基于北斗系统的大桥自动化实时在线变形监测方系统案.doc

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1、基于北斗系统的大桥基于北斗系统的大桥 自动化安全实时在线自动化安全实时在线 监测系统监测系统 广州中海达定位技术有限公司 2 公司介绍2 公司资质6 1. 大桥健康监测系统简介.12 2. 系统方案.13 2.1 坐标系统13 2.2 系统结构.14 2.3 硬件配置及设备选型16 2.5 软件系统22 2.5.1 数据传输与数据采集系统（GPSDTUCENTER）.23 2.5.2 数据处理部分（ZNETMONITER）.25 2.5.3 ZNetMoniter 系统基本功能.28 2.5.6 监测数据分发系统（ZWEBMONITER）31 2.5.7 系统特点32 3 传统监测和自动化监测

2、对比.33 4 技术先进性.34 5 北斗/GPS 公路桥梁无人值守监测及预警系统设备 .35 6 野外设备供电设计方案.44 7 桥监测站点的布设.47 8 成功项目案例.53 3 公司介绍公司介绍 广州中海达定位技术有限公司（以下简称中海达定位）是广 州中海达卫星导航技术股份有限公司（股票代码：300177）全资子 公司。 中海达现有员工近 1500 人，其中博士后、硕士、高级工程师等 研发、技术精英近 150 名，均为长期致力于 GNSS 技术研发、生产、 市场服务的行业专家及参与了 GNSS 国产化发展全过程的顶尖人才。 中海达总部位于广州，拥有自有产权甲级写字楼 3000 平方米，拥

3、有 一流专业级 GNSS 仿真环境实验室、技术研发中心、国内一流的 GNSS 制造车间，为客户源源不断地提供出类拔萃的产品。 公司致力于 GNSS 技术的深层次研发，提供全球定位系统及相 关行业完整高效的系统解决方案，提供全面、快捷、周到的技术支 持和服务。 “积极响应，快速行动，首问负责、跟踪落实、彻底解决” 是我们的服务理念 中海达产品涵盖：高精度测量型 GNSS 产品系 列；超声波数字化测深仪系列；GIS 数据采集系统；海洋工程应用 集成系统。是国内 GNSS 行业唯一能提供全面解决方案，根据用户 需求量身定制系统解决方案的的实力厂家。 中海达测绘通过 ISO9000 质量管理体系认证，

4、获国家技术监督 局颁发计量器具制造许可证，工业品生产许可证，荣获军事装备定 点生产制造认证，积累了大量的自主知识产权， 以技术创新，高效 服务，科学管理引领中国 GNSS 产业发展。 中海达定位主要承担着利用集团产品进行新的行业应用拓展的 4 使命和任务，目前已在全国建立起完善的渠道和销售服务体系，依 托分支机构和合作伙伴，共同为客户提供服务。 中海达定位主营“中海达”品牌的系统工程业务，率先在行业推 出“安全卫士”系列在线监测系统，广泛应用在尾矿库、水库大坝、 滑坡、矿山高边坡、桥梁、深基坑边坡监测，精密机械控制等，为 用户提供最完善的系统服务，为工程安全和科学决策提供技术支撑。 中海达定位

5、将中海达独有的 GNSS 技术和产品优势率先引入工 程应用领域，领先国内同行。凭借成熟的 GNSS 技术以及强大的团 队实力、工程设计、工程实施、人员培训和后期支持等，形成全方 位的专业技术与工程应用综合解决方案。 公司定位于高精度测量型 GNSS 研发、生产、销售；GNSS 高 精度形变监测预警系统；三维激光扫描系统。公司主要实力展现如 下： 1、中海达作为中国 GNSS 行业的军企业，建立了中国最专业、 最大的 GNSS 技术研发中心，拥有 200 多人的专业化研发团队，致 力于专业 GNSS/GIS 核心技术的研究，并建立了博士后科研工作站。 博士后科研工作站博士后科研工作站 5 2、中

6、海达建设了国际一流 GNSS 产品生产线，标准的 5S 车间 管理，按照 GB/T19001 和 GJB9001A 标准进行质量管理，成为海军 军事装备承制单位。 中海达质量体系和为海军某部组织的统一培训中海达质量体系和为海军某部组织的统一培训 中海达中海达 V8 RTK 产品以卓越的性能在南极科考中应用产品以卓越的性能在南极科考中应用 3、中海达专注 GNSS 核心技术的深入研发，在 RTK GPS、GIS 数据采集器、CORS 系统、数字化测深仪等领域创造了多项中国第 一，以技术创新作为企业发展的持续动力，以技术创新引领中国 GNSS 技术的发展潮流。 6 中海达先进技术成果中海达先进技术

