站建立规国际IGS委员会混凝土结构设计规GBJ 1089建设部3.2 系统硬件总体设计系统硬件由四大部分组成：1) 传感器子系统：由布置监测点上的各类GNSS组成，主要传感器采用后安装方式；2) 数据传输子系统：GNSS天线到GNSS主机由同轴电缆通讯；GNSS主机与其它传感器与控制中心通讯采用有线或无线的通讯方式；3) 数据处理与控制子系统：由布置在监控中心的小型机系统、服务器系统、数据实时自动处理与Web发布；4) 辅助支持系统：包括外场机柜、外场机箱、配电与UPS、防雷和远程电源监控等。4 某滑坡GNSS自动化监测预警系统概况4.1 GNSS自动化监测形变监测中的应用 GNS

8、S用于边坡监测时，往往是对一定围具有代表性的区域建立变形观测点，在远方距离监测点适宜的位置（如稳固的基岩上）建立基准点。在基准点架设GNSS接收机，根据其高精度的已知的三维坐标，经过定期连续观测从而得到变形点坐标（或者基线）的变化量。根据观测点的形变量，建立安全监测模型，从而分析边坡的变形规律并实现与时的反馈。事实上，为了建立一个更接近实际情况的安全监测模型，合理的密集分布监测点是需要的。通过观测整体的微小变形量，构造统计分析模型，预测变形体长期的变化趋势，为以后的分析决策提供依据。为了进行形变分析，需要获得监测点高精度位置坐标数据，通常要求监测点的观测数据达到毫米级的精度，这也是GNSS定位

9、技术能否应用于变形观测的一个关键性问题。滑坡GNSS监测点与设备与普通的工程测量不同，边坡监测需要实时传送数据，并不断更新，达到监控的目的。普通的全站仪或其它监测手段不仅需要更多的人力完成观测操作，而且由于其部的电器、光学特性使得它不能工作在雨雪天气，夜里也无法完成测量作业，GNSS技术由于其全天候作业的特点不但可以取代传统的测量作业方式，而且可以将GNSS信号传输到控制中心，实现数据自动化传输、管理和分析处理。GNSS用于变形监测虽具有突出的优点，所以GNSS技术在安全监测方面一定会有广阔的应用前景。4.2 GNSS自动化监测系统发展GNSS（全球卫星定位系统）自八十年代中期投入民用后，已广

10、泛地在导航、定位等各领域应用，尤其在测量界的控制测量中起了划时代的作用。正因为是它在相对定位中的高精度、高效益、全天候、不需通视等优点，使人们普遍采用其来代替常规的三角、三边、边角等方法，并在理论、实践中取得了可喜的成果。在精密工程变形监测中也逐步得到广泛的应用。随着社会经济和科学技术的快速发展，为了更有效保障国家财产与人生安全，利用传统的变形监测手段越来越不能满足变形监测要求，这就迫切需要性能更可靠的设备来监测大桥的形变。目前，随着GNSS技术的不断成熟，GNSS自动化监测系统已经在桥梁、滑坡、建筑、地震、大坝等行业中应用并取得很好的效益。GNSS自动化监测系统仪器以其卓越的性能受到专家的好

11、评。从国外的有关研究和应用可以看出GNSS是一个非常有效的GNSS监测技术，GNSS与其它传感器结合用于滑坡监测已形成了趋势。目前GNSS在滑坡中的最高精度在毫米级。而司南GNSS监测系统已经做到数据自动传输、自动解算处理、准实时测量结果和测量结果图形演示，自动预警报警。4.3 自动化监测的优点自动化监测系统允许以任意间隔采样-典型间隔可以是按秒、分钟、小时或者按天。测试精度得以提高，数据可以远程处理，从而向项目组提供有用信息。当然，还有其它益处包括：1) 避免人工读数和记录引起的人为误差。2) 可以实现远程以与恶劣天气条件下采集数据。3) 每天可进行7*24小时连续监测。4) 连续监测能快速

12、检测到临界变化，能在事态恶化之前采取处理措施。5) 自动化监测系统可以按程序步骤监测限定阀值、变化速率，从而能在超出预定极限值时自动报警。很多工程师认为自动化监测是“黑箱”，可见的查验以与宝贵的经验都被冷冰冰的电路板和继电器将所存在的问题通过警报而取代了。事实上，自动化连续监测所获得的数据能向工程师提供被监测结构很多肉眼不易察觉的新的特征信息。它们拓展了工程师的视野，对结构响应有深入的理解。不仅如此，应用自动化监测系统，结合先进分析工具，工程师能享受到这些廉价的新技术优势，而不用牺牲滑坡区的安全。4.4司南变形监测应用实例4.4.1露天矿边坡-华能伊敏河露天矿边坡自动化监测华能伊敏露天煤矿为五

13、大露天矿之一，位于呼伦贝尔市鄂温克旗境，为华能集团全资拥有企业，隶属华能呼伦贝尔能源开发。 露天矿东端帮建设GNSS(GPS+BDS)监测系统，在地表以与边坡安装位移监测点9台。系统采用太阳能供电，利用无线通讯方式将数据实时传送回监测办公室。监测人员利用实时数据来分析边坡稳定性以与应对措施，以便为安全生产提供保障。4.4.2、水电站高边坡-长河坝泄洪洞边坡监测系统长河坝水电站位于省甘孜藏族自治州县境，为大渡河干流水电梯级开发的第10级电站，工程区地处大渡河上游金汤河口以下约4km7km河段上，坝址上距丹巴县城82km ，下距沪定县城49km。长河坝水电站为大渡河梯级开发的骨干电站，由大唐国际发

