GNSS定位技术在变形监测中的应用测绘工程专业论文设计.docx
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GNSS定位技术在变形监测中的应用测绘工程专业论文设计
郑州工商学院本科生毕业论文（设计）
GNSS定位技术在变形监测中的应用
1绪论
1.1研究目的和意义
随着现代科学的飞速发展和经济建设的实际需求，GNSS由于具有高精度、高速度、全天候、全球性等的优点，在测量中的各个方面都得到了广泛应用。
由于我国近代人口增多，房屋、桥梁及轨道的大范围建设规划。
在对变形现象监测的方面，对这些变形体可能发生的结构及其形态变化等的现象也进行了监测，并且还要进行对变形体的结构及其变形和形态进行的数据分析、统计和分析以及预测等的工作[1]。
变形现象监测的技术研究必须首先要能够得到及时精确的收集变形信息和数据资料，才可以尽可能地通过这些变形数据和信息资料来准确的分析和研究这些变形的内在运动规律、变形的机理和对于变形的外界影响，从而更好地达到对这些变形体及其变形的规律和影响因素进行准确的分析以及预测、预报的重要作用。
使用传统的监测技术进行监测，存在着效率低、精度不高、测量周期长、环境问题等一些列的问题，需要耗费大量的人力物力及时间精力。
因此，如何高精度、高效率的进行变形监测测量是一个值得深入研究的课题。
GNSS定位技术是一种同时可实现远程自动化和测量的高精度的全天候变形自动化监测技术，具有全天候、全球性、精度高、测量时间段、测站间无需通视等的优点，对GNSS定位技术在变形监测的应用问题上，发展这一个课题的深入研究，完善此方面的不足，具有一定的现实意义。
1.2国内外研究现状
GNSS已经成为了现代人生活中不可或缺的部分，走进了位置定位、测绘等方面，GNSS在国外的发展阶段比较完善，有多方面的理论实践材料，有较多的参考价值，20世纪90年代以来，西方在导航定位技术方面不仅有之前积累的基础，而且在其基础上进行了新的拓展，对于从军方乃至民用在位置、房屋、测量等各方面服务，更加的具有综合性，且进一步得到了完善。
和国外的定位技术发展状况相比较，我国在这个方面仍然处于发展的婴儿成长期，在对于房屋变形的综合运用中，国外的整体运用在精度、质量等方面都处于成长期，但是随着全球安全、车辆增多、房屋增多，GNSS在房屋变形测量方面将成为一个热门的研究方面，有研究的具体价值意义。
1.3本文研究的主要内容及方法
本文主要从GNSS的原理概念、GNSS的特点以及其未来发展前景展开。
本文主要利用实例说明GNSS定位技术具有全天候、全方位、定位精度高、观测持续时间短、测站之间无须通视和可同时测定点位的三维坐标等优点，广泛应用于定位技术GNSS对于房屋变形测量的各个方面。
利用理论和实例的方式去深入阐述定位技术GNSS在对房屋变形的测量中应用优于传统房屋变形测量的各个技术方面，综合地说明了定位技术GNSS在对房屋变形的测量技术应用中对于未来此方面的发展前景。
本文论文主要采用了文献研究法、经验总结法、信息研究方法、描述性研究法、系统科学方法、综合分析法等方法进行研究。
2GNSS定位技术
2.1GNSS的原理与组成
本文介绍的GNSS定位技术全称是全球导航卫星定位系统（GlobalNavigationSatelliteSystem），它主要包括的有美国的GPS系统、俄罗斯的GLONASS系统、欧洲的GALILEO系统以及中国的北斗卫星导航系统（BDS），该系统能够给用户传输有关于卫星的完备性和安全检验报告信息，以及卫星导航定位安全性告警信息[2]。
1）GPS系统
GPS是全球定位系统（globalpositioningsystem）的英文缩写，是随着现代科学技术而建立起来的新一代精密卫星导航定位系统[3]。
GPS导航定位系统主要意义上是由三大组成部分：
空间部分、地面监测部分和用户部分。
具有高精度、全天候、全方位、自动化、高效率等显著特点，赢得了广大测绘工作人员的信任和青睐，并且成功地广泛应用于包括大地测量、工程动力学测量、航空摄影测量、地壳运动监测、工程变形监测、地球流体动力学在不同的领域和学科,给我国测绘导航技术领域的发展引领了一次深刻的测绘导航技术革命。