7、成果 4、中海达立足中国，以“成为国际一流的 GNSS 品牌”为目标， 逐渐竞逐国际市场，并取得了很好的销售业绩。如今，在美洲、欧 洲、非洲、澳洲以及东南亚地区都可见到 Hi-Target(中海达英文品牌)的 广泛应用身影。 中海达产品遍布全球中海达产品遍布全球 5、作为中国 GNSS 行业的知名品牌，中海达以全面实现高精度 GNSS 产品技术的国产化为己任，得到了行业领导和专家大力支持 和关怀。 7 中海达受到业内专家高度重视中海达受到业内专家高度重视 公司资质公司资质 桥梁变形监测软件 8 1. 大桥健康监测系统简介大桥健康监测系统简介 该健康监测系统旨在通过利用现代传感器、信号采集与处理

8、、 通信、远程控制、计算机技术、桥梁结构计算分析等技术为大桥管 9 养者实时监测并掌控大桥的安全使用状态，避免大桥灾难性事故的 发生，指导预防式维修管理。 根据上述需求，中海达公司采用公司自主知识产权 GPS 变形监 测系统软件（ZNetMonitor）平台及硬件传感器（中海达双频 GPS 接收机 Vnet6） ，基于 ADSL/光纤通讯，提供大桥运营期健康监测系 统之 GPS 变形监测子系统解决方案。 2. 系统系统方案方案 桥体在运行期间都会受到行车荷载、风力、温度以及突发的自 然灾害等外界因素的影响，也会受到混凝土收缩徐变、混凝土老化、 混凝土碳化、钢筋松弛、钢筋锈蚀、斜拉索锈蚀、墩台基

9、础沉降等 10 内在因素的影响。在内外因素的影响之下， 大跨度斜拉桥将产生几 何变化、内力变化和索力变化等各种效应。如果这些变化过大，超 过了桥梁能够承受的安全范围， 将会产生灾难性的后果。为此，本 方案将采用 GPS 技术，对桥梁进行连续观测。 根据我国的公路养护技术规范(J TJ 073296) 中的有关规定 和要求，以及大跨度桥梁塔柱高、跨度大和主跨段为柔性梁的特点， 变形监测的包括桥梁墩台沉降观测、桥面线形与挠度观测、主梁横 向水平位移观测、高塔柱摆动观测。 2.1 坐标系统坐标系统 GPS 解算出来的坐标是基于 WGS84 坐标系统的,而对桥梁特性 的分析主要基于桥梁纵向、横向及竖向

10、,所以要建立分别平行桥梁 3 轴线的桥梁坐标系统。另外根据用户要求，监测软件可将监测结果 转换为自定义的本地坐标系统，坐标转换过程为: WGS84 空间直角坐标( X Y Z) 转换到 WGS84 大地坐标( BL H) 以 WGS84 椭球为基准采用恰当的中央子午线将大地经纬度高 斯投影为平面格网坐标,保持椭球高不变,从而形成平面格网坐标加椭 球高的东北天坐标系 平面格网坐标逆时针旋转一个角度使之平行于桥梁纵轴和横轴, 保持椭球高不变,从而形成了平行于桥梁 3 个轴线的桥梁坐标系或本 地坐标系。 11 2.2 系统结构系统结构 中海达 GPS 监测系统整体结构简单、层次清晰、功能明确，系 统

11、由：数据采集系统、数据传输系统、数据处理系统、监 测预警系统、综合管理系统等五大系统组成，其中综合管理系统 是服务器软件管理中心，数据处理系统是 GNSS 数据解算中心、监 测预警系统是监测数据分析中心，也是中海达高精度变形监测预警 系统的核心。整个系统的结构与功能如下图所示： 综合管理系统可有效进行用户管理、数据管理、系统运 行管理，确保系 统安全和数据安全，可方便进行参数设置、状态本地/远程浏览、 数据本地/远程下载以及数据共享等。 数据采集系统中海达采集系统关键设备采用高精度进口 主板，确保数据 采集精确。数据采集系统一般由基准站、监测站以及包括野外 12 电源和防雷系统组成的保障支持系

12、统组成。 数据传输系统中海达数据传输系统可采用 RS232、专线 有线或无线 Modem、TCP/IP、UCP、GPRS 无线和 CDMA 无线通 信、UHF 无线电台等方式，组建传输网络方便灵活。系统不仅支持 野外就地拖拽式数据下载，还能实现远程实时数据流传输和文件包 下载。 数据处理系统中海达数据处理系统可进行长时间连续实 时数据处理，解算采用先进的卡尔曼滤波集成单历元整数解算法， 轻松达到毫米级定位精度，确保系统运行的稳定性和数据的可靠性。 监测分析预警系统中海达监测分析预警系统的数据分析 处理能力非常强大，分析角度多、手段丰富，能计算三维位移分量 及各向变形速率，自动生成变形历时曲线、