14、电股份投资开发的一等大(1)型水电工程，长河坝水电站枢纽建筑物主要由砾石土心墙坝、泄洪系统、引水发电系统组成,电站装机容量2600MW，近期多年平均发电量约108.0亿KW.h，枯水期平均出力约376MW，远景可达110.4亿KW.h和638MW。电站水库正常蓄水位1690m，正常蓄水位下库容为10.4亿立方米，其中死库容为6.2亿立方米，为季调节水库。项目总投资2320948万元。安全监测系统布设在长河坝水电站的泄洪、放空洞进口，共38个监测点，采用GPS+北斗的监测方式，实时监测边坡稳定性情况。利用风光互补的方式进行供电，通过无线网络实时传送到监测办公室服务器，通过解算软件以与分析软件，监

15、测人员可实时了解分析边坡的稳定性，以便做出对应方案。为水电站安全生产保驾护航。4.4.3、高速公路边坡宁武高速（政和段）边坡自动化监测系统宁武高速公路，全称至武夷山高速公路，起于海线福宁高速公路湾坞枢纽互通，经福安、周宁、政和、建阳、武夷山，终于，全长301.39公里，采用80公里/小时高速公路标准建设；宁武高速公路是规划的国家高速公路“二纵”至线的第四条联络线，起于市，终于。其中政和段，位移武夷山政和县，处于山区，形成多处高速边坡。宁武高速（政和段）边坡自动化监测系统共布设GNSS监测点3个，依照边坡地质情况，分布在边坡上。数据通过高速光纤通讯系统，实时传送回监测办公室，工作人员可实时掌握边

16、坡稳定性，并与其他图像传感器等对照，保障高速公路的交通安全。4.4.4、土石坝体-中国黄金集团峪耳崖金矿尾矿库坝体位移监测系统中金黄金股份峪耳崖金矿，位于省市宽城满族自治县境。矿区北距市127公里；南距市152公里；目前正在兴建的-出海公路经由该矿，交通十分便利。1997年，峪耳崖金矿产金突破了32000两大关，昂首迈进“吨金矿”行列。建矿以来，共生产黄金45万两，创造利润1.5亿元，成为具有国先进水平的国家重点黄金企业。该矿先后获得国家级黄金工业发展做出突出贡献的先进集体、省级先进企业、省学邯钢先进企业、省工业污染治理达标企业、市优秀企业、市质量管理先进单位等荣誉称号。2000年6月，峪耳崖

17、金矿经改制进入中金黄金股份，2009年，改制成立峪耳崖黄金矿业#公司，从此步入了全新的发展轨道。4.5 某滑坡GNSS自动化监测预警系统的介绍GNSS自动化监测预警系统，主要应用现代化的传感技术、GNSS、计算机技术、现代网络通讯通信技术对在不同的天气或环境下准实时反映滑坡区域变形情况，根据对实时位移数据的实时分析，对分析后适当的数据存储、分类、提取、统计等处理，为中心站日常管理提供各类报表、图形，为边坡预警分析提供决策依据和参考以达到在最短的时间通过短消息、或者声响预警、报警的功效，如下面示意图：系统功能示意图另外，本系统还可实现预警站点分布图、预警站点基本情况的计算机的初级显示等功能。4.

18、6某滑坡GNSS自动化监测预警系统原理和方法本系统采用成熟的INTERNET技术、司南高精度GNSS准动态算法等技术。变形监测网络中的每个GNSS接收机都同时输出GNSS的原始数据,其中包含了GNSS解算的所有必要的载波相位数据、星历等数据。通过无线网桥无线网桥与GPRS传输相比不需要借助于第三方服务商、一次性投入、传输稳定等优点，所以本系统首选无线网桥的通讯方式。或者GPRS/CDMA无线网络传到控制中心。控制中心根据每台GNSS接收机对应的IP地址和端口号，获得每个监测点的原始实时数据流;或者，软件通过远程的端口映射，直接从监测单元的端口获得GNSS的原始数据流。在控制中心服务器上，CDM

19、onitor监测软件准实时解算出各监测点的三维坐标。4.7某滑坡GNSS自动化监测预警系统组成数据处理中心建设在大坝控制中心，办公室有总控计算机、数据处理工作站、打印机等硬件设备，而在总控计算机上安装司南CDMonitor软件CDMonitor软件由数据管理模块、原始数据处理、数据分析、数据库信息管理四个模块组成。本监测区在监测区附件周边地质条件好处建立1个基准点，在滑坡区建立9个GNSS监测点，在每个监测点（包括参考站）设置结构牢固的观测墩，观测墩上有强制对中器，固定安装GNSS接收机，将接收机天线用强制对中基座对中固定安装在观测墩上。控制中心配备一台高性能服务器，用于数据分析和图形处理，以

20、与终端服务。结合CDMonitor软件和其他专业的数据处理软件，实时对数据分析和图形处理。4.8 某滑坡GNSS自动化监测预警系统技术的先进性1. 采用我国北斗二代卫星+美国GPS卫星双星双系统进行定位，进一步保障和提高了整个系统监测的安全性和稳定性，而且更适合山谷中的滑坡体监测。由于BD2和GPS工作原理一致，因此BD2+GPS方案较单GPS方案具有以下优势：1) 可认为选择接收机所跟踪的同步卫星作为参考卫星，从而降低了软件解算时更换参考卫星带来的误差；2) 增多了可跟踪卫星数，弥补了高轨道卫星数据少的问题，同时可利用BD2三频技术，增加多余观测，从而较大程度的提高监测解算精度；3) 增多了

