高精度北斗衛(wèi)星定位的尾礦庫在線監(jiān)測

吳煥瑯

（福建三元達(dá)通訊股份有限公司，福州350000）

引 言

尾礦是指金屬或非金屬礦山開采出的礦石，經(jīng)選礦廠選出有價值的精礦后排放的“廢渣”。這些尾礦數(shù)量大，含有暫時不能處理的有用或有害成分，若隨意排放，將會造成資源流失，大面積覆沒農(nóng)田或淤塞河道，污染環(huán)境。尾礦庫是指筑壩攔截谷口或圍地構(gòu)成的，用以堆存金屬或非金屬礦山進(jìn)行礦石選別后排出尾礦或其他工業(yè)廢渣的場所。冶煉廢渣形成的赤泥庫、發(fā)電廢渣形成的廢渣庫應(yīng)按尾礦庫進(jìn)行管理。尾礦庫是一個具有高勢能的人造泥石流危險源，存在潰壩危險，一旦失事，容易造成特大事故。近年來尾礦庫事故多發(fā)，引起了國家的高度重視，具有全天候、自動化、實時化、信息化特點(diǎn)的北斗高精度尾礦庫安全在線監(jiān)測系統(tǒng)通過采集尾礦庫安全的技術(shù)指標(biāo)，及時掌握尾礦庫的運(yùn)行狀況、安全現(xiàn)狀，為尾礦庫的安全監(jiān)測與管理決策提供有力支持。北斗尾礦庫監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測站組成如圖1所示。

1 北斗尾礦庫監(jiān)測系統(tǒng)組成

圖1 北斗尾礦庫監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測站組成

北斗尾礦庫安全監(jiān)測系統(tǒng)由北斗高精度定位子系統(tǒng)、氣象環(huán)境數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、通信網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)分析處理中心、遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺等構(gòu)成。北斗高精度定位子系統(tǒng)由北斗基準(zhǔn)站和北斗監(jiān)測站組成。氣象環(huán)境數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)由超聲波物位計、浸潤線、滲壓傳感器、雨量傳感器等組成。

2 系統(tǒng)監(jiān)測內(nèi)容及使用傳感器設(shè)備

2.1 壩體表面位移監(jiān)測

尾礦庫發(fā)生潰壩災(zāi)害，壩體位移是災(zāi)害演化過程的直觀反應(yīng)指標(biāo)，因此，監(jiān)測壩體形變狀況，可以及時了解尾礦壩變形率和發(fā)展速度，有利于安全監(jiān)管部門和企業(yè)進(jìn)行科學(xué)的應(yīng)急決策，并及時采取應(yīng)急措施，從而避免災(zāi)害的發(fā)生或者減少災(zāi)害發(fā)生造成的危害。壩體表面位移的監(jiān)測選用高精度北斗／GPS雙模雙頻定位系統(tǒng)，通過高精度衛(wèi)星測量技術(shù)實時獲得尾礦庫壩體的形變特征，包括水平位移和垂直沉降。

2.2 壩體內(nèi)部位移監(jiān)測

壩體內(nèi)部位移監(jiān)測采用固定式測斜儀，尾礦庫壩體的中部和下部共設(shè)置多個深部傾斜監(jiān)測點(diǎn)，通過對傾斜角度的變換，計算出內(nèi)部水平位移的變化。

2.3 浸潤線監(jiān)測

尾礦庫內(nèi)存有大量尾礦漿沉淀水，從尾礦壩壩頂排放尾礦時，礦漿向庫內(nèi)流淌的過程中，礦漿水不斷向下滲透。此外，汛期大量降雨，這些因素在尾礦壩體內(nèi)形成一個龐大滲流場。再者，尾礦沉積體屬非均值體，排礦部位又需要經(jīng)常調(diào)換，壩體又在不斷增高，而且在尾礦庫整個服務(wù)期間內(nèi)，礦源及選礦流程有可能改變，尾礦性能自然也會變化，這些情況造成尾礦壩滲流場異常復(fù)雜。浸潤線即滲流流網(wǎng)的自由水面線，是尾礦壩安全的生命線，浸潤線的高度直接關(guān)系到壩體穩(wěn)定及安全性狀，因此，對于浸潤線位置的監(jiān)測是尾礦庫安全監(jiān)測的重要內(nèi)容之一。浸潤線監(jiān)測采用振弦式滲壓計。