13、变形分布图和多因素相 关图；能根据实地地形数据生成三维仿真图，并生成变形场等高图 或渐变色谱图以及变形场任意剖面图；能综合其他监测数据进行初 步分析与简单评价；能根据预设警界值进行风险断别，实时以短信、 声音或屏显等形式进行多渠道状态信息发布，异常状态条件下还能 适时多渠道多形式进行预警信息播报（发布渠道包括运行技术人员、 单位领导、上级管理部门信息中心等，形式包括短信、语音电话、 警报声音、大屏幕显示等） 。 中海达 GPS 外部变形监测系统数据采集与数据传输的典型工作 模式如下所示： 13 根据实际条件与需要，系统供电也可配置成其它方式（如市电） ， 数据传输则 还可采用有线直连、无线电台

14、、GPRS、无线网桥等方式。 2.3 硬件配置及设备选型硬件配置及设备选型 2.4.1 GPS 接收机接收机 推荐选用中海达 VNet6 型专业 GPS 接收机，其面板和背板如 下图所示： 14 技术参数：技术参数： 应用范围 双频双星 GNSS 接收机，可配置高精度扼流圈 ZYAGB-BS035，或者高性价比 AT-2200 天线。 适合桥梁和高层建筑 物等震动监测、混凝土坝等高精度监测应用领域， 支持一机多天线监测。 最高输出频率 50HZ 跟踪通道 220 通道 GPS L1 C/A 码, L2C, L1/L2/L5 15 GLONASS L1 C/A 和 P 码, L2 P 码, L1

15、/L2 空基增强系统 WAAS, EGNOS, MSAS,L-Band (Omnistar 定位精度 单历元解算精度： 平面：(2.5mm+1x10-6D)， 高程：(5.0mm+1x10-6D) 单历元解算初始化时间： 小于 10 分钟 动态解算精度 平面：(10mm+1x10-6D)， 高程：(20mm+1x10-6D) 初始化可靠性：一般 大于 99.9% 支持长基线解算 输入/输出 格式 差分电文：CMR, CMR+, RTCM 2.3, RTCM 3.0, RTCM 3.1, RTCA 观测值数据：ZHD, RINEX, BINEX,RANGEA 定位数据/状态信息：NMEA-018

16、3 V2.30 数据资料 记录 内置储存容量：1GB 16 配置 SD 卡容量：4 GB 储存格式：ZHD.RINEX,BINEX 命名选择的文件：多样化 存入数据检索和调动：网络下载 数据管理：支持循环存储 接口 5 个 RS232 端口，支持气象仪，倾斜仪，传感 器 1 个以太网端口 1 个外部时钟接口，支持外部高精度原子钟接入 4 个电源输入口，相互独立 1 个 GSM 天线接口 以太网：RJ45 连接器，支持 HTTP、NTRIP， 支持 10 个同时存在的 TCP/IP 数据流 无线网：支持 GPRS 或 CDMA 接入 蓝牙：支持 2.4GHz 连接 安全 可选择的 HTTP 登录

17、上网, 实时认证, SSL 认证 用户分级访问权限、每次支持 10 个用户同时 登陆 用户界面 5 个 LED 指示，2 个按钮键盘，Web 用户界面 17 电源 7 36 V 的直流电输入 120Ah 的蓄电池可以工作 250 个小时以上。 功率 4W 环境 工作温度：-40 65 存贮温度：-40 80 防水防尘：IP67 重量：1kg 大小：22.5x13.8x7cm 2.4.2 GPS 天线天线 推荐采用型号为AT-2200 型的专业大地测量型双星双频GNSS 天 18 线，能有效降低多路径信号的影响、精确跟踪目前所有的GPS 卫星 发射的信号。 2.4.3 天线连接线天线连接线 采用

18、Syv-50-5-1 型同轴电缆，其射频信号保真高、衰减小，在 不加天线信号放 大器的情况下信号传输 40 米仍可满足 GPS 接收机的正常工作 需要。 2.4.4 电源系统电源系统 电源系统可采用 220V 交流电，也可以用太阳能，也可使用 UPS 等。 2.4.5 通讯系统通讯系统 通讯系统需要根据现场条件采用有线网络或者无线网络，或 GPRS 等通讯设备。 19 2.4.6 其他附件：其他附件： 如连接接头、避雷针、保护箱（罩） 、电缆保护管等，以满足 GPS 系统正常工作需要为基本原则。 2.5 软件系统软件系统 中海达高精度 GPS 形变监测系统是面向 GPS 形变监测综合应 用的专

19、业化综合应用系统，软件系统主要包括三个子系统，包括： 数据传输和采集系统（DTUCenter） 高精度 GPS 形变监测数据处理系统（ZNetMoniter） 基于 Web 的形变数据发布系统（ZWebMoniter） 中海达高精度 GPS 形变监测系统目标明确、结构简单、流程清 晰、功能完备，解决方案因地制宜、具有鲜明的针对性，系统设计 时在确保监测功能及精度性能的前提下，能充分考虑工程的实际条 件并兼顾工程投资的经济性，合理设计系统结构，科学配置系统单 元，最大程度实现系统要求与目标。系统运行稳定、数据可靠，能 准确表达各监测点的运行状态，能对相关数据进行分析并提出初步 风险评价，还能多渠