21、可跟踪卫星数，使卫星分布更合理，降低了DOP值，提高了监测解算精度，特别是所能跟踪GPS卫星少时显得更为重要。4) 增多了可跟踪卫星数，使得在山区、大桥等高遮挡区域长时间、稳定、可靠的采用GNSS监测成为可能。不同遮挡条件下单GPS和BD2/GPS系统全天候正常工作时间对比表（地区，高度角15，2012年5月）卫星系统遮挡20遮挡30遮挡40GPS956110BD2+GPS10099952. GNSS接收机与其配套设备，要求包括从数据采集、集中传输、解算处理、显示和记录与避雷和防盗等安全保护设施的全部设备，实现将监控数据传输到监控中心并显示；3. 监测系统无人值守，有人照看、自动运行，年运行可

22、靠率99%以上，系统可满足724小时长时间可靠运行，连续无故障运行时间超过10万小时。在没有太阳的情况下，监测系统设备可依靠备用电源连续工作7天以上；4. GNSS硬件具有良好的物理性能和工作性能，适合长时间连续工作，GNSS接收机天线为测量型天线；5. 本系统可采用无线网桥通讯，数据传输到控制中心准实时处理；6. 准实时显示和分析形变量，可间断性评估滑坡体的健康状况；7. 数据实时输出；8. 控制中心软件自动解算，最短反应时间可为几分钟到几小时，并实时进行网平差，自动评估监测结果，而且各参数完全由用户根据不同监测需求自行设置。9. 设定日常信道报警系统，Web发布以与可通过短消息或方式报警，

23、无论您在何时何地都可以掌握滑坡体的动态；10. 通过实时监测滑坡点的空间位移，确定滑坡区的变形状况、几何线形等；11. 提供高质量的双星四频GNSS测量数据，实时获得毫米级精度的位置数据，精度为水平：小于3mm+1ppm ,垂直：小于5mm+1ppm；12. 自动生成报表，形成报表的周期用户可自行设计，比如一周、一天等，一些必要的输出信息用户也可以自动添加或删除，同时根据需要可自动生成各点的周变化曲线、月变化曲线等。5 某滑坡GNSS自动化监测预警系统方案实施1) 本GNSS自动化监测系统实施主要包括以下几个方面：2) 参考站与监测站选址3) 参考站与监测站观测墩的建设4) 通讯电缆的铺设5)

24、 设备的供电6) 设备避雷7) 数据通讯8) 控制中心的建设5.1 本监测系统设计依据某滑坡GNSS自动化监测预警系统技术设计与工程建造依据相关的国家标准和相关行业标准进行，本设计书中所引用的部分技术规参下表：名称编号批准单位年份全球定位系统测量规CH2001国家测绘局精密工程测量规GB/T 15314-94国家技术监督局1994-12-22全球定位系统城市测量技术规程CJJ 73-97中国建设部1997UNAVCO 基准站建立规国际UNAVCO组织IGS基准站建立规国际IGS委员会混凝土结构设计规GBJ 1089建设部5.2 某滑坡GNSS监测点的布置某滑坡GNSS自动化监测预警系统的监测单

25、元包括参考站和监测站，各站点的具体布置方式根据以下要求：5.2.1 GNSS参考站（1） GNSS参考站选址GNSS参考站选址要求应满足以下要求：n 覆盖并均匀分布整个监测区域，并兼顾参考点距离监测点最近的原则；n 场地稳固，年平均下沉和位移小于2mm；n 视野开阔，视场障碍物的高度不宜超过15；n 远离大功率无线电发射源（如电视台，电台，微波站等），其距离不小于200m，远离高压输电线和微波无线电传送通道，其距离不得小于50m；n 尽量靠近数据传输网络；n 观测墩的高度不低于2米；n 观测标志应远离震动源。 针对某滑坡项目，考虑到项目部距离监测区距离比较近，同时为了控制中心便于管理和维护，我

26、们将GNSS参考站和控制中心建设在项目部的固定基岩上。（2） 参考站基建参考站观测墩示意图1） 观测墩的建设要求在满足以上要求的前提下，其GNSS参考站观测墩的建设应满足以下要求：n 观测墩应浇注安装强制对中标志，并严格整平，墩外壁或部应加装（或预埋）适合线缆进出硬制管道（钢制或塑料），起保护线路作用；n GNSS观测墩采用钢筋混凝土现场浇铸的方法施工。混凝土浇铸过程中的水泥、沙子、石子与其他添加剂的用量以与混凝土施工的要求均按照表一的要求执行；n GNSS观测墩中的钢筋骨架采用直径10mm的螺纹钢筋，使用时须在距两端10cm处，分别向弯成形弯（足筋下端30cm处向外弯成形弯）用料。裹筋采用直

27、径6mm的普通钢筋；n 基座建造时浇灌混凝土至基座深度的一半，充分捣固后放入捆扎好的基座钢筋骨架，在基座中心垂直安置捆扎好的柱石钢筋骨架，将柱石钢筋骨架底部与基座钢筋骨架捆扎一起，浇灌混凝土至基座顶面，充分捣固并使混凝土顶面处于水平状态；n 混凝土浇灌至地面下0.2米时，在观测墩外壁应预埋适合线缆进出的直径不小于25mm的硬质管道（钢制或塑料），供安装电缆保护线路用；n 双星四频天线的保护罩要采用全封闭式（如以下图2），以起到防水、防风等效果，同时天线罩的衰竭率不大于1%；n 可利用观测墩基坑，加筑用于存放太阳能蓄电池的水泥槽。观测墩设计图强制对中标志2） 灌制混凝土标石所用材料应符合以下要求

