GPS在变形观测中的应用.doc

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GPS技术在变形观测中的应用测绘***班 *** 摘要本文根据GPS在建（构）筑物变形观测中的的应用，结合应用实例及GPS的工作原理来介绍目前GPS的应用情况以及对变形观测中的一些实际问题进行探讨。主要包括GPS的作用原理、GPS在变形观测中的运用现状、变形观测GPS布网的注意事项、选点要求、数据处理以及GPS在与其他测量模式结合运用等方面。关键词变形观测；GPS技术；测量；控制网；精度指标 1 引言在各种工程设计、建设和竣工后，出于安全的考虑或研究目的，需要对建（构）筑物进行变形观测，以了解建（构）筑物所处的环境以及建（构）筑物的稳定性。在实际工程分类中工程建（构）筑物有各种不同的类型，如水利水电枢纽工程、桥梁、高层建筑、冶炼设施、精密输送带、尾砂坝、井塔和井架、架空索道、隧洞和硐室等。对于各种不同的建（构）筑物引起其变形的原因可能也不相同。所以在变形观测中我们需要采用的手段也不尽相同。在变形观测中几乎运用了所有的测量手段。本文仅就GPS技术的运用和其发展前景作部分介绍。 2 建（构）筑物变形量及变形观测内容概述 2.1 变形量指标及观测精度指标变形测量的结果用变形量来表示，表达变形量的常用指标有移动指标和变形指标。移动指标包括：下沉指标、水平移动；变形指标包括：倾斜、曲率、水平变形。在变形观测精度要求上，矿山岩层与地表移动观测、大坝变形测量、建筑物变形测量等工作目前进行的比较频繁，有相应的规范可供参考。工业与民用建（构）筑物的变形测量则由于对象非常广泛，情况各不相同，虽有规程但无法制定统一的精度标准，一般情况下根据工程建筑物的设计允许变形值的大小及观测目的来确定。如果变形测量的目的是为了使变形值小于允许的变形值而确保建筑物的安全的观测中误差应小于允许变形值的1/20—1/10 。如果观测时为了研究变形过程则观测中误差应小于允许变形值的1/100—1/20 。下表为我国建设部发布的变形测量的等级及精度要求的行业标准--《建筑变形测量规程》（JGJ/T8-9）。建筑变形测量等级及精度要求表2.1-1 变形观测等级沉降观测观测点测站高差中误差/mm 位移观测观测点测站高差中误差/mm 适应范围特级 ≤±0.05 ≤±0.3 特种精密工程、重要科研项目一级 ≤±0.15 ≤±1.0 大型建筑物、科研项目二级 ≤±0.50 ≤±3.0 中等精度要求建筑物、科研项目，重要建筑物主体倾斜观测、场地滑坡观测三级 ≤±1.50 ≤±10.0 低精度建筑物、一般建筑物主体倾斜观测、场地滑坡观测 2.2 变形观测的内容变形观测的主要内容由变形测量对象的性质、测量的目的等因素决定。主要分为建构筑物本身（基础与上部）的变形和建构筑物地基及其场地（环境）的变形。对于大型建筑物的变形测量包含建筑物本身、建筑地基及场地变形。分以下几个方面：（1）倾斜观测，目的是测定建筑物顶部由于地基存在的差异沉降或受外力作用而产生的垂直偏差。通常在顶部和墙基设置观测点，也可直接观测顶部中心相对于底部中心的位移值。（2）位移观测，测定建筑物受侧向荷载作用的影响而产生的水平位移量，观测点的建立视位移方向而定。（3）裂缝观测，测定建筑物因局部基础不均匀沉降或其他约束和荷载作用而使墙体、框架结构等出现的裂缝，一般在裂缝的两侧设置观测标志，定期观测以取得裂缝的大小和走向变化。（4）挠度观测，测定建筑物中，特别是梁板构件产生的挠曲程度。通常是测定设置在建筑物垂直面内不同高度观测点相对于某一水平基准点的位移值。（5）摆动和转动观测，测定高层建筑物顶部和高耸建筑物在风振、地震、日照以及其他外力作用下的摆动和扭曲程度。对大型的地物，如岩体、矿区、大坝等变形观测的内容还包括整个区域受地壳板块作用产生的山体裂缝、地面下沉等内容。 