20、道多形式适时分级发布预警信息，为运行单位 随时随地掌握工程结构安全和决策部门在关键时刻的决策分析提供 了有效可靠的技术支持。 中海达高精度 GPS 形变监测系统技术成熟、应用广阔，本系统 不仅在多个桥梁健康监测项目运行，还成功应用于滑坡地质灾害监 测、矿山边坡变形监测、水库大坝变形监测、堤防渠道变形监测、 20 深基坑及周边影响区变形监测、高层建筑及大型场馆健康监测等领 域。 中海达高精度 GPS 形变监测系统的主要应用领域如下图所示： 2.5.1 数据传输与数据采集系统（数据传输与数据采集系统（GPSDTUCenter） 数据传输部分负责把 GPS 原始观测数据（包括监测站和参考站） 发送至

21、数据处理和分析中心的计算机上，完全实现最高达 50Hz 连 续高速精密数据采集。数据传输的方式可有多种，如：Internet 有线 网或无线、GMS、GPRS 以及通讯电台等。 21 GPRS Modem 现场工作图 对于 GPS 应用，数据采集软件可采用随机配置的软件，但要求 具有实时采集及自动转换成 RINEX 格式数据文件的功能（如 Topcon 公司的 PC-CDU 数据采集软件，如图 2.7 所示，但它仅适用 于 Topcon 系列的接收机） 。为实现对多种接收机设备的兼容和网络 数据传输，我们为监测系统开发了专业的的数据采集软件 GPSDTUCenter，支持通过串口或 Inter

22、net 方式通讯，支持 GPRS/CDMA/3G 等通讯方式，系统主要界面如图所示。 22 GPS 原始数据分析界面 GPS 实时数据采集 2.5.2 数据处理部分数据处理部分（ZNetMoniter） 数据处理部分包括 GPS 数据处理与数据管理。ZNetMoniter 是 23 专门为高精度 GPS 形变监测系统开发的一款基于 Windows 操作系 统的应用软件，该软件采用特殊的算法进行基线解算，同时还具有 可视化、数据管理及分析等功能。ZNetMoniter 软件算法先进，能运 用小波精密分析法对数据进行分析处理，真正实现单历元毫米级高 精度连续解算。 其主界面如图所示。 基于 C/S

23、 结构的 ZNetMoniter 工作界面 24 图 2.10 ZNetMoniter 软件主界面 不同的应用所需求测量频率是不一样的，如处于危险期的滑坡、 汛期的防洪堤、大坝等的监测中，所要求的测量频率将比较高（如 每小时一个测量结果） ；另一方面，长时间的观测数据可以平滑多路 径效应误差，因此 GPS 的测量精度实际与观测时间的长短有关。所 以在实际应用中，必须在测量频率和测量精度取得一个最佳的平衡 点。下面是不同测量频率下 ZNetMoniter 系统测量精度（1 倍中误差， 由多项目案例统计得出） 。 25 表 ZNetMoniter 系统测量精度（1 倍） 观测时间实时30 分钟1

24、小时2 小时 水平方向5mm+1ppm3.5mm+0.5ppm2.5mm+0.5ppm2mm+0.5ppm测量 精度竖直方向10mm+1.5ppm7mm+1ppm5mm+1ppm4mm+1ppm 2.5.3 ZNetMoniter 系统基本功能系统基本功能 （1）ZNetMoniter 包括工程管理、测站管理、数据预处理、基 线解算以及数据管理模块。在连续运行的自动化监测应用中，实时 下载并处理由数据采集软件获得的 GPS 观测数据。经过基线解算后， 可获得每个监测点的位移量，并在结果视图中绘制出监测点的位移 时程曲线图。 （2）能够进行长期、自动化、稳定、不间断运行，能实现最 高 20Hz

25、的实时观测，真正做到无人值守，放心又省心； （3）能进行基线解算、已知点符合归算、坐标计算、精度估算； 能计算三维位移分量及各向变形速率；能自动生成变形历时曲线； 能根据预设警界值进行预警信息或状态信息发布； 26 各监测点历史状态监测 （4）基于具有网络接口的接收机设备，可直接进行具有远程数 据传输、远程状态浏览、远程系统设置以及数据管理、用户管理、 安全管理等功能； 监测点接收机网络管理 （5）能计算三维位移分量及各向变形速率，能自动生成变形历 27 时曲线图、变形分布图、多变量相关图，能根据实地地形数据生成 三维仿真图，并能生成实体变形场等高图或渐变色谱图以及变形场 任意剖面图。 监测点

