高精度北斗卫星定位的尾矿库在线监测

2014-09-25吴焕琅

单片机与嵌入式系统应用 2014年2期

吴焕琅

（福建三元达通讯股份有限公司，福州350000）

引言

尾矿是指金属或非金属矿山开采出的矿石，经选矿厂选出有价值的精矿后排放的“废渣”。这些尾矿数量大，含有暂时不能处理的有用或有害成分，若随意排放，将会造成资源流失，大面积覆没农田或淤塞河道，污染环境。尾矿库是指筑坝拦截谷口或围地构成的，用以堆存金属或非金属矿山进行矿石选别后排出尾矿或其他工业废渣的场所。冶炼废渣形成的赤泥库、发电废渣形成的废渣库应按尾矿库进行管理。尾矿库是一个具有高势能的人造泥石流危险源，存在溃坝危险，一旦失事，容易造成特大事故。近年来尾矿库事故多发，引起了国家的高度重视，具有全天候、自动化、实时化、信息化特点的北斗高精度尾矿库安全在线监测系统通过采集尾矿库安全的技术指标，及时掌握尾矿库的运行状况、安全现状，为尾矿库的安全监测与管理决策提供有力支持。北斗尾矿库监控系统监测站组成如图1所示。

1 北斗尾矿库监测系统组成

图1 北斗尾矿库监控系统监测站组成

北斗尾矿库安全监测系统由北斗高精度定位子系统、气象环境数据采集子系统、通信网络、数据分析处理中心、远程监控平台等构成。北斗高精度定位子系统由北斗基准站和北斗监测站组成。气象环境数据采集子系统由超声波物位计、浸润线、渗压传感器、雨量传感器等组成。

2 系统监测内容及使用传感器设备

2.1 坝体表面位移监测

尾矿库发生溃坝灾害，坝体位移是灾害演化过程的直观反应指标，因此，监测坝体形变状况，可以及时了解尾矿坝变形率和发展速度，有利于安全监管部门和企业进行科学的应急决策，并及时采取应急措施，从而避免灾害的发生或者减少灾害发生造成的危害。坝体表面位移的监测选用高精度北斗／GPS双模双频定位系统，通过高精度卫星测量技术实时获得尾矿库坝体的形变特征，包括水平位移和垂直沉降。

2.2 坝体内部位移监测

坝体内部位移监测采用固定式测斜仪，尾矿库坝体的中部和下部共设置多个深部倾斜监测点，通过对倾斜角度的变换，计算出内部水平位移的变化。

2.3 浸润线监测

尾矿库内存有大量尾矿浆沉淀水，从尾矿坝坝顶排放尾矿时，矿浆向库内流淌的过程中，矿浆水不断向下渗透。此外，汛期大量降雨，这些因素在尾矿坝体内形成一个庞大渗流场。再者，尾矿沉积体属非均值体，排矿部位又需要经常调换，坝体又在不断增高，而且在尾矿库整个服务期间内，矿源及选矿流程有可能改变，尾矿性能自然也会变化，这些情况造成尾矿坝渗流场异常复杂。浸润线即渗流流网的自由水面线，是尾矿坝安全的生命线，浸润线的高度直接关系到坝体稳定及安全性状，因此，对于浸润线位置的监测是尾矿库安全监测的重要内容之一。浸润线监测采用振弦式渗压计。

2.4 库水位监测

尾矿库水位监测的目的是根据其水位的高低判断该库防洪能力是否满足安全要求。尾矿库在设计时给出最高水位，并要求在设计洪水位（即最高洪水位）时，要同时满足设计规定的最小安全标高和最小安全干滩长度的要求。因此，对于库水位位置的把握可以直接防止尾矿库在汛期由于洪水漫顶溃坝造成事故的发生，有利于安全监管部门和企业在汛期来临之前，直观地了解和掌握尾矿库水位是否达到了设计要求的汛前限制水位。由此可见，库水位的连续动态监测也是尾矿库安全监测的重要内容之一，库水位监测采用超声波水位计。

2.5 干滩监测

在定量评价尾矿库的防洪能力时，需要测定滩顶标高和设计最高洪水位下允许达到的干滩标高，因此，在尾矿库安全自动化监测系统中，应增加快速并简捷的标高测定方法。滩顶标高和设计最高洪水位下允许达到的干滩标高是尾矿库安全监测需要测定的指标。干滩监测采用激光位移传感器或者超声波物位计。