28、n 采用的水泥标号应不低于425。制作不受冻融影响的混凝土标石，应优先采用矿渣和火山灰质水泥，不得使用粉煤灰水泥。制作受冻融影响的混凝土标石，宜使用普通硅酸盐水泥。在制作受盐碱、海水或工业污水侵蚀地区的标石时，须使用抗硫酸盐水泥。在沙漠、戈壁等干燥环境中的标石，不得使用火山灰质水泥；n 石子采用级配合格的540mm的天然卵石或坚硬碎石，不宜采用同一尺寸的石子；n 沙子采用0.153mm粒径的中砂，含泥量不得超过3%；n 水须采用清洁的淡水，硫酸盐含量不得超过1%；n 外加剂可根据施工环境选用，如早强剂、减水剂、引气剂等，其质量应符合相应规定，不得使用含氯盐的外加剂。材料种类配粒直径（mm）水水

29、泥砂石配合比例重量，kg重量，kg重量，kg重量，kg（体积，m3）（体积，m3）（体积，m3）（体积，m3）碎石54018030060012260.6：1：2.2：4.09（0.18）（0.30）（0.44）（0.82）0.6：1：1.47：2.73卵石54017028567212480.6：1：2.36：4.38（0.17）（0.28）（0.45）（0.83）0.6：1：1.61：2.96每立方米混凝土制作材料用量表注：n 表中配合比适用中砂，当采用细砂或粗砂时，水和水泥用量相应增加或减少17kg和10 kg；n 当采用540 mm粒径的碎石或卵石，应将水和水泥用量各增加10%，砂、石用量

30、不变；n 调制混凝土，须先将砂、石洗净。浇灌标石时，须逐层充分捣固；n 气温在0以下时，必须加入防冻剂，拆模时间不得少于24h，否则不准施工；n 拆模时间可根据气温和外加剂性能决定，一般条件下，平均气温在0以上时，拆模时间不得少于12h。（3） 仪器设备的选择根据本项目的实际情况并参照全球定位导航系统连续运行参考站网建设规，本GNSS自动化监测系统选用司南X300C双星四频监测专用接收机和AT300扼流圈天线，它是分体式设计，具体技术参数请参考“设备选型”。（4） 设备安装参考站设备安装图对于本监测系统而言，我们在某滑坡建设1个参考站，5.2.2 GNSS监测站针对某滑坡滑坡体的具体情况，在边

31、坡存在安全隐患的几个方位分别布置几条监测断面，然后各条断面上根据实际情况设置监测点。在各监测点上安置接收机，各接收机观测的数据无线的方式实时传输到控制中心，控制中心软件准实时解算出各监测点的三维坐标并保存到数据库，最终通过数据分析软件自动分析各监测点的变化量、变化趋势，并结合其它监测设备对排土场整体的稳定性进行分析。某滑坡滑坡体GNSS监测站和参考站一样，也包括监测站选址、监测站基建、仪器设备的选择与设备安装四个部分：（1） 监测站站址选择根据各滑坡体监测区域的实际情况，如地质条件等与参照GNSS测量规，具体布置如上图。（2） 监测站观测墩基建根据某滑坡滑坡体监测区域的实际情况与监测点所监测的

32、容，本GNSS自动化监测系统监测站多为普通土层观测墩或者基岩观测墩，为了安全期间，各观测墩建设为1.8米以上为宜。1) 基岩观测墩对于基岩观测墩，在基岩坚固结构的基础上打入钢筋支架浇筑混凝土。基岩观测墩2) 土层观测墩对于土层观测墩，埋入地表深度不小于1m，采用基座和立柱的钢筋混凝土结构。土层观测墩注：所有监测站的水泥观测墩的建设标准按照参考基站的建设要求。（1） 仪器设备的选择根据本项目的实际情况与所要达到的技术指标，并参照全球定位导航系统测量规，本GNSS自动化监测系统选用司南M300C北斗二代+GPS双星四频GNSS监测专用接收机和AT300双星四频测量型天线，具体技术参数请参考“设备选

33、型”。（2） 设备安装监测站安装示意图5.3 供电系统系统对于某滑坡GNSS自动化监测预警系统特殊情况，我们采用了太阳能供电的方式：如以下图：我们采用120W的太阳能电池板和200Ah的蓄电池，这样的好处是安全、容易避雷、省工，而且在没有太阳的情况下可以连续工作7天。太阳能电池板固定示意图（1） 太阳能组成太阳能发电系统由太阳能电池组、太阳能控制器、蓄电池（组）组成。输出的电压为12V，直接供给设备使用，各部分的作用为： n 太阳能电池板：太阳能电池板是太阳能发电系统中的核心部分，也是太阳能发电系统中价值最高的部分。其作用是将太阳的辐射能力转换为电能，或送往蓄电池中存储起来，或推动负载工作。太

34、阳能电池板的质量和成本将直接决定整个系统的质量和成本，额定的输出电压为17.4V。本系统采用单晶硅太阳能电池板。n 太阳能控制器：太阳能控制器的作用是控制整个系统的工作状态，并对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用。在温差较大的地方，合格的控制器还应具备温度补偿的功能。其他附加功能如光控开关、时控开关都应当是控制器的可选项。 本系统采用规格为12V/20A的控制器。n 蓄电池：一般为铅酸电池，小微型系统中，也可用镍氢电池、镍镉电池或锂电池。其作用是在有光照时将太阳能电池板所发出的电能储存起来，到需要的时候再释放出来。本系统采用的为铅酸电池，设计容量为100Ah，可以满足阴雨天7天工作时间。（