26、变形场 28 2.5.6 监测数据分发系统（监测数据分发系统（ZWebMoniter） 图 WEB 发布系统主界面 ZWebMoniter 能对变形监测数据进行初步分析与简单评价， 能根据预设警界值和实测值进行判别，能及时进行多渠道（基于文 件、数据库、流数据）多形式（B/S 及 C/S 结构）监测预警信息或 状态信息发布，随时随地掌握运行状态，真正实现远程监控和无人 值守； 系统主要包括： 数据库管理(查询、删除和备份) 形变监测数据多形式存储：基于文件、数据库、流数据 29 形变监测结果数据分发：支持面向 B/S 及 C/S 结构的在线监测 系统建设，真正实现网络化远程监控和无人值守 2.

27、5.7 系统特点系统特点 中海达高精度 GPS 形变监测系统除具有行业通用优势外，还有 着以下几个特点： 数据采集快：完全实现最高达 50Hz 连续高速精密数据采集； 监测精度高：算法先进，能运用小波精密分析法对数据进行 分析处理，真正实现单历元毫米级高精度连续解算； 硬件层次少：系统组成简单、结构清晰、运行稳定、维护方 便； 分析手段多：能计算三维位移分量及各向变形速率，能自动 生成变形历时曲线图、变形分布图、多变量相关图，能根据实地地 形数据生成三维仿真图，并能生成实体变形场等高图或渐变色谱图 以及变形场任意剖面图； 信息发布快：能对变形监测数据进行初步分析与简单评价， 能根据预设警界 值

28、和实测值进行判别，能及时进行多渠道多形式预警信息或状 态信息发布，随时随 地掌握运行状态，真正实现远程监控和无人值守； 应用范围广：中海达高精度变形监测分析预警系统不仅能应 30 用于桥梁健康监测，还能广泛应用于滑坡等地质灾害监测以及高边 坡、高剪力墙、港口、船坞、矿山、水库大坝和江河堤坝、大型场 馆和高层建筑健康监测中。 3 传统监测和自动化监测对比传统监测和自动化监测对比 传统用于位移监测的仪器主要有：全站仪、位移传感器和激光 测试等。而这些传统均存在严重不足之处。 全站仪监测的不足全站仪监测的不足：采用自动扫描法，需要对各个测点进行一 周的连续扫描，而且各测点不同步以及大位移时不可测。

29、位移传感器的不足位移传感器的不足：它是一种接触型传感器，必须与测点相接 触，且对于难以接近的点无法测量，另外对于横向位移测量比较困 难。 激光测试的不足激光测试的不足：在桥梁晃动大时，由于无法捕捉到光点故无 法进行量测，且恶劣天气不可量测。 从上述可以看出，传统的位移监测设备与方法存在种种不足。 而基于卫星导航系统的位移监测技术具有精度高、无人值守、全天 候获取实时数据的优点。相比传统的位移监测技术具有以下优点: 卫星导航高精度位移监测技术 VS 传统位移监测技术 类别类别传统监测技术传统监测技术北斗北斗/GPS 监测技术监测技术 建设成本建设成本成本高成本高成本低，约占传统监测技术成本低，约

30、占传统监测技术 1/10 维护便宜性维护便宜性需专业技术人员，每年定期标定；需专业技术人员，每年定期标定；维护简单，不需定期标定。维护简单，不需定期标定。 位移监测数据质量位移监测数据质量横向位移监测比较困难横向位移监测比较困难水平、高程方向都能达到高精度监测水平、高程方向都能达到高精度监测 31 实时性实时性 一般需要后期处理，受天气条件影响一般需要后期处理，受天气条件影响 大大 实时、自动、信息化实时、自动、信息化 还具有如下主要优点： 观测站之间无须通视，点位选择更加灵活。 操作简便，勿需进行手工重复劳动，可以节省大量人力物力。 定位精度高，定位精度水平为 3mm，高程为 6mm 以内。

31、 响应快速，短基线快速定位，其观测时间仅需数分钟。 全天候作业，真正实现连续实时观测。 可直接提供三维坐标及其绝对或相对变化量，没有变形范围限 制，这是传感器类、声纳类、光波类、影像类、频谱类监测手段不 可比拟的。 自动化程度高，可以完全实现远程控制、远程监测、远程数据 下载与共享，方便实现预警信息发布。 基于卫星导航技术的位移监测理论与方法，是当前逐渐被广泛基于卫星导航技术的位移监测理论与方法，是当前逐渐被广泛 采用的位移监测新方法、新技术之一，也是极为重要的监测手段之采用的位移监测新方法、新技术之一，也是极为重要的监测手段之 一一。如今，卫星导航位移监测技术已广泛应用于地壳运动观测，区 域