3 GPS技术概述我们通常所说的GPS，全称为全球卫星定位系统（Global Positioning System）或称GPS定位系统，它是由美国自1973年开始研制的，最初是作为军用导航，故其也曾被称为军用卫星导航系统——NAVSTAR GPS。但随着卫星定位平民化需求的增加使得卫星定位有着巨大的应用市场，于是美国逐渐开放了低精度的GPS定位、导航、授时等技术。特别是随着俄罗斯的GLONASS和欧盟的EGNOS系统的研制和初步应用，逐渐影响到美国对卫星定位市场的垄断，使得美国不断提高了GPS对外开放程度。使得定位精度大幅提高。这样，由于精度的提高满足了测量工作的要求使得GPS逐渐运用与专业测量领域。 GPS系统有三部分组成，即空中GPS卫星星座、地面监控部分和用户设备部分（GPS接收机）。GPS卫星星座由24颗卫星构成，其中21颗工作卫星和3颗备用卫星。24颗卫星均匀分在6个轨道面上，轨道面倾角为55°，各轨道面之间相距60°，轨道平均高度20200km。GPS地面监控部分由5个卫星监测站、1个主控站和3个信息注入站组成。用户接收机包括接受主机、天线和电源组成。其主要功能是接受GPS卫星发射的信号，以获得必要的导航定位信息及观测量，并经初步数据处理而实现实时导航语定位。 GPS卫星定位的原理是依据距离交会定位原理确定点位的。利用三个以上的控制带点可交会确定出天空中的卫星位置；反之，利用三颗以上卫星的空间位置也可交会出地面未知点的位置。星机距离计算使用卫星发射的测距码到达接收机的传播时间（△t）乘以光速（c）求得，但由于这样计算的距离存在测距码在大气中传播的延迟误差，所以称之为伪距。然后通过码相关技术获得测距码的传播时间，再在接收机的软件作用下进行解算获得准确的距离从而进行下一步定位计算。 4 GPS技术在变形观测中的运用 4.1 GPS适用的变形观测条件 GPS卫星定位系统在运用时，考虑到接受机要同时接受至少四颗卫星信号以用于解算测站点的三维坐标，加上接收机要实时接收来自卫星的载波信号，为了降低多路径误差，减弱其他电磁波的干扰，因此要求测站处点原理大面积平静水面，测站附近不应有高大建筑物保证视场开阔，并且测站点不宜选在山坡、山谷和盆地。另外GPS在实际外业测量中要求有足够的空间用于架设仪器和天线等，所以测站点处应该有足够的剩余空间。综合上述原因，在做变形观测时，GPS不能用于以下情况：（1）观测环境不开阔，无法满足卫星信号的传播接受。如城市中高层建筑密集地区的高层建筑、过街天桥、地下通道变形观测，陡峭的山体变形观测等。（2）测站点附近电磁环境复杂的地方不易使用GPS测量。因为复杂的电磁环境会干扰正常的卫星信号接收，从而影响观测精度。如大型变电站、雷达站、广播信号发射塔等地方不应使用。（3）测站点附近有较强电磁反射的环境因素存在的不宜使用。如湖泊、大型水库等场所附近。（4）测站点所在地区相对封闭或在地下的不宜使用GPS。如大型地下矿区、地下工程、隧道等处的变形观测不能使用GPS进行观测。 4.2 GPS控制点的选取和控制网的建立 GPS控制网的选点需要考虑观测的方便以及容易接受到卫星信号。同时要考虑到用于变形监测对于观测精度要求较高，且一般要求长期观测。所以选点要兼顾视场开阔、无其他强电磁波干涉、无大片平静水面、有稳定点用于建标志。选点确定论证后，便要设置深桩固埋测量标志。 GPS控制网的布网形式灵活，根据工程的精度要求和交通状况等采用不同的布网方式，一般的GPS布网方式有以下几种：跟踪站式、会战式、多基准站式、同步图形扩展式、星形布网方式。一般的在变形观测中由于跟踪站式布网要求单次观测时间长、成本高，星形布网方式图形强度弱、可靠性差而不采用。会战式布网就是一次组织多台GPS接收机，集中在不太长的时间里共同作业。在观测时，所有接收机在同一时间里分别在一批观测站上观测多天或较长时段，在完成一批点后所有接受机再迁至下一批测站。