2.4 庫水位監(jiān)測

尾礦庫水位監(jiān)測的目的是根據(jù)其水位的高低判斷該庫防洪能力是否滿足安全要求。尾礦庫在設(shè)計時給出最高水位，并要求在設(shè)計洪水位（即最高洪水位）時，要同時滿足設(shè)計規(guī)定的最小安全標(biāo)高和最小安全干灘長度的要求。因此，對于庫水位位置的把握可以直接防止尾礦庫在汛期由于洪水漫頂潰壩造成事故的發(fā)生，有利于安全監(jiān)管部門和企業(yè)在汛期來臨之前，直觀地了解和掌握尾礦庫水位是否達(dá)到了設(shè)計要求的汛前限制水位。由此可見，庫水位的連續(xù)動態(tài)監(jiān)測也是尾礦庫安全監(jiān)測的重要內(nèi)容之一，庫水位監(jiān)測采用超聲波水位計。

2.5 干灘監(jiān)測

在定量評價尾礦庫的防洪能力時，需要測定灘頂標(biāo)高和設(shè)計最高洪水位下允許達(dá)到的干灘標(biāo)高，因此，在尾礦庫安全自動化監(jiān)測系統(tǒng)中，應(yīng)增加快速并簡捷的標(biāo)高測定方法。灘頂標(biāo)高和設(shè)計最高洪水位下允許達(dá)到的干灘標(biāo)高是尾礦庫安全監(jiān)測需要測定的指標(biāo)。干灘監(jiān)測采用激光位移傳感器或者超聲波物位計。

2.6 降雨量監(jiān)測

庫區(qū)降雨量的情況對于尾礦庫壩體安全也有著至關(guān)重要的作用，是尾礦庫安全在線監(jiān)測的主要指標(biāo)之一。降雨量監(jiān)測采用雨量計。

2.7 視頻監(jiān)測

在尾礦庫安全監(jiān)測系統(tǒng)中，為了實時直觀地掌握尾礦庫庫區(qū)的情況，通常在溢水塔、灘頂放礦處、壩體下游坡等重要部位設(shè)置視頻監(jiān)測設(shè)備，以滿足準(zhǔn)確、清晰、直觀地把握尾礦庫運(yùn)行狀況的需要。

3 系統(tǒng)功能

①實現(xiàn)對尾礦庫重要運(yùn)行數(shù)據(jù)的實時采集、傳輸、計算、分析。

②直觀顯示各項監(jiān)測數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)的歷史變化過程及當(dāng)前狀態(tài)。

③一旦出現(xiàn)緊急情況，系統(tǒng)能及時地發(fā)出預(yù)警信息。

④可實現(xiàn)庫區(qū)安全監(jiān)測信息的多級共享。

⑤可實現(xiàn)安全預(yù)警信息的發(fā)布。

4 高精度北斗尾礦庫在線監(jiān)測系統(tǒng)介紹

4.1 北斗數(shù)據(jù)傳送模塊

尾礦庫監(jiān)測系統(tǒng)通信框圖如圖2所示。尾礦庫監(jiān)測系統(tǒng)的通信手段采用2G、3G通信網(wǎng)絡(luò)較為方便，但是，尾礦庫一般處于偏遠(yuǎn)地帶，通信網(wǎng)絡(luò)信號不好，尾礦庫監(jiān)測系統(tǒng)的通信有時也采用有線光纖通信。又因尾礦庫安全的重要性，在電信、移動、聯(lián)通等運(yùn)營商通信網(wǎng)絡(luò)中斷時應(yīng)保證通信正常，北斗短報文通信成為尾礦庫監(jiān)測系統(tǒng)的備用通信手段。

圖2 尾礦庫監(jiān)測系統(tǒng)通信框圖［1]

尾礦庫監(jiān)測的北斗短報文通信由北斗短報文終端、北斗一代系統(tǒng)、監(jiān)控中心北斗短報文收發(fā)系統(tǒng)等組成。

北斗短報文終端集成北斗衛(wèi)星無線電測定業(yè)務(wù)RDSS（Radio Determination Satellite Service）射頻收發(fā)芯片、功放芯片、基帶電路等設(shè)計而成?？赏暾麑崿F(xiàn)北斗RDSS收發(fā)信號、調(diào)制解調(diào)等全部功能。短報文通信就是采用摩斯信號代碼進(jìn)行無線電報通信，摩斯信號是將字母和數(shù)字用長短不同的一組代碼表示，長信號用短劃“－”表示，短信號用點(diǎn)“·”表示。

使用北斗短報文業(yè)務(wù)需要向北斗短報文運(yùn)營商申請用戶卡，用戶卡分為“民卡”和“軍卡”，“民卡”、“軍卡”在每次發(fā)送信息量以及每次發(fā)送信息的時間間隔有所區(qū)別，用戶卡收費(fèi)可以按月收費(fèi)和一次性買斷收費(fèi)。

北斗短報文相當(dāng)于現(xiàn)在人們平時用的“短信息”，它可以發(fā)布140個字的信息，在沒有通信網(wǎng)絡(luò)的海洋、沙漠和野外，也能夠向外界發(fā)布文字信息。由于北斗一代用戶數(shù)的限制，這里發(fā)送短報文服務(wù)頻度只能達(dá)到20～60s／次［2]。