32、地面沉降监测，布设各种类型的工程测量控制网，军事上导弹与 智能炸弹的精确制导车辆导航等领域，并取得了一系列成果，在实 践中逐步发展、完善，积累了丰富的经验。 32 4 技术先进性技术先进性 系统的先进性及创新体现在以下几个方面： 先进的北斗先进的北斗/GPS/GPS 高精度位移监测终端设备；高精度位移监测终端设备； 国内领先的基于北斗国内领先的基于北斗/GPS/GPS 多模多频位移信号多路径抑制的新算多模多频位移信号多路径抑制的新算 法，高精度单历元实时在线监测技术和最优差分改正电文生成技术；法，高精度单历元实时在线监测技术和最优差分改正电文生成技术； 国内首个针对高原山区公路桥梁、边坡管理养

33、护需求的实时在国内首个针对高原山区公路桥梁、边坡管理养护需求的实时在 线位移监测系统；线位移监测系统； 国内领先的产品化的位移监测与预警系统，可在国土、电力、国内领先的产品化的位移监测与预警系统，可在国土、电力、 水利等领域进行推广应用；水利等领域进行推广应用； 国内领先的桥梁实时动态及高精度静态兼容监测，支持瞬变和国内领先的桥梁实时动态及高精度静态兼容监测，支持瞬变和 徐变两种模式。徐变两种模式。 基于北斗/GPS 高精度位移监测解算预警系统通过实现以上各个 先进性技术使整个系统真正实现远程无人值守实时监测与预警的能 力。具备多方面的特点：监测指标全面、绝对位置真实、系统稳定 可靠、技术指标

34、优越、预警预报及时、数据采集连续、远程管理便 捷、投资费用节约、硬件层次少、分析手段多、信息发布快、应用 范围广，达到国际领先。 5 北斗北斗/GPS 公路桥梁无人值守监测及预警公路桥梁无人值守监测及预警 系统设备系统设备 北斗/GPS 兼容型的位移监测终端需要满足以下要求： 33 实时性强实时性强：系统的主要工作是对大量的过程状态参数实现实时 监测、数据存储、数据处理、进行实时数据分析等。因此，要求在 硬件上必须有实时时钟和优先级中断信息处理电路。 可靠性高可靠性高：它是采集子系统最重要的一个要求，由于数据采集 系统往往是安装在被控对象的实际工作环境中，所以不仅温度、湿 度变化大，而且灰尘多

35、、腐蚀性强，为了确保控制系统的高可靠性， 要求采集终端有防潮、防尘、防震的能力。硬件采取冗余技术、隔 离屏蔽技术等。在软件设计要可靠、利用容错技术、自诊断技术等， 设置安全保护措施等。 通信链路多样化通信链路多样化：支持多种数据传输链路，包括 GPRS,3G,CDMA 等，通信链路单元可自由选择。 满足满足高原山区野外作业环境的复杂多样性，高原山区野外作业环境的复杂多样性，可靠性、适应性、可靠性、适应性、 标准性、经济性等多项指标标准性、经济性等多项指标。从信息传输的角度来说，其中最基本、 最重要的性能指标有两个：通信的有效性和可靠性。有效性主要是 指信息传输的“速度”问题，而可靠性主要是指信

36、息传输的“质量” 问题。 终端设计框图 北斗/GPS 高精度位移监测设备是一个系统整机，涉及到天线、射频、基带、 控制、显示和接口等众多产品技术，以及完整的产品质量控制体系。为了确保 北斗/GPS 高精度监测设备的顺利完成，拟采用的解决方案如下：采用中海达现 有的 GPS 系列高精度接收机的产品研发、试验、生产和品管等 10 多年的测绘 行业经验，对本项目进行专项管理，并成立一支专业的研发队伍，研发北斗 /GPS 的位移监测设备。 首先，将研究设计北斗/GPS 高精度位移监测设备的关键技术， 34 例如北斗/GPS 高精度监测型天线技术、北斗/GPS 系统融合捕获与 跟踪算法技术、Linux/

37、WinCE 嵌入式系统平台技术和终端整机技术 等。 其次，在综合考虑这些因素的基础上，研究出北斗/GPS 高精度 位移监测设备的系统解决方案，应用这些方案就可以灵活的设计出 北斗/GPS 系统组合的高精度位移位移监测设备。 位移监测终端设计原理框图如下： 位移监测终端原理框图位移监测终端原理框图 终端详细功能指标 （1）功能指标 本项目首先实现高精度的定位功能。具备监测站的功能； 本项目使用分体机做法，即天线和终端分开，通过天线电缆连 接，可自由拆卸； 通信能力较强：可实现 2G/3G 网络接入，RJ45 网口， 35 RS232/485 通信。 实现更宽电压接入，支持 DC9-36V 电压输