35、2） 太阳能供电系统的安装放置太阳能电池板，倾斜角度在30-45度之间，面对方向根据现场具体环境调节，通过制作三角形的支架固定在水泥板上或监测点保护房上或者水泥立柱上。蓄电池可埋设在观测墩的附近，埋入地下，防冻并避免日晒雨淋、被盗贼偷盗和外力冲击。根据某滑坡滑坡表达场情况可以将太阳能电池板放在监测点保护房上面或者单独立柱安装，减少人为盗窃或破坏的可能性。5.4 数据通讯单元由于本监测方案的特点是远程控制、远程管理、实时自动化监测、数据双向通讯等特点，所以数据通讯包括两个部分，即控制中心通讯部分和监测单元数据通讯部分,所以我们首选为无线网桥的通讯方式，其次是GPRS，在此项目上由于网络信号较差，

36、在此不作选择。5.4.1 无线网桥通讯方式无线网桥是为使用无线（微波）进行远距离点对点网间互联而设计。它是一种在链路层实现lan互联的存储转发设备，可用于固定数字设备与其他固定数字设备之间的远距离（可达20km）、高速（可达11mbps）无线组网。特别适用于城市中的远距离高以与是否加用双向放大器。在无高大障碍（山峰或建筑）的条件下，一对速组网和野外作业的临时组网。其主要的组网方式有三种： 点对点组网，中继的连接，点对多点。无线通讯示意图5.4.3 本系统相关通讯方式的布设针对本监测系统各参考点与监测点的分布，不论采用那种无线通讯方式，通讯路由必须做如下设计：某滑坡数据通讯示意图5.5 雷电防护

37、5.5.1 雷电的危害性在连续参考站一定要考虑到防雷电措施，雷电所产生的高电压电磁脉冲对没有相应保护措施如：同轴电缆，天线，数据通讯电缆，电源电缆产生强烈的毁坏作用，直接损坏所连接的电子设备，所以必须安装避雷电接地端。电涌是微秒量级的异常大电流脉冲。它可使电子设备受到瞬态过电的破坏。随着半导体器件的集成化程度的提高，元件间距的减小，半导体的厚度的变薄，使得电子设备受到瞬态过电破坏的可能性越来越大。如果一个电涌导致的瞬态过电压超过一个电子设备的承受能力，那么这个设备或者被完全破坏，或者寿命大大缩短。雷电是导致电涌最明显的原因，雷电击中输电线路会导致巨大的经济损失。每一次电力公司切换负载而引起的电

38、涌都缩短各种计算机、通讯设备、仪器仪表和PLC的寿命。5.5.2 直接雷防护在距观测墩33.5米处安装H=7米的普通避雷针，选用16不锈钢制作。支撑杆由两节组成、分别由2寸、1.2寸各三米热镀锌管制作。地网选用4根50505mm热镀锌角钢为垂直地极L=2.5米，以404mm热镀锌扁钢互连，地极埋地深度0.7米。避雷针基座为50050060mm钢筋混凝土，由地网引两根404mm热镀锌扁钢与基座连接，接地电阻小于2。避雷针与天线的距离选择大于3米，是以中等强度的雷电流通过避雷针接地泄流时所产生的感应电磁场到达天线时其强度可衰减到安全值的围之。避雷针高度按照“滚球法”确定，粗略计算即可。预防直接雷示

39、意图某项目避雷针现场示意图接地电阻要求小于10欧姆，如果当地的土壤电阻率较高，降低防直击雷接地装置接地电阻宜采用以下方法：n 采用多支线外引接地装置,外引长度不应大于有效长度；n 接地体埋于较深的低电阻率土壤中；n 采用降阻剂；n 换土。5.5.3感应雷保护n 周边高大建筑物比较多，一般不会有直击雷的危害，只考虑感应雷部分。 GPS天线电缆、通讯射频电缆在接入主机前，必须加装天馈浪涌保护器；n 机柜中的空气开关后端并联一个单项电源避雷器，作为电源部分的避雷；n 架空电力线和其他架空线的防雷措施一定要处理好，因为这是引雷重要途径，其防护措施有地埋和装设避雷地线等；n 电力线进入UPS之前，加装Z

40、GB148A-40电力线电涌防护设备，隔离UPS和电力线。单项电源避雷器感应雷预防不论是电源避雷还是馈线避雷，避雷器必须接地良好，接地电阻不得大于4欧姆，但是二者可以是同一个地。5.6 控制中心机房建设（1） 机房布置与装修的原则n 各类设备需要一定的安装空间、使用空间、维修空间。各类设备又有各工艺环境要求，如温度、湿度、通风、洁净度，各种供电和照明要求等。n 给工作人员创造健康卫生的工作环境。机房应为工作人员创造一个有利于健康、卫生的工作环境。工作人员需要昼夜在机房工作，为有利于他们的健康、有处于他们精力充沛，机房应有良好的通风、温度、采光、空间、色彩等环境。n 有利于提高工作效率。机房设备

