华测采空区地表沉降GPS位移在线监测系统.doc
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1、1 采空区地表沉降采空区地表沉降 GPSGPS 位移在线监测系统位移在线监测系统 技术设计书技术设计书 上海华测导航技术有限公司系统集成部上海华测导航技术有限公司系统集成部 20082008 年年 4 4 月月 2 目目 录录 第一章第一章 项目背景项目背景.3 1 1. .1 1 采采空空区区地地表表沉沉降降监监测测的的意意义义 .3 1 1. .2 2 人人工工监监测测方方法法局局限限性性分分析析 .3 1 1. .3 3 G GP PS S 位位移移在在线线监监测测系系统统优优点点分分析析.3 第二章第二章 系统建设目标系统建设目标.4 2.12.1 系统的建设原则系统的建设原则.4 2
2、 2. .2 2 系系统统建建设设的的基基本本要要求求.4 2 2. .3 3 系系统统建建成成后后应应具具备备的的功功能能 .4 第三章第三章 系统总体设计系统总体设计.7 3 3. .1 1 设设计计依依据据.7 3 3. .2 2 系系统统结结构构.8 3.33.3 GPSGPS 监测网布置监测网布置.9 3.3.1 基准站布置.9 3.3.2 监测站布置.10 3.43.4 监控中心监控中心.11 3.4.1 监控中心布置.11 3.4.2 GPSensor变形监测软件.11 3.5 通信方式.13 3.6 系统防护设计.14 第四章第四章 设备预算设备预算.15 4 4. .1 1
3、基基准准站站预预算算.15 4 4. .2 2 监监测测站站预预算算.16 4 4. .3 3 数数据据处处理理中中心心设设备备预预算算.16 3 第一章第一章 项目背景项目背景 1 1. .1 1 采采空空区区地地表表沉沉降降监监测测的的意意义义 采煤引起的覆岩破坏和地表沉陷对煤矿生产安全和环境破坏的威胁是非常严重和无法回避的问 题。开采沉陷和“三下”采煤引发的环境地质灾害使得矿区建筑物、基础设施、农田受损,生态环 境恶化,威胁居民财产和生命安全,激化工农矛盾,是影响矿区经济发展和社会安定的重要因素和 关键问题。 通过对沉降区的监测,及时了解和掌握采空区区域的地表沉降演化过程,捕捉该区域塌陷
4、的特 征信息,为地表沉降的正确分析、评价、预测、预报及治理提供可靠数据和科学依据。 1 1. .2 2 人人工工监监测测方方法法局局限限性性分分析析 由人工定期用传统仪器到现场进行测量,安全监测工作量大,受天气、人工、现场条件等许多 因素的影响,存在一定的系统误差和人工误差。同时,人工监测还存在不能及时监测矿区地表沉降 的各项技术参数,难以及时掌握矿区沉降安全技术指标等缺点,这些都将影响矿山的安全生产和安 全管理水平。 1 1. .3 3 G GP PS S 位位移移在在线线监监测测系系统统优优点点分分析析 与观测边角相对几何关系的传统测量方法相比,GPS 监测具有很大的优点。它可以实现自动化
5、 监测,大大减轻外业强度,同时又能够迅速得到高效可靠的三维点位监测数据。 当然,还有其它优点: 1)避免人工读数和记录引起的人为误差。 2)可以实现远程以及恶劣天气条件下采集数据。 3)每天可进行 24 小时连续监测。 4)可以准确记录失事事件时间,使之与外部因素相关联,比如降雨、地震、人工建造活动。 5)连续监测能快速检测到临界变化,能在事态恶化之前采取处理措施。 6)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。 4 第二章第二章 系统建设目标系统建设目标 2.12.1 系统的建设原则系统的建设原则 GPS 位移在线监测系统建设中应坚持“技术先进、
6、高效可靠、经济实用 ”的原则,系统建设应保 证建成后系统的可扩展性( 随着地下采空区的扩大,地表沉降范围的扩大,可以增加新的监测点),能 为今后系统升级改造后使用,且关键技术均应能得到验证 。 2 2. .2 2 系系统统建建设设的的基基本本要要求求 1) 监测系统无人值守,有人照看、自动运行,年运行可靠率 99%以上; 2) 系统可满足 724 小时长时间可靠运行; 3) 断电情况下,监测系统设备可依靠备用电源连续工作 24 小时以上; 4) GPS 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; 5) 本系统可采用GPRS 通讯,数据传输到控制中心实时处理; 6) 准实时显示和分析