38、入。 可扩展性能高，GPRS,CDMA,3G 等模块定制，可扩展为 4G 网 络； 符合高原山区野外标准和相关防护等级要求。特别防腐蚀，粉 尘，防水等方面性能较高，无风扇设计。 （2）技术指标 跟踪通道 192 通道 北斗 B1/B2 GPS L1/L2 定位精度 平面（3.0mm+1x10-6D） 高程（6.0mm+1x10-6D） 初始化时间. . . . . . . . . .小于 30 秒 初始化可靠性 . . . . . . .一般 大于 99.9% 数据更新率 1HZ 通信能力 内置 2G/3G 模块：实现差分数据和远程网络数据传输； RS232/485 通信：支持有线监测数据传输

39、； 供电功耗 宽电压输入：支持 DC9-36V 直流电压输入； 36 主副电源输入：2 个电源接口，主副电源输入； 功耗：4W； 输入输出接口 输入输出接口 通信方式通信方式预留数预留数 量量 功能描述功能描述备注备注 北斗/GPS 天线接口 1 TNC 头 TNC 2/3G 天线接口 1 2/3G 信号 SMA 电源接口 1IP65 LEMO 1B 大 2 芯 RJ45 接口 1 有线网络传输网线接口 串口 RS2321 设置，电源，调 试，小五芯 通 过按钮切换， USB 数据下载 LEMO 1B 大 8 芯，设 置或调试功能共用 3 芯，通过按钮切换； 副电源 2 芯；总共需 要 7 芯

40、。 串口 RS232/4851 传感器输入、数 据传输附加 PPS、事件触发、 引脚 LEMO 1B 大 10 芯， 485 四芯与 232 复用、 CAN 口 2 芯、PPS 一芯、 事件触发 1 芯总共需 要 8 芯。 数据资料记录 内置储存容量. . . . . . . . . . . . .4GB 储存速率. . . . . . . . . . . . . 1 Hz 命名选择的文件. . . . . . . . . . . 多样化 存入数据检索和调动. . . . . . . .远程网络下载 37 安全 可选择的 HTTP 登录上网，实时认证，SSL 认证 （3）物理性能要求）物理性能

41、要求 防潮：符合高原野外安装标准 防腐蚀：符合高原野外安装标准 散热能力：无风扇设计，符合高原野外安装标准 IP 防护等级：IP65，防尘防水 工作环境温度：-4560 度 存储温度：-4585 度 终端外观结构要求终端外观结构要求 产品结构外观总体要求符合高原野外安装标准，符合高原山区 地理环境条件要求，符合高原山区气候环境和无人值守，防盗标准。 在符合上述指标说明的同时，应该注意一下几点： 方便安装、拆卸、接插线和符合走线习惯； 方便运输，拆装，不宜太重； 外观美观度要求无需太高，要易于防盗和保管。 终端硬件详细设计终端硬件详细设计 （1）北斗）北斗/GPS 高精度监测型天线的设计高精度监

42、测型天线的设计 天线单元设计 北斗/GPS 高精度监测型天线采用微带平板天线的形式，通过多 层结构微带天线及无源与有源设计相结合等技术途径实现北斗/GPS 38 的多频接收性能、微带天线阵的高增益和低轮廓特性。 图图 天线俯视图天线俯视图 图图 线侧视剖面图线侧视剖面图 低噪声放大器单元设计 在北斗/GPS 高精度监测型天线中，低噪声放大器单元（LNA） 单元是不可缺少的重要组成部分，对接收机的灵敏度具有决定性的 影响。LNA 位于接收机前端主要部分，用于将天线接收到的微弱卫 星信号低噪声放大。信号经过低噪声放大、滤波处理后送入接收机 处理。LNA 信号通道模块框图如下图所示。为了有效降低噪声

43、系数 以提高系统灵敏度，采用两级级低噪声放大器级联的方式在降低噪 声系数的同时提高了有源电路的增益，减小了后续无源电路对噪声 系数的影响，同时高抑制滤波器可以有效地抑制带外干扰和噪声。 图 LNA 通道组成框图 （2 2）北斗）北斗/GPS/GPS 高精度位移监测芯片方案高精度位移监测芯片方案 39 广州中海达公司与和芯星通科技有限公司共同实施高精度北斗 兼容型模块的研制及产业化的项目，由和芯星通提供芯片，中海达 生产整机，研发用于高精度北斗兼容型接收机，达到产业化的要求。 北斗兼容型芯片主要性能指标： (1)多模多频 支持信号：北斗 B1/B2、 GPS L1/L2 (2) 静态定位精度 水