4.2 北斗高精度天線

尾礦庫監(jiān)控系統(tǒng)重點(diǎn)是監(jiān)控尾礦壩的形變量，也就是北斗高精度定位天線相位中心所在位置的形變量，而尾礦庫往往處在地勢較低的位置，容易產(chǎn)生多徑干擾。天線的多徑干擾和天線相位中心的穩(wěn)定直接影響到尾礦庫形變監(jiān)測的精度。

高精度測量型天線作為衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的重要組成部分，它的性能直接關(guān)系到衛(wèi)星定位接收機(jī)測量精度，天線的相位中心變化和多徑效應(yīng)是高精度衛(wèi)星導(dǎo)航測量系統(tǒng)中的主要誤差來源。北斗雙頻高精度定位天線是采用正方形貼片形式設(shè)計的一種有源天線，天線結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 雙頻高精度天線結(jié)構(gòu)示意圖

該天線由輻射單元和低噪聲放大器組成。其中，輻射單元由兩層疊加而成，分別對應(yīng)于北斗B1、B2兩個頻段的信號接收，上層對應(yīng)B1頻段，它由3部分組成，從上至下依次是：輻射貼片、介質(zhì)基板（基板材料相對介電常數(shù)為εr、厚度為h1）、金屬接地板。下層對應(yīng)B2頻段，同樣也由3部分組成分別是：輻射貼片、介質(zhì)基板（基板材相對介電常數(shù)為εr、厚度為h2）、金屬接地板，兩層之間通過螺釘安裝。

饋電方式采用背饋，4個帶帽容性探針穿過底層貼片過孔，對上層貼片B1頻段進(jìn)行饋電，另4個帶帽容性探針對底層貼片B2頻段進(jìn)行饋電。通過在兩貼片的中心加一短路針來縮減天線的尺寸，短路針和同軸探針之間形成強(qiáng)耦合等效于加載一個電容，使得天線在低于諧振頻率位置達(dá)到阻抗匹配，從而縮減天線的尺寸［3]。右旋圓極化通過饋電網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)，饋電點(diǎn)信號相位按照順時針依次相差90°。這種多點(diǎn)均勻饋電技術(shù)確保了天線單元在工作頻帶內(nèi)具有良好的阻抗帶寬及軸比特性，同時相位中心更加穩(wěn)定。

根據(jù)微帶天線理論，當(dāng)εr及hi（i＝1，2）己知時，天線的寬度W影響著微帶天線的輻射方向性、輻射電阻及輸入阻抗，即影響頻帶寬度和輻射效率。另外，天線寬度W的尺寸直接支配著微帶天線的總尺寸，因此如何根據(jù)實際需求和理論計算得出最佳的天線尺寸也就至關(guān)重要。在安裝尺寸允許的條件下W選取適當(dāng)?shù)拇笮︻l帶、效率及阻抗匹配都是有利的，但是當(dāng)W尺寸大于如下式給出的W值時，將產(chǎn)生高次模，從而引起場的畸變。

式中：c為光速；fr是諧振頻率［4]。

微帶天線是根據(jù)我國北斗B1、B2兩個頻段設(shè)計出來，采用4點(diǎn)均勻饋電技術(shù)保證高帶寬、相位中心穩(wěn)定和低軸比，提高了天線的測量精度。為了使衛(wèi)星接收機(jī)得到更加精確的測量結(jié)果，在設(shè)計中增加了對天線中心的標(biāo)定，保證中心相位更加穩(wěn)定，采用雙頻3D扼流圈技術(shù)抑制多徑干擾。

結(jié) 語

尾礦庫安全在線監(jiān)測系統(tǒng)的實施，便于安監(jiān)部門實時掌握尾礦庫的運(yùn)行狀況和安全現(xiàn)狀，提高尾礦庫的安全性，保障庫區(qū)下游企業(yè)正常運(yùn)轉(zhuǎn)及庫區(qū)人民群眾的生命財產(chǎn)安全，避免因尾礦庫事故而造成的環(huán)境污染，保護(hù)生態(tài)環(huán)境。

［1] 曹昌龍、紀(jì)勇、戴旭初.基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航的無線移動視頻監(jiān)控終端設(shè)計與實現(xiàn)［J] .遙測遙控，2013，34（4）.

［2] 吳才聰，蘇懷宏，禇天行，等.基于北斗的移動應(yīng)急監(jiān)控與指揮技術(shù)［J] .GNSS World，2011（12）：60－63.

［3] 吳多龍，周梓發(fā)，李瑞，等.北斗高精度測量型天線的研究［J] .電波科學(xué)學(xué)報，2011，26（5）.

［4] 周梓發(fā).北斗高精度測量型天線的研究［D] .廣州：廣東工業(yè)大學(xué)，2011.