小型水库GNSS表观变形安全监测系统实施方案

1.1.监测指标

坝体表面变形包括水平位移和垂直位移，水平位移精度要求满足±3mm，垂直位移精度要求满足±5mm。

接收机主要工作模式为静态观测模式，即以时段解的形式提供变形监测成果，应用于日常大坝定期变形观测应用场景；接收机次要工作模式为快速静态，当库区出现水位快速上涨等情况，需加密监测频次进行全天候24小时监测，接收机可切换成快速静态的形式，提供紧急状态下的高频次动态观测值。表面位移点均可以和当地的坐标系进行联测，所有监测点的坐标均可转换为当地坐标。

1.2.基本原理

在GNSS定位中，把高速运动的卫星作为已知位置的空间点，其位置可由卫星星历查询得知，用户通过专用GNSS接收机捕获卫星信号并跟踪，从而计算出卫星与用户的距离，然后利用空间距离后方交会的方法确定接收机的位置，理论上，已知三颗卫星S1、S2、S3的空间位置以及GNSS接收机到卫星S1、S2、S3的距离d1、d2、d3，即可推算GNSS接收机于以S1、S2、S3为球心，距离d1、d2、d3为半径的圆球交会点上，实现定位。

实际上，距离长度的测量是通过测量电磁波从卫星传输到GNSS接收机的传播时间间接获得的。卫星采用的是原子钟，而GNSS接收机采用的是石英钟，两者稳定性存在较大差异，导致GNSS卫星时钟与接收机时钟难以做到严格同步，因此GPS 标准时间与接收机时间之间的偏差时未知的。在定位过程中需额外引入一个钟差变量，因此GNSS定位必须通过观测至少4颗卫星才能得出用户位置。

1.3.方案架构

GNSS自动监测系统可实现大坝的水平和竖直位移毫米级精度的自动化监测，采用市面上专门针对水库大坝安全监测研制的的GNSS监测设备搭建水利设施监测专用的GNSS自动监测系统，可有效解决水利设施表面位移监测成本高、周期长、难以普及等问题。GNSS自动化监测系统主要包括辅助层、感知层、传输层、数据层和应用层几个方面的内容，具体系统架构图如下所示：

1、 辅助层：包括太阳能供电系统、市电供电系统、风电供电系统以及风光互补供电系统等几种稳定的电力辅助支撑设施，主要为GNSS接收机提供电力供应。

2、 感知层：感知层主要包括GNSS基准站和监测站，由GNSS接收机、GNSS天线、观测墩、避雷设施等组成，GNSS基准站主要提供变形基准，安装在稳固的基岩上，监测站主要用来监测坝体的形变，部署在坝体上，GNSS监测站与基准站可通过向后台传输原始数据进行后端解算得到变形结果，也可由监测站直接通过LoRa/WIFI无线组网或光纤/RS485有线组网调用基准站观测数据实现本机前端解算获得变形结果。

3、 传输层：根据水库大坝监测现场情况，可以选择4G、5G、LoRa组网、WIFI组网、光纤、北斗短报文、卫星通信等方式进行北斗监测数据的传输，其中4G、5G、光纤、卫星通信可用于将GNSS原始数据传输至后台进行后端解算，LoRa、WIFI组网、光纤、RS485可用于构建前端解算的局域网络。

4、 数据层：主要由工作站、计算机局域网及相关的服务器、数据库、防火墙、数据通信设备及运行在服务器的GNSS监测解算软件、设备远程管控平台等组成。对前端GNSS接收机回传的设备状态数据、前端解算回传的解算结果进行处理解析、入库、存储，对GNSS原始数据进行后台解算处理等操作，可供运维人员提供设备的远程运维管理，是整个系统的数据中心，承载着承前启后的作用。

5、 应用层：采用专用的自动化监测系统平台/APP进行设备运行监控、监测数据管理、监测状况可视化呈现、监测预警告警、多参数安全模型分析等、监测月度/季度/年度报告导出等，同时利用短信、微信预警信息推动、现场声光报警来实现水库大坝安全的预警预报。