这种网的各基线都进行了较长时间和多时段的观测，具有特高的尺度精度，一般在变形监测特级和一级观测中采用。多基准站式是把几台接收机在一段时间里固定在某几个测站上进行较长时间的观测，而另几台接收机流动作业进行同步观测。这种布网由于各基准站（固定站）之间的观测时间较长，有较高的定位精度，可起到控制整个控制网的作用，加上个流动站之间不但有自身的基线相连，还和基准站之间也存在同步基线，故这种网有较好的图形强度。 4.3 GPS在观测阶段测量方法变形观测根据对象的不同采取的方法也不相同，适用于GPS观测的工程中一般采用静态相对定位模式，目前也有部分变形观测工程中采用RTK技术。下面就结合实例对两种方法进行一下介绍。在对杭州湾大桥建设过程中的变形监测中就采用了静态相对定位模式。其观测要求是最短观测时间不得小于2小时。较长的跨海基线的观测时段则设为6小时以上，对2个与IGS跟踪站组成联测基线的GPS主轴基线点进行同步连续24个小时的观测。全网（见图4.3-1）共观测了21个测站，平均重复设站近4次，并根据GPS控制网的基线长短，相应增加观测时间和重复测站数。图4.3-1 杭州湾大桥控制网示意图最后得到的实际作业得到的观测数据，达到并超过了国家有关标准及设计中所规定的GPS测量作业技术指标的要求。基本技术指标见表4.3-1 。在该工程中，为了精确确定GPS控制网坐标标准，在数据处理中引入了IGS永久GPS跟踪站的ITRF97坐标框架作为该工程控制网的坐标基准。在数据处理时，使用了精密星历，在ITRF97坐标框架下，应用瑞士波尔尼大学研制开发的世界三大著名高精度GPS数据处理软件之一的Bernese GPS Software 高精度基线处理软件，对GPS测量基线的结果进行分析、解算和处理。基本技术指标表4.3-1 卫星高度角/ （°）采样间隔/ (s) 有效卫星个数/ (个) 观测时段长度/h 平均设站数/（个） GDOP（几何强度因子）值基线 ﹤30km 基线 ≥30km 联测IGS站 ≥15 15 ≥6 ≥2 ≥6 ≥24 ≥3 ≤6 常规的GPS测量技术，如静态、快速静态、动态测量都需要在外业获得数据后带回内业进行解算才能获得厘米级的精度。这样对于大规模的GPS变形监测来说是十分不方便的，所以在有些工程中我们也采用新型测量手段RTK技术。所谓的RTK技术就是在观测时对几个点进行同时观测，这种方法与会战式布网测控不一样的是只需要保证两个以上的测站连续静态观测，其他测站则可以进行实时动态联测。此种方法是基于载波相位观测值的实时动态定位技术，它能实时提供测站点在指定坐标系中的三维坐标。流动站的观测能在较短时间内获得较高精度的数据，因为RTK技术采用的是载波相位动态时差分（Real-time kinematic）方法。在RTK技术中关键性的是数据处理和传输技术，进行RTK定位时要求基准站接收机实时的吧观测数据（伪距观测值，相位观测值）及已知数据传输给流动站接收机，数据量比较大，所以在此种方法中扩大了数据传输方法，把普通的电台传播改为GPRS和GSM网络传输。加上系统自动通过数据链接受来自基准站的数据和GPS观测数据，并在系统内组成差分观测值进行实时处理，所以一般在获得数据不到一秒时间内就可以得出厘米级精度的数据处理结果。这样外业操作人员可以根据处理结果来判断精度是否合乎标准，而不用像普通方式要在内业处理结束后才知道是否需要重测。像上面提到的杭州湾大桥的监测测量中我们就可以采用部分RTK技术以减少工作任务，首先对于南岸来说，我们可以选取12（XAC）和13（BS）两个国家二等三角控制点作为静态观测站，因为这样我们可以观测数据的精度与国家控制点坐标进行比较判断初步精度。其他点则可以采用流动站进行观测，考虑到此工程属于特大型桥梁（杭州湾大桥全长31公里，根据公路勘测测量规范-1999规定），个流动观测站可以采用多机同时进行动态测量，但在动态测量时应满足观测时间达到2小时以上。