7、形变量,可间断性评估沉降区的健康状况; 7) 数据实时输出给分析软件; 2 2. .3 3 系系统统建建成成后后应应具具备备的的功功能能 对 GPS 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; 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; 可同时处理多达多个基站和 32 个监测站的数据; 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; 多基站支持,多基站不但提高了系统的可靠性,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
8、以实现实时网平差功能, 提高点位精度和可靠性; 原始数据后处理功能; 5 输入接口协议:RS232、CAN、TCP/IP; 输出接口(远程服务)协议:TCP/IP; 实时显示接收机的信号跟踪状况,如星空图、信噪比、钟差等; 实时显示基线的变化情况,点位的移动情况等; 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; 对监测站、基站接收机的远程设置功能,软件上有各个 GPS 接收机的独立监控模块,可以 向 GPS 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) ; 系统完备性监测功能,可对整个系统的健康状况进行监测; 每个监控站的监控范围可根据用户设置,可从 5 厘米到 5
9、米,相对的,精度可从 2mm 到 1cm(平面) ,高程 3mm 到 2cm。 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。 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; 可以调整各个监测站的位置更新率; 支持网络分布式计算; 软件实现 C/S 架构,客户端可以运行在远程; 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,GPSensor 软件可用于桥梁、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
10、桥梁监测,GPSensor 的客户端能提供如下功能: 数据库功能,长期观测的数据能保存在数据库中; 整体变形示意图; 历史数据分析; 趋势图; 6 报警功能,报警项可根据用户要求设定,可通过短信、电子邮件等方式进行报警。 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。 7 第三章第三章 系统总体设计系统总体设计 3 3. .1 1 设设计计依依据据 系统的建设所参照国家标准及技术规范见下表: 名名 称称编号编号批准单位批准单位备注备注 全球导航卫星系统连续运行参考站网建设规范 CH/T2008 国家测绘局 2005 全球定位系统(GPS)测量规范 GB/T 18314 国
11、家测绘局 1991 国家一、二等水准测量规范 GB/T 12897 国家测绘局 1993 工程测量规范 GB 50026 国家技术监督局 1997 计算机信息系统安全保护等级划分准则 GB 17859 国家技术监督局 1994 精密工程测量规范 GB/T 15314 国家技术监督局 1997 全球定位系统城市测量技术规程 CJJ 73-97 中国建设部 1989 测绘产品检查验收规定 CH 1002 国家测绘局 1995 测绘产品质量评定标准 CH 1003 国家测绘局 1995 全球定位系统(GPS)测量型接收机检定规程 CH 8016 国家测绘局 1987 电子设备雷击保护导则 GB 74
12、50 国家技术监督局 1997 建筑物防雷设计规范 GB 50057 国家技术监督局 1994 通信用电源设备通用试验方法 GB/T 16821 国家技术监督局 1988 计算机软件产品开发编写指南 GB853-5 国家技术监督局 1989 计算机软件质量保证计划规范 GB/T 12504 国家技术监督局 1990 计算机软件配置管理计划规范 GB/T 12505 国家技术监督局 混凝土结构设计规范 GBJ 10 国家建设部 1989 8 3 3. .2 2 系系统统结结构构 图 1 系统结构 由上图可知: GPS 位移在线变形监测系统由三部分组成,即 GPS 监测单元(也叫传感器系统) 、
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