2.6 降雨量监测

库区降雨量的情况对于尾矿库坝体安全也有着至关重要的作用，是尾矿库安全在线监测的主要指标之一。降雨量监测采用雨量计。

2.7 视频监测

在尾矿库安全监测系统中，为了实时直观地掌握尾矿库库区的情况，通常在溢水塔、滩顶放矿处、坝体下游坡等重要部位设置视频监测设备，以满足准确、清晰、直观地把握尾矿库运行状况的需要。

3 系统功能

①实现对尾矿库重要运行数据的实时采集、传输、计算、分析。

②直观显示各项监测数据、监测数据的历史变化过程及当前状态。

③一旦出现紧急情况，系统能及时地发出预警信息。

④可实现库区安全监测信息的多级共享。

⑤可实现安全预警信息的发布。

4 高精度北斗尾矿库在线监测系统介绍

4.1 北斗数据传送模块

尾矿库监测系统通信框图如图2所示。尾矿库监测系统的通信手段采用2G、3G通信网络较为方便，但是，尾矿库一般处于偏远地带，通信网络信号不好，尾矿库监测系统的通信有时也采用有线光纤通信。又因尾矿库安全的重要性，在电信、移动、联通等运营商通信网络中断时应保证通信正常，北斗短报文通信成为尾矿库监测系统的备用通信手段。

图2 尾矿库监测系统通信框图［1]

尾矿库监测的北斗短报文通信由北斗短报文终端、北斗一代系统、监控中心北斗短报文收发系统等组成。

北斗短报文终端集成北斗卫星无线电测定业务RDSS（Radio Determination Satellite Service）射频收发芯片、功放芯片、基带电路等设计而成。可完整实现北斗RDSS收发信号、调制解调等全部功能。短报文通信就是采用摩斯信号代码进行无线电报通信，摩斯信号是将字母和数字用长短不同的一组代码表示，长信号用短划“－”表示，短信号用点“·”表示。

使用北斗短报文业务需要向北斗短报文运营商申请用户卡，用户卡分为“民卡”和“军卡”，“民卡”、“军卡”在每次发送信息量以及每次发送信息的时间间隔有所区别，用户卡收费可以按月收费和一次性买断收费。

北斗短报文相当于现在人们平时用的“短信息”，它可以发布140个字的信息，在没有通信网络的海洋、沙漠和野外，也能够向外界发布文字信息。由于北斗一代用户数的限制，这里发送短报文服务频度只能达到20～60s／次［2]。

4.2 北斗高精度天线

尾矿库监控系统重点是监控尾矿坝的形变量，也就是北斗高精度定位天线相位中心所在位置的形变量，而尾矿库往往处在地势较低的位置，容易产生多径干扰。天线的多径干扰和天线相位中心的稳定直接影响到尾矿库形变监测的精度。

高精度测量型天线作为卫星导航接收机的重要组成部分，它的性能直接关系到卫星定位接收机测量精度，天线的相位中心变化和多径效应是高精度卫星导航测量系统中的主要误差来源。北斗双频高精度定位天线是采用正方形贴片形式设计的一种有源天线，天线结构如图3所示。

图3 双频高精度天线结构示意图

该天线由辐射单元和低噪声放大器组成。其中，辐射单元由两层叠加而成，分别对应于北斗B1、B2两个频段的信号接收，上层对应B1频段，它由3部分组成，从上至下依次是：辐射贴片、介质基板（基板材料相对介电常数为εr、厚度为h1）、金属接地板。下层对应B2频段，同样也由3部分组成分别是：辐射贴片、介质基板（基板材相对介电常数为εr、厚度为h2）、金属接地板，两层之间通过螺钉安装。

馈电方式采用背馈，4个带帽容性探针穿过底层贴片过孔，对上层贴片B1频段进行馈电，另4个带帽容性探针对底层贴片B2频段进行馈电。通过在两贴片的中心加一短路针来缩减天线的尺寸，短路针和同轴探针之间形成强耦合等效于加载一个电容，使得天线在低于谐振频率位置达到阻抗匹配，从而缩减天线的尺寸［3]。右旋圆极化通过馈电网络来实现，馈电点信号相位按照顺时针依次相差90°。这种多点均匀馈电技术确保了天线单元在工作频带内具有良好的阻抗带宽及轴比特性，同时相位中心更加稳定。

根据微带天线理论，当εr及hi（i＝1，2）己知时，天线的宽度W影响着微带天线的辐射方向性、辐射电阻及输入阻抗，即影响频带宽度和辐射效率。另外，天线宽度W的尺寸直接支配着微带天线的总尺寸，因此如何根据实际需求和理论计算得出最佳的天线尺寸也就至关重要。在安装尺寸允许的条件下W选取适当的大小对频带、效率及阻抗匹配都是有利的，但是当W尺寸大于如下式给出的W值时，将产生高次模，从而引起场的畸变。