南方变形监测系统SMOS解决专业方案.doc

南方测绘变形监测系统（SMOS）
处理方案

一、 引言
变形监测是为了监视变形体点位移动情况而进行长久、反复测量工作，其关键在于提取变形敏感部位和各观察周期变形点形变信息，并对提取变形信息进行分析、解释，根据一定数学模型进行合理估计及预警。
GPS测量技术用于生产作业，其作业模式从静态测量，快速静态测量，后处理高精度动态测量，发展到动态初始化（OTF）厘米级实时RTK测量作业。现在厘米级实时RTK技术以其高效、可靠和适用性强等很多优点已被用户所接收，并广泛应用于多种测绘生产作业中。RTK技术优势关键表现在以下几点：野外可实时取得最终坐标，野外质量控制，室内工作量少，野外生产效率高，精度（1-2cm），用途广，如：放样，公路施工，机械引导等等。
在科学技术飞速发展今天，GPS卫星定位和导航技术和现代通信技术、计算机技术相结合，在空间定位技术方面引发了革命性改变，大大拓宽了它应用范围。而在变形监测领域，在过去很长一段时间里使用常规光学和电子测量仪器进行监测方法占据着主导地位。由和GPS 测量含有高精度三维定位能力，和传统方法相比较，应用GPS不仅含有精度高、速度快、操作简便等优点，而且利用GPS卫星定位和导航技术、现代通讯技术、计算机技术及数据处理和分析技术进行集成，可实现对变形体进行全自动化、实时监测。
南方测绘多年以来致力于GPS技术研发及GPS接收机生产，已发展为行业领导者。在系统集成方面也是硕果累累，宜昌NRS系统成功应用打响了CORS系统国产化第一枪，以后南方NRS系统以其稳定性能、高性价比为不一样精度要求用户提供了便利定位和导航服务。现在南方测绘已经在全国范围内建了超出500个CORS基站，NRS技术也已经被同意列入国家“863计划”。作为CORS系统发展应用热点，南方测绘研发出了GPS变形监测系统SMOS（SOUTH Monitor System）。
处理方案先从硬件结构上介绍南方变形监测系统，然后具体介绍南方最新变形监测系统软件SMOS，最终就我们以往实施项目中总结经验给出部分提议和展望。
二、南方测绘变形监测系统（SMOS）结构
1、 系统结构总体介绍
南方变形监测系统由四个子系统组成：前端数据采集子系统、数据传输子系统（数据通讯）、数据处理分析及管理子系统（控制中心），辅助支持子系统。四个子系统形成一个有机整体，前端数据采集子系统跟踪GPS卫星并实时采集数据，数据由数据通讯网络传输至控制中心，控制中心软件对数据处理并分析，实时监测变形体位移情况。系统整体拓扑以下：

图1 监测系统整体拓扑图
2、 各子系统介绍
（1）前端数据采集子系统
前端数据采集子系统由GPS接收机及天线、馈线、电源等组成。GPS接收机采取高精度进口主板，同时采取大地形扼流圈天线，其能够有效抑制多路径效应影响，结合不妥协稳定相位中心（小于0.8MM）且能够抑制射频干扰使系统更可靠。
（2）数据传输子系统
数据传输子系统：数据传输是整个系统大动脉，只有数据通畅稳定传输才能够确保系统正常运行，确保数据解算精度。
数据传输方法能够分为两类：
（1）有线通讯 有线通讯现在有多个接入技术。从数据传输稳定性、成本、维护等角度考虑，使用光缆作为媒介无疑是最理想。使用光纤作为监测系统数据传输介质，既能有效确保数据采集端和控制中心数据通信带宽和质量，又能为系统拓展提供充足带宽贮备，还能方便监测系统组网。带宽宽，传输距离较远，传输速度不受距离限制，传输介质物理性能稳定，不受电磁干扰，所以光缆在监测工程项目中得到广泛应用。
（2）无线通讯 无线通讯我们最常见有没有线微波通讯技术，GPRS/CDMA，ZigBee等。依据监测点到控制中心距离及传输数据量选择合适无线传输方法。通常监测点分布范围从几百米到几公里远，微波通讯技术从性能、带宽、传输距离是比较适适用于监测系统。而GPRS/CDMA和现在发展得如火如荼3G通信技术，因为其传输不受视距及距离原因影响而倍受亲睐。但其依靠于信号基站，所以在偏僻山区并不适用。
接收机提供了RS232、TCP/IP多个协议数据接口，方便选择不一样通讯设备。能够依据现场情况确定最好通讯方法。
（3）数据处理和控制子系统：由监控中心服务器系统及监测软件、SQL Sever等组成。
变形监测系统整个体系是以数据处理和控制子系统为中心节点星型网络。各监测站作为系统网络子节点。应该说控制中心是整个系统心脏，它结构和性能也会直接影响整个系统运行和可靠性。
（4）辅助支持系统：包含外场机柜、外场机箱、配电箱及UPS、防雷和远程电源监控、报警装置等组成。
辅助支持子系统是整个监测系统中不可或缺关键组成部分，外场机柜、仪器保护箱等对安装在野外设备起到防水、防尘、防盗等作用。UPS确保了系统运行连续性，稳定性。防雷设备也起到至关关键作用，通常设备安装在野外，雷击对电源电路，GPS接收机内部电路，通讯电路等破坏比较严重，雷雨过后需要更换大量电源板，通讯模块等，所以防雷设备是很关键。
三、南方变形监测系统软件SMOS
SMOS软件是南方测绘在Visual C++环境下编写高精度变形监测系统软件，软件实现了数据处理、地图表现、数据库建立、图形管理和结果输出功效。软件系统软件技术实现构架图以下：
变形监测系统
SMOS