41、的布置应有利于操作、管理，有利于各子系统间的技术联接，有利于统一管理和维护。n 符合安全要求。机房的布置和装修应符合防火、安全警卫、应急状态工作等要求。（2） 机房装修的一般规定计算机房的室装修工程施工验收主要包括吊顶、隔断墙、门、窗、墙壁装修、地面、活动地板的施工验收与其他室作业。 室装修作业应符合装饰工程施工与验收规、地面与楼面工程施工与验收规、木结构工程施工与验收规与钢结构工程施工与验收规的有关规定。 在施工时应保证现场、材料和设备的清洁。隐蔽工程（如地板下、吊顶上、假墙、夹层）在封口前必须先除尘、清洁处理，暗处表层应能保持长期不起尘、不起皮和不龟裂。 机房所有管线穿墙处的裁口必须做防尘

42、处理，然后对缝隙必须用密封材料填堵。在裱糊、粘接贴面与进行其他涂复施工时，其环境条件应符合材料说明书的规定。 装修材料应尽量选择无毒、无刺激性的材料，尽量选择难燃、阻燃材料，否则应尽可能涂防火涂料。（3） 监控中心监控中心可配备2-3块显示屏，显示监视区域的实时变化情况，并配备声光报警设备，可设24小时有人值班，监控中心整洁明亮，具有一定的美观要求。监控中心示意图服务器机房5.7 外场机柜室外设备必须统一放在机柜中，主要设备有GNSS接收机、串口服务器等装置，机柜防水密封，具有一定的防盗性。机柜设计采用50cm50cm20cm的不锈钢机箱装置，加防盗锁，放在外场机房里。布设原则：n 按数据传输

43、路径，分别安装天线转换器、GNSS接收机、串口服务器等。n 供电电源一并引入机柜，并且强电弱电隔离布线，整洁美观，便于维护。n 机柜下端预留通线孔，供电源数据线的接入。n 机柜距离地面宜30cm。n 固定螺钉应拧紧，不得产生松动现象。n 外加防护警告装置，避免非工作人员破坏。5.8 存储与处理系统微机应有以下性能：（1） 高的散热技术，更好的稳定性（MTBF 20,000小时），并能支持高达2GHZ主频的CPU,1G存,Windows XP操作系统（2） 数据库平台 （3） 网络平台：具有固定IP地址，带宽至少为2M；（4） 小巧简约的外形设计，节省办公空间，可以随意摆放和移动位置。(5) 服

44、务器上应集成数据采集、传输、解算、分析，客户端等软件，满足整个监控系统的需要。5.9 监测设备防盗措施因为本系统具有自动检测、自动报警的功能，所以本监测系统防盗措施主要通过以下3个方面：1) 建立监测点保护房，放置GNSS主机和天线切换器等；2) 当监测设备被人拿走或关掉，控制中心就会通过短消息或的方式发送没有数据的警告给相关人员；3) 观测蹲与监测点保护房周围设置防护栅栏（如太阳能电池板供电示意图），在栅栏上贴上电力警示标志；4) 各监测点做到无人照管有人照看。所生成的报表注：报表的容可以根据实际需要增加或删除。6 软件系统6.1 应用背景CDMonitor是由司南卫星导航技术基于GNSS全

45、球卫星定位系统并利用现代通讯技术进行的实时与准时GNSS原始数据分析、处理、独立环网平差与数据管理等功能研发的系统软件。这套软件对于人工建筑变形分析比如大型桥梁，水坝，大型人工建筑以与油田沉陷，矿山采空区沉陷，城市地下水漏斗沉陷，火山监测，山体滑坡监测等等具有非常大的现实意义。GNSS（全球卫星定位系统）自八十年代中期投入民用后，已广泛地在导航、定位等各领域应用，尤其在测量界的控制测量中起了划时代的作用。正因为是它在静态相对定位中的高精度、高效益、全天候、不需通视等优点，使人们普遍采用其来代替常规的三角、三边、边角等方法，并在理论、实践中取得了可喜的成果。在精密工程变形监测中也逐步得到广泛的应

46、用。从国外的有关研究和应用可以看出GNSS自动化监测系统已经在桥梁、大型建筑、地震、大坝等行业中应用并取得较好的效益。目前，采用GNSS技术用于桥梁等工程变形监测的手段已经被广泛的应用于世界各地。例如：英国Humber桥的GNSS监测系统、日本明石海峡大桥的GNSS监测系统、虎门大桥GNSS监测系统、青马大桥、汲水门大桥和汀九大桥的GNSS监测系统。曾经是中国缓变性地面沉降较为严重的城市，自1921年发现地面沉降至今已有80余年，开展地面沉降专项勘查与研究至今已有40年。特别是近十余年来，采用GIS（地理信息系统）和GNSS（全球定位系统）技术，对全市监测网络进行了全面更新与调整，并正在建设完

47、善全市地面沉降自动化预警预报系统工程。三峡库区地质灾害监测预警工程是国家在三峡库区实施的一项重大减灾工程，国土资源部将实施这一工程。三峡库区地质灾害监测预警工程于2002年3月正式启动后，三峡库区地质灾害防治工作指挥部在全库区建成包括GNSS监测网、综合立体监测网和遥感监测系统的专业监测工程，建立各类监测网点1447个，配备GNSS接收机46台（套），并在市和省的18个区、县的129处滑坡和库岸监测运行。完成了包括地表位移监测、深部变形监测、滑坡推力监测、滑坡地下水监测和宏观巡查监测在的18个区、县的125处崩塌滑坡库岸综合立体监测网建设。由CDMonitor为核心构成的变形监测网络中的每个G