GPS是美国第二代卫星导航系统。
它是在子午仪卫星导航系统的根本上发展起来的，它采用了子午仪系统的经验[4]。
按目前的计划，GPS的全球空间卫星导航部分可以应用24颗高度约2.02万千米的卫星组成的卫星导航星座。
24颗卫星均为近似椭圆形的轨道，运行周期约为11小时58分，分布在6个轨道面上（每轨道面4颗），轨道倾角为55度。
卫星的精确时间分布和位置可以让在一个全球任何的位置、任何的时间段都可同时观测得到4颗以上的全球型卫星，并能够同时保持良好的定位解析计算和高精度的三维几何图形。
2）GLONASS系统
格洛纳斯（GLONASS），是俄语“全球卫星导航系统GLOBALNAVIGATIONSATELLITESYSTEM”的缩写[5]，格洛纳斯是前苏联和俄罗斯研制、组建的第二代全球型卫星导航和定位系统。
该卫星导航系统与俄语的GPS一样，也是采用距离交会的原理进行在全球各个位置及时间段的定位定时工作，可为各种政府军方、民营企业和个人提供全天候、全方位、连续地高效益高精度的三维卫星位置、速度和时间信息。
俄罗斯1993年创立本国的俄罗斯全球卫星定位及导航系统。
GLONASS卫星导航系统在2007年开始正式被俄罗斯运营，在当时只是对外开放了在俄罗斯境内的全球卫星定位及导航的服务[6]。
一直到2009年，卫星导航定位服务的范围逐渐拓展到全世界的各个位置。
GLONASS卫星导航系统主要提供运行卫星导航的内容，其中主要包括了海、陆、空的等各个位置物体的坐标及运动速度相关信息等。
俄罗斯全球的导航定位及卫星系统（GLONASS）系统是由当时苏联（现由属于俄罗斯）的国防部独立自行研制和开发并控制的第二代军用的卫星定位及导航系统，与当时美国的卫星GPS相似，该卫星导航系统同时也在俄罗斯开设民用窗口。
3）GALILEO系统
欧盟自2002年起筹建一种民用卫星导航系统，被称作为Galileo（伽利略）卫星导航系统。
其中有30颗Galileo卫星，欧盟拥有27颗在轨运用的工作卫星，3颗民用在轨工作备用卫星，全部都均匀分布在3个卫星轨道上，卫星的中心轨道高度23616km，轨道距离中心方向倾角56度[7]。
伽利略系统计划2008年建成，总投资约32亿至36亿欧元，其中11亿欧元为启动经费，21~25亿欧元为系统开发经费。
伽利略计划对欧盟的发展具有关键意义，它不仅能让人们的生活更加方便快捷，还能够为欧盟在工业的发展和商业的拓展带来可观的前景和经济效益[8]。
更主要的是，欧盟从此拥有独立的卫星导航系统，不再受制于美国的GPS导航系统的垄断地位，从而可以在全球高科技竞争浪潮中占据有利位置。
4）BDS系统
中国北斗全球卫星导航系统主要是由中国自主研制、组建、独立设计和运行并且与目前世界上其他主要的北斗全球卫星和导航系统相互兼容的一个全球卫星导航系统，简称中国北斗导航系统。
其英文名称为BeiDouNavigationSatelliteSystem，缩写为BDS。
北斗卫星导航系统（简称北斗系统）是由中国独立建造、自主运营的卫星导航定位系统，侧重于国家国防发展需求、国家安全保障和经济社会发展的需要[9]。
北斗系统为世界各地的用户提供全方位、高精度的导航定位信息，是现时代国家高速发展重要的空间基础设施。
随着北斗系统的发展，其相关的产品已广泛应用于交通运输、气象观测、房屋监测、通讯搜救等各个方面，渗透于人们生活的方方面面，为全球的经济和导航定位系统发展加注新的活力。
2.2GNSS的测量分类
2.2.1静态定位
在观测期间，待定点相对于周围固定的点位没有相对的运动，或者一些可以察觉到的运动，但是由于此种运动是非常缓慢的，所以可以认为这种运动没有发生过，对于这些待定点确定的位置就是静态定位。
静态定位分为三种类型：
①绝对静态定位，就是确定单点的三维地心坐标为目的；②相对静态定位，是将两台或两台以上的接收机安放在几个固定测站点上进行同步观测，而去求取测站点间基线向量；③快速静态定位，是基于整周模糊度，在依靠计算方法的改进和相应的软件的综合应用实现快速定位。
常常使用双频接收机仅仅需同步观测5～10分钟，单频接收机仅需15分钟左右即可。
