孙永荣 丁晓莉 陈 武 刘建业
摘 要：针对常规GPS应用中成本较高的问题，文中研究了GPS多天线数据采集与控制系统，实现了一机对多点的监测。实验和实际应用表明，该系统对GPS信号的衰减、GPS测量精度几乎没有影响。该技术使得GPS监测局部区域人工和自然结构形变（如大坝、建筑等）的监测费用大大降低，具有重要的实用价值。
关键词：GPS多天线系统；数据采集与控制；形变监测
引 言
我国应用GPS进行变形、崩滑监测并实现自动化监控管理的已有多个实例。其中湖北清江隔河岩水电站大坝变形监测是最为成功的例子之一［1］。正如有关学者［2］指出的，隔河岩水电站自动化监测系统缺点之一是投资费用较高，总经费超过了600万元，除去软件，由于每个变形测点需配备GPS接收机，单点费用也在20万元以上。GPS仪器费用太高，大大制约了GPS在变形监测、预防、减少地质灾害方面的应用。
自1999年开始，南京航空航天大学、香港理工大学联合导航研究中心，开始对如何降低GPS使用成本展开研究，设计出了国家专利（专利号：ZL00219891．6）成果——GPS多天线技术，即一个GPS接收机接多个天线，不同的天线在不同的时间内与接收机相连。这样，一个接收机可以对多个监测点进行监测［3］。图1是GPS多天线示意图，价格昂贵的GPS接收机阵列，变成了GPS天线阵列，价格成倍降低。现在一个接收机可以连4～16个天线。
利用多天线技术，可以对可能发生滑坡、崩塌、泥石流等地质灾害区域进行不间断的连续的监控。
整个监控系统包括监控中心、数据通讯、远程GPS数据采集三个部分。GPS数据采集包括设置在变形区域内的多天线数据采集以及参考站数据采集，前者对变形监测区域内的多个监测点进行监测，后者要求设置在变形区域外的稳定点上。所计算的所有变形监测点的坐标都是相对于该参考站的。监控中心主要完成对远程GPS数据采集的控制，并根据远程GPS数据进行GPS基线解算、变形分析和报警。
监控中心的数据处理软件［4］以及数据通讯的实现，本文不作讨论，文中只对基于嵌入式计算机的远程GPS多天线数据采集与控制系统进行介绍，同时分析了GMS对GPS带来的影响。
1 GPS多天线数据采集与控制系统
1．1 硬件结构
GPS多天线数据采集控制系统，是基于PC／104嵌入式计算机控制系统，硬件结构如图2所示，主要包括以下几个方面：
（1）SCM／SPTPC／104 CPU模块 这是一款真正的“all－in－one”CPU模块，CPU是一片586的64位处理器，最高运行速度可达300 MHz，在板内存支持可达128 M，图形处理器可支持多种LCD及TFT显示屏。支持PS／2键盘、PS／2鼠标、EIDE接口、Floppy接口、两个串口一个并口以及两个USB接口。
（2）微波开关控制板 这是一块自制的符合PC／104总线结构的多天线开关控制板，通过总线与CPU相连。
（3）多天线开关 这是一个自行研制的微波开关，其控制原理框图见图3。当某一控制信号有效时（－5V），相应GPS天线的高频微波信号并传输到GPS接收机，而其他天线的高频信号被隔离。根据开关控制板的控制信号，完成天线信号的切换。开关控制器要解决的关键技术是各通道GPS天线信号间的高隔离度问题。
（4）GPS接收机 选用的是Ashtech的G12OEM板，这是一款12通道单星单频接收机，性能价格比较高。GPS接收机通过串行口与CPU板相连。
（5）MODEM调制解调器 选用WAVECOM公司生产的WMOD2双频（900／1800）GPRSmo－dem。
1．2 界面设计
系统进行数据采集运行时，各通道参数除了可以由监控中心通过GPRS或普通电话线等进行控制、设置外，也可以由现场计算机直接进行设置。可以对各通道（是否选通、各通道切换时间）、GPS（采样间隔、高度角）以及数据传输时间等参数进行设置，另外也可对通讯口、系统运行方式等进行选择。参数设置完成后，系统运行界面如图4所示。由图4可以看出，当前共选通了CH1，CH2，CH3，CH5这四个通道，每个通道的工作时间是900 s，当前GPS信号来自于CH1所对应的天线，同时显示了各卫星的状态（卫星号、方位角、高度角、信噪比）以及卫星数、PDOP值等。