对于北岸，只有11（CS）点一个国家控制点，我们就需要借助南岸的控制点组建静态测站了。对于大桥的桥位轴线桩点QN和QS点我们需要满足足够的观测时间和观测精度。在普通的变形观测中如较大过街天桥、高层建筑等对象的变形观测中，由于测量场、开阔度等条件限制，普通的观测手段以及常规GPS测量手段会受到很大的限制，而采用RTK技术，我们则可以在城市中的控制点处设置静态观测站，利用GPRS和GSM网络进行远距数据传输，在观测对象处仅设立流动观测站，这样就可以降低观测对周围环境的要求，减少工作难度。 4.4 GPS观测误差分析和数据处理（一）误差分析 GPS卫星定位误差按其性质可分为系统误差和偶然误差，偶然误差不可避免，只能尽可能选择合适的观测环境、观测规范和观测方法来减少偶然误差的出现。在这里我们主要讨论系统误差，GPS观测系统误差按来源颗分为三种：来自卫星的误差、信号传播的误差、来自接收机的误差。来自卫星的误差主要有卫星星历误差、卫星钟误差、相对效应的影响三方面。卫星误差的产生是由于卫星的实际轨道与设计轨道偏差造成的，但是这种误差的对于观测结果的影响是会随着观测基线的长短变化而变化的，一般的段基线（小于10千米）相对定位中对于卫星的轨道精度要求高达25米，所以段基线测量可以部考虑此项误差影响。但对于长基线（大于100千米）的观测对轨道精度要求达到分米级。另外某些精密工程也需要高精度的卫星轨道精度，这个时候则必须对其进行必要的处理；传播过程中的误差则是在信号传播路径中受到电离层折射、对流层折射及多路径效应的影响。电离层一般指位于地球50~1000km范围内的大气层，当信号通过电离层时由于阳光对电离层气体的作用使得卫星信号的传播速度发生变化从而引起延时。在距地球50km范围内的对流层的折射影响对信号传播影响更为严重。多路径效应则是由于同一信号除卫星—接收机直接传播路径外还有反射的绕道信号到达接收机；接收系统可能产生一下误差：接收机钟误差、接收机噪声，接收机多通道内记录信号的时间差异，被记录时段内的信号相位时延变化，振荡器不稳定性以及天线相位中心变化等；观测误差主要指量测相位值的分辨率。为了减少上述误差我们需要采取相关的应对措施以减少误差。比如轨道松弛法，即在平差模型中引入表达卫星位置的附加参数，通过平差求得测站位置和轨道改正数，从而改善轨道精度。采用双频相位观测减少电离层折射影响。通过建立近地大气模型，通过对气温、气压及水气分压等气象数据的测定，就可以降低对流层折射改正精度。在观测时使用屏蔽天线、选择好测站周围环境，就可避免多路径效应的影响。（二）数据处理 GPS测量时，数据处理较常规测量数据处理有许多明显特点。如待处理的数据量大、数据种类多、过程复杂、方式多样，伴有的随机软件功能全，自动化程度高，所得结果是三维坐标差及其方差—协方差矩阵等。这里只就取得基线向量及其随机特性时的主要技术问题做简单介绍。短基线的基线向量解，在变形观测中一般的基线都比较短，其解算一般采用商业软件中的单（多）基线固定双解（SB（MB）-DDFX）或浮动解（SB（MB）-DDFL）来解算基线向量，整周模糊度（即整周未知数）也作为未知数参加计算。如在杭州湾大桥变形监测中就用到了瑞士波尔尼大学研制开发的世界三大著名高精度GPS数据处理软件之一的Bernese GPS Software 高精度基线处理软件进行基线解算。有时也会因为一些原因使得固定双解差解不是最佳结果，这时一般可在一定条件下采用精化技术，比如根据外业星座变化的实际情况用人工干预，客观的舍去某段观测值（劣值），以保证固定解和浮动解二者之差不相差过大（﹤5cm），以环线闭合差通过为准。基线向量处理结果的质量检核：GPS质量检核的项目很多，但归纳起来可分为内符精度和外符精度的检核。按程序检核流程如下：首先应建立用于检定的GPS检定网，检定时基线长度向量应该有长有短，最好能覆盖整个GPS作业网，并要在不同气候条件下进行。