用户登录

用户
正当？

不正当

正当

退出
进入SMOS软件

数据处理

数据库管理
变形分析
图形表现

监测结果
图、表、过程线、报表等

图2 SMOS构架图
1、 SMOS功效设计
（1）系统能够连续、自动、实时地完成监测对象外部变形数据采集及处理；
（2）控制中心依据处理数据，实现分析、过程线图形绘制、判定、估计、报表打印和WEB公布；
（3）数据经过互联网或GPRS/CDMA等无线通信技术转发其它分管中心或上级单位，分管中心数据和现场控制中心数据完全一致；
（4）系统设置用户权限，通常见户能够对数据进行查询、浏览、历史数据回放等操作，而不能更改系统参数。 而只有系统管理员才能对系统进行全权管理；
（5）参考相关标准规范及经验数据，为变形体设置预警值，实现超限报警功效。
SMOS功效结构图：

SMOS

数据解算

数据查询
结果输出
图形管理
数据分析
地图显示
数据库管理

监测点分布
监测点初始值
按形变量查询
位移报表
变形过程曲线
本期变形量计算

网形显示
各期形变量

按日期查询
变形过程曲线输出
各点变形展开图
累计变形量计算

基线长标识

系统工作情况判别值

变形过程线打印
属性查询
三维变形模拟
变形速率计算

各监测点通讯参数

数据公布
预报数据计算

用户登录统计

图3 SMOS各功效模块
2、 SMOS特点
（1）算法优异，精度更高
较传统RTK算法，SMOS有以下特点：
l SMOS采取采取同时刻（在1微秒之内）GPS原始观察值进行差分解算；而RTK方法不需要差分更正数和流动站观察数据保持同时，通常参考站接收机差分更正数广播更新率为1Hz，所以，通常情况下差分更正数会延迟0.5秒到2秒不等，在尤其情况下，流动站能许可1分钟之前差分更正数参与解算；
l SMOS能够采取扩展动态非线性Kalman滤波算法进行差分解算。
l SMOS算法对系统硬件要求较高，通常在高性能计算机上解算，而RTK算法是由GPS接收机生产厂商提供，固化在GNSS接收机内部；静态解算则需人工干预，通常采取双差固定解得方法。
（2）兼容性高
SMOS软件提供多个格式数据接入，和提供第三方软件数据接口。软件可兼容进口及国产主流GPS接收机，最高可支持20HZ频率接收机。
（3）系统更靠性
RTK通常应用于测量、高精度导航等，对于RTK接收机而言，如GPS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，从而造成短时间隔内不能正常输出厘米级定位解。而SMOS专为变形监测而设计，适适用于桥梁、大坝、矿区、滑坡等变形监测，软件能长时间连续可靠工作，诸如RTK常常需要重新初始化等缺点在SMOS里并不存在。
SMOS软件运行在控制中心服务器上，整个计算功效能够设计成冗余模式，增加系统可靠性，而RTK方法不能实现类似功效。

以下是软件截图

图4SMOS主界面
SMOS集成WEBSERVER，能够远程PC端查看各基站在线情况，方便管理、立即查看各站目前情况。

图5 WEB数据公布
数据库采取安全可靠MSSQL，实时保留解算结果，方便用户查询数据，并含有用户权限管理。只有最高权限用户方可对数据进编辑及修改。

图5 数据库管理
软件含有参数转换功效，依据用户提供现场坐标参数进行转换

图6 参数设置
SMOS能够查看各个天线实时卫星情况，信噪比示意图等。

图7卫星分布图

图8信噪比强度图

四、结论和提议
实际工程中为确保 GPS测量正常进行和定位精度，通常监测点点位选择自由度较低，从我们实施过项目中发觉，一些关键部位监测点卫星遮挡情况比较严重，造成锁定卫星数目不足或数据受到干扰等不良影响，而这些点又在关键部位是不得不进行监测。鉴于以上情况，我们能够选择双星系统（GPS+GLONASS）接收机进行监测，它有效处理了GPS在遮挡情况比较严重情况下观察卫星较少，每颗卫星连续时间短，造成常常会出现整周模糊度无法固定情况。加入GLONASS卫星数据后，卫星数增加，几何图形改善，所以定位精度也有所提升。
同时为了增强系统可靠性，提议建立两个参考站。南方变形监测系统软件SMOS支持多个参考站，进行双重检核。假如其中一个参考站出现通讯故障，另外一个参考站可作为备份对任何基线组合进行处理。
在中心服务器上安装NRS系列软件，在服务器能够接入互联网条件下，基站能够为移动终端提供差分服务。
南方测绘变形监测系统适适用于大桥、水库大坝、高层建筑物、坍毁滑坡等需要进行建构健康监测及可能造成重大损失和人员伤亡形变体。因为其全天候工作、自动化观察，数据采集、传输、处理（包含分析、管理）无需人为干预、结果精度可靠、超限自动报警，所以含有传统监测方法无法比拟优势。变形监测系统作为相关管理部门灾难预警系统一个分支，其监测结果为领导人做出正确决议提供有力依据，同时提升管理部门处理突发事件能力，为减轻灾难对人民生命和财产安全造成重大损失有着关键意义。