44、平：3mm+1ppm（RMS） ，垂直：5mm+1ppm（RMS） (3)动态定位精度 水平：1cm+1ppm（RMS） ，垂直：2cm+1ppm（RMS） (4)数据更新率：1-10Hz （3 3）北斗）北斗/GPS/GPS 高精度位移监测设备方案设计高精度位移监测设备方案设计 硬件电路结构功能框图如下所示： 40 图 硬件电路结构功能框图 北斗/GPS 高精度位移监测终端由北斗/GPS 接收模块电路、北 斗/GPS 天线、ARM CPU、FLASH 存储器、接口电路/面板电路、 GPRS 模块电路、电源电路、语音模块电路等组成。 （4 4）位移监测终端一体化和电磁兼容性设计）位移监测终端一

45、体化和电磁兼容性设计 位移监测终端包含北斗/GPS 高精度的难点在于如何处理北斗 /GPS 接收主板和北斗/GPS 接收天线同时使用时的电磁兼容性，而 定位模块中的同频射频辐射信号在天线接近到一定距离时，这种辐 射已经可以导致天线的有用信号被噪声淹没，这样北斗/GPS 接收机 就无法定位或者接收能力下降。经过实验测试，采用定位模块与接 收天线背驮式安装结构，可解决电磁兼容性问题，创造了一种新的 天线集成方式，使得高精度北斗/GPS 接收机一体化、小型化成为可 能。 1)1)嵌入式系统软件详细设计嵌入式系统软件详细设计 41 软件系统体系结构如下图： 图 软件系统体系结构 2)2)产品应用方向产

46、品应用方向 该位移监测终端适合在高原山区公路桥梁、边坡位移监测中广 泛应用，在各类桥梁，边坡，隧道中设计适合的监测点位，将本位 移监测终端固定安装在该点位上即可进行实时，无值守的监测，并 将监测数据实时传输给位移监测远程预警平台进行综合分析和预警。 42 6 野外设备供电设计方案野外设备供电设计方案 1）电源系统实现方式）电源系统实现方式：一般分为交流供电、太阳能和风光互补 系统（太阳能+风能）供电几种； 交流电：交流电：适合公路旁方便走电的地方。 太阳能：太阳能：适合公路边坡偏远，交流电供电难度较高的地方。 风光互补系统风光互补系统：适合公路边坡偏远，交流电供电难度较高的地 方。 设计太阳能

47、系统需要的参数：设计太阳能系统需要的参数： 负载功耗 负载运行时间 无阳光情况下，负载需要保持多久续航时间。 在什么地理位置使用。(地级市) 通过以上基本需求，就可以计算出该系统需要使用多大功率的 太阳能板，多大容量的蓄电池。 2）后备电源供电）后备电源供电：在常规电源无法工作时，选择后备电源供电。 一般分为 UPS 供电和发电机供电两种。 （1）在线式）在线式 UPS：标准型（内置电池）和长效型（外置电池） ， 适合机房和总电后备电源，不推荐在野外使用。在野外受环境温度 影响较大，温度过热过低都将造成不稳定现象，维护难度加大。选 用时，必须根据具体系统功率和 UPS 的直流参数计算电池数量。

48、 （2）UPS 备份电源设计：备份电源设计： UPS 特点特点 43 输入电源宽，频率范围广 安全稳定，稳压电源 可配发电机 负责功率因数 0.8 UPS 原理原理 市电正常的时候，输出端为稳压过后的市电。 市电断开后，切换电池组进行逆变输出交流电压。 标准型和长效型的区别 图 UPS 原理图 UPS 设计选用 根据实际负载总功率，选择合适的 UPS； 不同功率的 UPS 逆变直流电压不同，得配套不同数量的电池组。 （3）UPS 设计方式-ATS 系统发电机备份电源方式 44 图图 3-223-22 发电机备份电源发电机备份电源 优点优点：当市电没电时，自动启动发电机发电，启动切换为发电 机给

49、负载供电，无需人工，可直接带标准型 UPS，无需外带电池组。 缺点：缺点：价格稍高，大功率比较常见，5KW 以上，发电机发动产 生噪音。 3 3）电源系统架线注意事项：）电源系统架线注意事项： 使用标准室外电缆，主干电缆不小于 4 平方铜线或者铜包铝线； 分支接口处做好防水防潮处理，电缆对接按照正规水电，电力 接线方法，电源线隐患将在今后浮现。 建议：架杆走线，光纤电缆等，在当地能找到电力或者电信部 门底下的施工队，包工包料实施最好。 电缆架空时，挂钩使用正规挂钩，严禁使用细铁丝捆扎。 建议工程部或者技术部对施工工艺说明进行完善，整理出一套 正规的施工图纸。 45 7 桥监测站点的布设桥监测站点的布设 监测站点的位置：简支梁桥是最为常见的桥梁之一，其力学 结构相对简单，布设控制点的过程中需要结合桥下地质地形及交通 情况，将监测点布置在安全隐患相对突出的桥跨，设于桥面不易损 坏的边缘位置，如下图所示。 图 简支桥监测点布点示意图 简支桥典型应用桥梁： 46 图 昆明会阿线上的南盘江特大桥 图 楚雄