48、NSS接收机只需要输出GNSS的原始数据和星历，原始数据包含了GNSS解算所有必要的伪距和载波相位数据等，星历指GNSS卫星发播的广播星历。数据通过广域网、局域网络、串口、无线设备等传到控制中心，控制中心的CDMonitor软件根据每台GNSS接收机对应的IP地址和端口号，获得每个监测点的原始实时数据流，CDMonitor软件对这些原始数据进行实时差分解算，得到各个监测站的坐标，并存入数据库或发送给客户端。利用CDMonitor软件能进行724小时不间断观测。而且，与传统的RTK方式相比，CDMonitor具有精度更高，实时性更强的特点。CDMonitor支持各种主流品牌的单多频GNSS接收机

49、混合监控。CDMonitor采用了C/S架构，用户可以进行远程监控。具体的CDMonitor实时差分变形监测软件的工作流程可用以下图表示：CDMonitor工作流程如下图，CDMonitor变形监控软件实现了各个监控站的实时差分定位，并具有图形显示、接收机设置、监控站参数设置、观测数据记录、报警等功能。采用C/S架构的CDMonitor软件方便用户在办公室、监控中心、家中监测系统的健康状况。CDMonitor实时差分变形监控软件支持英文和中文。CDMonitor的开发工具为VC+ 6.0。6.2 CDMonitor数据处理软件6.2.1 CDMonitor功能简介:6.2.1.1 CDMoni

50、tor的功能模块这里用框图来表示CDMonitor的主要功能模块。CDMonitor功能模块6.2.1.2 CDMonitor的基本功能CDMonitor实时差分变形监控软件具有下面的一些基本功能：u 对GNSS原始数据进行724小时实时差分处理，进行变形监测，永不间断；u 根据接收机的原始数据输出率，数据更新率最高可达20Hz；u 可根据系统参数设置，对不同的监测站的实时差分结果进行Kalman滤波，达到不同的动态要求和精度要求；u 可同时处理多个基站和监测站的数据；u 根据多天运行的结果，建立近期的大气延迟（对流层、电离层）模型，提高定位精度和可靠性；u 多基站支持，多基站不但提高了系统的

51、可靠性，而且，根据多基站的观测数据，可以建立电离层模型，提高长距离监测的精度；根据多基站的处理结果，可以实现实时网平差功能，提高点位精度和可靠性；u 原始数据后处理功能；u 输入接口协议：RS232、CAN、TCP/IP；u 输出接口（远程服务）协议：TCP/IP；u 实时显示接收机的信号跟踪状况，如星空图、信噪比、钟差等；u 实时显示基线的变化情况，点位的移动情况等；u 原始数据、解算结果的自动保存功能，可根据用户需求进行设置；u 对监测站、基站接收机的远程设置功能，软件上有各个GNSS接收机的独立监控模块，可以向GNSS接收机发送用户更改参数的命令（如采样间隔、高度截止角等）；u 系统完备

52、性监测功能，可对整个系统的健康状况进行监测；u 每个监控站的监控围可根据用户设置，可从5厘米到5米，相对的，精度可从2mm到1cm（平面），高程4mm到2cm。u 环境参数输入功能。比如，输入监测站周围障碍物的分布情况，在数据处理时，能剔除常规方法不能自动剔出的坏数据，提高定位精度。u 具有防死机功能，一旦某个监测站出现死机现象，软件马上会通过数据信号触发的方式实现接收机自动重启；u 可以调整各个监测站的位置更新率；u 支持网络分布式计算；u 软件实现C/S架构，客户端可以运行在远程；u 提供第三方软件接口，如用COM组件的方式实现，可实现远程查询、管理、报警；另外，CDMonitor软件可用

53、于桥梁、大坝、矿区等的监测，可针对不同的工作环境对用户图形界面进行定制。如针对桥梁监测，CDMonitor的客户端能提供如下功能：u 数据库功能，长期观测的数据能保存在数据库中；u 三维动画；u 整体变形示意图；u 历史数据分析；u 趋势图；u 报警功能，报警项可根据用户要求设定，可通过短信、电子等方式进行报警。u 权限管理：一般用户只能浏览数据，系统管理员才可能对一些参数进行设置。u 数据分析，即对监控点进行频域和时域分析。6.2.1.3 数据记录连接数据库，CDMonitor能够记录用户需要保留的各项信息，根据用户的选择，记录的容如下：GNSS定位数据坐标；精度（水平和垂直）；PDOP值；

54、使用卫星颗数；解类型。卫星数据卫星颗数；每颗卫星的坐标；每颗卫星的信噪比；每颗卫星的仰角；基线解信息基线向量；基线误差（中误差和相对误差）；比率值；协方差阵。系统状态数据软件本身的工作状态；各个机站的工作状态是否正常；网络连接状态。6.2.2 CDMonitor算法的特点（与RTK和传统静态模式比较）集成了RTK功能的CDMonitor软件，除了也能采用RTK方法之外，采用其自身与RTK和传统静态不同的算法后，还具有如下一些特点。1) 算法相比RTK与传统静态方法而言，CDMonitor的算法具有如下特点：u CDMonitor采用采用同时刻（在1微秒之）的GNSS原始观测值进行差分解算；而R

55、TK方法不需要差分改正数和流动站的观测数据保持同步，一般的参考站接收机差分改正数广播更新率为1Hz，因此，一般情况下差分改正数会延迟0.5秒到2秒不等，在特别情况下，流动站能允许1分钟之前的差分改正数参与解算； u CDMonitor可以采用扩展的动态非线性Kalman滤波算法进行差分解算。u CDMonitor的算法对系统的硬件要求较高，通常在高性能计算机，而RTK的算法总是有GNSS接收机生产厂商提供，固化在GNSS接收机部；静态解算需人工干预，一般采用双差固定解得方式。2) 精度CDMonitor直接应用GNSS接收机的原始数据，参考站和流动站的观测数据保持严格的同步，所以，大气层延迟造