2.2.2动态定位
在观测期间，待定点相对于周围的位置有可察觉的相对运动，对这些运动的待定点确定具体的位置。
动态运动的主要分类，按照定位元素的不同可以分为：
①绝对动态定位，用来确定运动中的单个的接收机载体的三维地心坐标为目的；②相对动态定位，通过在运动载体上安置的接收机与安置在基准点上的接收机来进行同步观测，经过平差处理后，获得具体的流动站的位置。
按照观测数据处理的时间不同可以分为：
①实时动态定位，运动中的接收机载体的位置的数据可以实时获取到；②非实时动态定位，运动中的接收机的载体的位置的数据不可以直接获取，必须要经过事后处理才可以获得。
2.3GNSS的特点与应用
全球导航卫星系统是当前全球最为全面的卫星导航定位系统，是人类导航定位技术的一个里程碑。
归纳起来，系统具有以下特点：
1）全天候、全方位、高精度、高效率连续不断的导航定位能力。
GNSS能为世界各个位置或近地空间的用户提供全方位、高精度的导航定位能力，用户可以直接接收使用[10]。
2）实时更新导航，定位精度高，观测时间短。
利用GNSS进行定位时，在1s内可以连续取得几次的位置数据，这种几乎实时的导航定位能力对于用户具有很大的意义，并且能为各类的用户提供连续的三维位置、三维速度和精确的时间信息。
当前利用C/A码的实时定位精度可达20-50m，速度精度为0.1m/s，利用特殊处理可达0.005m/s，相对定位精度可达毫米级[11]。
随着GNSS系统的逐步完善和软件更新，目前20km以内的相对静态的定位仅仅只需花费15-20min，快速利用静态相对定位进行观测时，如果每个流动站和每个基准观测站之间的相距在15km以内时，流动观测站进行观测的三维定位时间比基准站只需耗用1-2min，然后基准站可随时自动定位，每站的观测时间只需几秒。
3）测站无需通视：
GNSS的测量仅仅是要求观测的测站上空区域非常开阔，而且不需要测站之间互相进行通视，因此这样可以为测站节省大量的人工、时间等诸多方面的测量费用。
由于测站无需点位和测站间的互相进行通视，所以点位和测站位置之间的关系可根据实地的需要进行可疏可密，这样就可以使得测站选点的工作流程变得非常灵活，也使得测站可以有效地省去传统的测量工作过程中的对传算点、过渡点的测量工作，省去大量的人工和时间[12]。
4）可提供全球统一的三维地心坐标：
GNSS的测量水准可同时精确地测定每一个测站的平面中心位置和测站的大地中心高程。
目前只有GNSS测量水准可同时满足四等坐标定位水准测量的要求和精度，另外，GNSS的定位水准是在全球统一的WGS-84坐标定位系统中进行计算的，因此它与全球不同时间和地点的测量成果是相互关联的。
5）功能多、应用广泛：
GNSS是军方、民营用户两用系统，其应用范围十分广泛。
具体的应用实例包括：
汽车导航和交通管理、巡线车辆管理、道路工程、个人定位以及导航仪等[13]。
GNSS的主要应用分为以下几个方面：
（1）交通系统中的应用
在车辆行驶导航方面，装配了车载行驶导航仪的地面车辆可以实时定位自己的精确位置,并且在电子地图上显示出附近的环境，对于道路和周边环境不熟悉的司机可以由车载行驶导航系统快速找准目的地位置，免除了到处问路和来回寻找之苦[14]。
并且车辆驾驶人员还可以获得通往目的地中的路况、交通情况等和地震相关的信息,并用车辆专用的软件准确地求出最佳的线路，就已经可以直接构成车辆智能交通系统的基本设计框架。
（2）地球动力学及地震研究中的应用
GNSS在地球动力学中的应用，主要的目的就是用我国GNSS的技术来进行监测我国的全球和局部的区域地壳板块的运动，监测全球的区域和局部的地壳板块运动，从而有效的可以及时进行对地球的成因及地震动力机制应用方面的科学研究。
根据测定的地壳板块运动的速度和运动方向采集地震信息，测定的是地壳板块运动的速度和变形量，综合倾斜地应变量的积累，研究地下的断层地震活动的模式、应立场的变化，开展对地震强度和危险性的估计，及时的准确做出地震预报。
（3）军事中的应用
军事侦察卫星在现代化的战争中具有重要作用，已成为获取各种军事信息的一种重要手段。