实际应用中，可根据所监测点的位移变化情况、监测点的重要性等动态地设定各监测点的工作时间。对于那些重要的监测点，监测时间可以长一些。
2 系统对GPS信号的影响
根据国际无线电咨询委员会和国际电信联盟的规定，所有空间上的卫星信号在到达地面时产生的最大通量密度不得超过－154dBW［5］。为此，GPS信号的强度为：
L1波段，对C／A码为－155dBW，对P码为－158dBW；L2波段，对P码为－158dBW。
由于各种遮挡以及其它无线电频率源的干扰，使得GPS视在场强减小，噪声增加，从而降低了信噪比。严重时，即使性能优良的接收机也无法工作。低信噪比往往会引起接收机失锁和发生周跳，导致数据无法使用，而较为普遍的是造成测量精度的降低。所以对于GPS而言，信噪比是一个很重要的参数。
2．1 GMS对GPS信噪比的影响
2002年4月15日在香港理工大学楼顶上进行了实验，无遮挡物，视野开阔，能较好地接收GPS卫星信号。实验用两台Ashtech GG24进行。两个天线放在非常接近的地方，其中一个天线通过GMS系统后接到一台GG24接收机上，另一个天线直接接到另一台GG24接收机上。天线所在位置为：经度114°10′46″，纬度22°18′10″。实验时每隔5min保存一组数据。
如果用经过GMS后的GPS信噪比减去不经过GMS的GPS信噪比，则可以更加明显地看出GMS对GPS信噪比的影响。
由表2可以看出，相对于天线、接收机直接相连时的GPS信噪比而言，经过GMS后的GPS信噪比普遍降低了，最大降低了5。统计发现，在这段时间内信噪比平均降低了1．24。
为了排除GPS接收机、天线以及天线馈线带来的影响，将两台设备的接收机、天线以及馈线进行交换后再次试验，经过分析发现，GMS控制系统使得GPS信噪比平均降低了1．28，最大降低5。
在不同时间段和不同地点，进行了多次试验后发现，GMS控制系统使得GPS信噪比平均降低1～2，最大降低不大于6。
2．2 基线解实例分析
为了研究GMS系统引起的GPS信噪比降低对测量精度带来的影响，作者进行了多次试验。实验时将一个GPS天线相对于固定点上的GPS天线进行移动，通过解算可以得到该监测点沿北向、东向相对于固定点的位移变化，图5是一次实验时的位移曲线图，与实际移动轨迹相符，可见GMS系统对GPS的基线解算几乎没有影响。更进一步，进行残差分析后发现，残差图在量级上和不经过GMS系统时是一样的。
3 结束语
可以发现，所研究的GMS多天线数据采集控制系统，信噪比平均降低了1～2，但对GPS测量精度几乎没有影响。GPS测量精度完全取决于所使用的GPS接收机以及天线情况。
再以清江隔河岩水电站为例，如果采用一台6天线的GMS多天线系统，也即一台GPS接收机外接5个天线即可满足原方案中对5个坝顶测点的监测。如果考虑到距离问题，对一些距离较远的点可以加上天线放大器进行信号放大。这样，GPS方面的投资最多也就是70万元，仅此一项就将GPS成本降低了50％。由此可见，GPS多天线技术的研究和应用具有重要的实用价值和现实意义。文中所述的方法已成功应用在香港某山体滑波监测系统中，该系统已连续运行了四个多月，运行效果良好。
参考文献
［1］ 徐绍铨．隔河岩大坝GPS自动化监测系统［J］．铁路航测，2001，4：42～44
［2］ 方卫华，王润英．大坝变形监测自动化系统进展［J］．水利水电科技进展，2000，20（6）：23～25
［3］ Ding XL，Chen Y Q，Huang D F，etal．Slope mo－nitoring using GPS－a multi－antenna approach［J］．GPSW orld，2000，11（3）：52～55
［4］ 黄丁发，丁晓莉，陈永奇．多天线GPS软件系统［J］．测绘通报，2000，11：1～3
［5］ 王广运，郭秉义，李洪涛编著．差分GPS定位技术与应用［M］．北京：电子工业出版社，1996．24～32
摘自 北极星电技术网
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