56、成的公共误差被最大程度地抵消，CDMonitor还采用滤波方法消除GNSS动态定位数据中的各种随机误差，是输出的定位结果更符合真实的情况，所以CDMonitor根据采用的GNSS接收机和GNSS天线的不同，可以保证毫米级的定位精度，而通常的RTK接收机动态定位精度为厘米级。3) 通讯因为CDMonitor仅要求收到GNSS接收机的原始观测数据，所以，原则上，应要求软件（服务器）与GNSS接收机之间仅要现单向通讯。而通常的RTK方法，要求参考站和流动站之间进行通讯，又要求流动站和数据中心之间进行通讯。以下图是在采用串行端口GNSS接收机进行网络监控的情况下，CDMonitor和RTK方式需要建立

57、的数据通讯链路示意图：RTK方式下的数据通讯图由图可见，RTK方式下，差分改正数和定位结果需要进行多次传输，上图中，一个监测点的差分数据发送到数据中心，需要进行3次串口数据传输，两次网络数据传输。CDMonitor数据传输图由图可见，在CDMonitor方式下，流动站的原始数据仅需要一次串口数据通讯和一次网络数据通讯，就可以到达数据中心，参考站可以直接与数据中心服务器相连。4) 系统可靠性RTK通常应用于测量、高精度导航等，对于RTK接收机而言，如GNSS信号发生失锁那么接收机需要重新初始化，求解整周模糊度，从而造成短时间隔不能正常输出厘米级定位解。传统的静态数据处理需要人工干预解算、网平差，

58、同时需要在每一个点上分时段长时间观测，如果监测点是处于移动状态则不能解算出有效的结果。而CDMonitor专为变形监测而设计，适用于桥梁、大坝、矿区、滑坡等的变形监测，软件能长时间持续可靠工作，诸如RTK经常需要重新初始化、静态解算需要人工干预不能监测运动物体、时效性差等缺点在CDMonitor里并不存在。CDMonitor软件运行在数据中心的计算机上，整个计算功能可以设计成冗余模式，增加系统的可靠性，而RTK方法不能实现类似的功能。通过上面的介绍，我们可以对CDMonitor软件的各项性能和特点有了一个粗略的了解，其中，特别是CDMonitor对数据通讯的要求较低；同样的数据，CDMonit

59、or可以获得更高的精度；CDMonitor可以实现比RTK方法和传统静态方式更高的可靠性。软件将原来在接收机进行解算的工作移植到性能更高、速度更快、更稳定的计算机上来进行。系统中所有的GNSS原始数据都通过网络（有线/无线）传回到控制中心的计算机上，软件对所有数据进行同步的、实时的解算。同时，所有的GNSS接收机设置也都通过控制中心的计算机来执行，完全实现无人值守与远程控制。CDMonitor 系统为科学家，工程师，灾害监测人员提供实时的、极有价值的人工建筑或自然灾害预警信息。这套系统不用操作人员费时进行数据后处理、分析结果等工作，实时显示变形量，大大延长了预警时间减少自然灾害对生命、财产的损

60、失。而应用CDMonitor系统，可以采用无人值守的方法远程管理几十个监测点。通过设定的临界值，管理者可以通过图形显示得到实时的告警，为决策者提供与时准确的灾害预警信息，避免重大生命、财产损失。5) 结论通过上面的介绍，我们可以对CDMonitor软件的各项性能和特点有了一个粗略的了解，其中，特别是CDMonitor对数据通讯的要求较低；同样的数据，CDMonitor可以获得更高的精度；CDMonitor可以实现比RTK方法更高的可靠性。注：采用CDMonitor软件是完全自动解算，而静态后处理需要人工干预。6.2.3 CDMonitor的软件界面介绍正常情况下，CDMonitor是在服务器端

61、进行复杂的计算的，用户不需要去浏览这些窗口。但在系统安装阶段或者系统出现故障时，这些窗口提供的信息能帮助我们迅速地解决问题。6.2.3.1 数据监控窗口通过接收机数据监控窗口可以观察串口和网络来的数据的格式、数据的更新率、数据包的大小等，管理员通过这些信息可以快速地判断系统的通讯是否正常。6.2.3.2 接收机监控窗口通过每秒更新一次的接收机监控窗口，管理员能知道接收机跟踪的卫星数量、接收机的钟差、卫星的载噪比等接收机的关键信息，以确定接收机的工作状况、信号质量等。6.2.3.3 监测站变形曲线窗口下面是某监测点的变形曲线。CDMonitor能精确地反映监测体的变形情况。6.2.3.4 基线窗

62、口通过基线窗口，管理员能够快速地知道软件的解算状态。6.2.3.5 日志CDMonitor能够自动记录数天来的系统工作状况，供管理员进行分析处理。6.2.4 CDMonitor的系统结构6.2.4.1 系统结构典型的CDMonitor监测系统由三部分组成：监测单元、数据传输和控制单元、数据处理分析与管理单元。这三部分形成一个有机的整体，监测单元跟踪GNSS卫星并实时采集数据，数据通过通讯网络传输至控制中心，控制中心相关的CDMonitor软件对数据处理并分析，实时滑坡体的形变。监测单元一个参考站（R1）和八个监测站(M1,M2,M8)组成。其中参考站根据实际情况，确定其具体位置；八个监测站根据实际情况，确定其具体位置。数据传输采用先进的无线高频网桥传输方式，一方