然后是重复基线测量的检核，以此来发现卫星状态变化，信号通过电离层及对流层传播时延的变化及接收机作业方法等方面的问题。接着就是同步环闭合差的检核，及对同步进行测量的所有测站的三维坐标差的和∑△X, ∑△Y,∑△Z均应等于0。然后是异步环闭合差检核，通过这项检核可以最后确定独立基线和GPS网网形。再就是与精密电磁波测距仪测距结果直接进行基线长度的比较，要满足它们的差在偶然误差允许的范围内。这些边的选取也应遵循可顾及整个测网的原则。最后就是利用已有的大地测量成果或高等级GPS网点的已知坐标进行比较。 4.5 GPS外业观技术要点由于GPS测量成果精度的高低主要取决于外业观测技术，亦即数据的采集质量。因此外业工作要在技术设计书的指导下进行，并要注意一下几点：（1）要获得高精度的国家控制点，即要把已有的部分国家高等级控制点纳入变形观测控制网。（2）注意有效的减弱电离层延迟影响，如在测区内用至少一台双频接收机进行连续观测，建立符合测区的电离层改正模型。（3）有效消弱对流层的影响，如在观测时尽量避免气象代表性误差，机选择的测点小气候环境要与整个控制区大环境相符，并在测定气象元素时确保元素的准确性，不在极端气候条件下进行观测。（4）使用精密电磁波测距仪直接测定GPS网中同步环和异步环中部分基线长。（5）精心编写外业工作计划，组织协调好，确保外业工作的顺利进行。 5 GPS技术在变形观测中的发展展望 5.1 GPS技术本身的发展由于科学技术的发展，特别性能是越来越好的计算机和算法越来越创新的解算软件的运用，将会使得现在的GP使技术在数据处理手段上更趋近真值。并且随着我们对太空越来越成熟的研究，可以建立更趋于实际的各种数据改正模型，提高数据解算精度。同时由于世界各国对卫星定位市场的研发建设高潮，必然会导致美国对GPS定位精度的开放程度变得更高，从而从原始数据源上可以提高精度。另外，欧洲、俄罗斯、中国等自己建设的新型卫星定位系统也将会为卫星定位技术提供更多的信后选择和轨道误差互补。 5.2 GPS技术与传统测量手段的结合由于变形测量的应用领域越来越广，测量环境也相对变得复杂，使得依靠单一的测量手段很难满足实际的需要，因此未来会出现更多的结合式测量方法。如目前已经实现的GPS—全站仪联合模式（超站仪），这种技术具有适应多性质对象、多测量环境和操作简单等好处。还如我自己想象的GPS与摄影测量结合用于变形观测的手段（见图5.2-1），此方式可以很好的用于大区域变形观测，如地质灾害、矿区塌陷等变形观测。其设计思路如图所示，在需要做大片区域变形观测的测区内设置三个以上静态基准站，采用长时间连续观测，在航摄飞机上固定GPS接收机作为流动站，这样就可以实时的把航摄机的GPS坐标记录下来，而我们很容易得到接收机与摄影中心的相对位置关系，也就是说很简单的就可以实时记录下来航摄中心的三维坐标，再通过航片解析就可以快速的进行大区域解析定向，确定变形指标。图5.2-1 GPS技术与航测技术的结合示意图参考文献 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The main content comprises the element and application of GPS, the design of the control network, the date processing and the coalescence of other survey method. Keywords: deformation observation; technology of GPS; survey; control network; index of precision. 10

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