为了提高分辨率,这些卫星一般都在较低的轨道上飞行，受到的大气阻力摄动较为产重，而且将长时间在敌对国上空飞行，因此很难用地面定轨的方式来确定卫星轨道。
在侦察卫星上安装GNSS接收机后就能很好地解决上述间题，提供任一时间卫星的位置和速度等信息。
此外,GNSS在多类型兵种的军事合作协同打击作战中，可以为军方提供精确的位置信息，在定点的轰炸、火力支援、空中供给以及后勤补给、营救任务等诸多方面都已经得到了大面积的应用。
（4）农业中的应用
GNSS在精细农业中当得到应用。
如自动插秧机可以在GNSS的控制下按规定方向和间距完成插秧工作。
利用飞机进行播种、施肥、除草、灭虫时,合理布设航线，准确引导飞行可大大节省费用,减少重叠或空白带，而且可以在夜间进行作业,因为夜间蒸发小,且农作物和杂草的气孔是张开的，所以更容易吸收肥料和除草剂等，提高施肥和除草的效果。
据国外资料报道，利用差分GPS后，飞机施肥、除草等的总费用可节省50%左右。
GNSS定位技术在测定森林区域的面积、估算森林区域木材的储量、测定道路位置、测定森林火灾区域所发生的位置和所达到的边界线、测定病虫害区域的位置和边界线、寻找水源等方面均有独特而重要的作用。
而利用常规方法进行上述工作时,由于通视条件等原因，一般说来是相当困难的。
（5）移动位置服务中的应用
长时间以来，钟表等计时工具一直在为人们提供高精度的时间服务，包括在移动状况下的时间服务，人们坐在车、船、飞机等各类交通工具内，随时都能知道当前的准确时间。
随着科学技术的发展、信息化时代的到来,人们对位置服务的需求也将越来越迫切,特别是移动状态下的位置限务，也就是说,人们不仅需要知道当前的准确时间，而且也需要知道当前的准确位置及运務速度等信息。
互联网、移动通信和GNSS是当前三大信息产业。
GNSS技术与移动通信技术相结合就能提供一种相当好的移动定位服务。
随着超大规模集成电路技术的迅速发展,GPS导航仪可以做得越来越小,价格也越来越便宜,岀现所谓的手表式的GPS导航仪。
利用这些导航仪，用户就能方便地确定当前自己所处的位置和运动速度等相关信息。
在电子地图的帮助下，就能准确确定至目的地的方向、路径等信息,从而成为我们在旅游、探险时的好帮手，等等。
2.4GNSS的前景
当初，组建的GNSS导航定位系统的主要目的是为了将卫星导航定位应用于军事战争和国防安全的建设中，可以收集军事情报等一些比较重要的军事技术。
但是，在后来对于GNSS的应用研究和开发实践表明,GNSS导航定位系统实际上能够很好地达到上述技术所要求的导航目的，而且用GNSS导航定位卫星所采集和开发来的卫星导航相对定位数据和信号可以方便地进行厘米级甚至毫米级精度的卫星静态相对定位，米级至亚米级精度的卫星动态相对定位，亚米级至厘米级精度的卫星加速度定位时间测量和毫微秒至米级精度的定位时间测量。
因此，GNSS导航定位系统在国际上展现了广阔且美好的市场和应用发展前景。
在产业中具有高技术、高投入、高成长性的特点，随着GNSS技术向民用的开放，它的巨大商机被商业家所发现。
据统计，GNSS的应用已经超过了500种，并且GNSS产业每年创造效益达到数百亿美元。
尤其是随着卫星导航接收机的集成微型化这一方面，出现各种融合GNSS、通信系统、计算机为一体的个人信息终端的开发，让卫星导航技术从专业应用走向大众化，成为国家现时代发展综合国力的重要组成部分。
3GNSS定位技术在变形监测中的应用
3.1变形监测的特点
变形监测与常规的测量工作相比较，它们之间既有相同的点，又有各自不同的特点和要求。
总的来说，变形监测具有以下特点：
1.周期性重复观测
变形观测的主要目的是周期性的对观测点进行重复观测，求得其观测周期内的变化量。
2.精度要求高
变形监测的精度要求通常比常规工程测量的精度要求高。
3.多种观测技术的综合应用
相比较来说，变形监测的技术和方法比常规大地测量的技术方法更加丰富。
当前，在变形监测工作中通常用到的测量技术包括：
常规大地测量方法；专门的测量方法；自动化监测方法；摄影测量方法；CT、测量机器人等新技术的应用。
3.2GNSS控制网的布设
3.2.1GNSS控制网的一般要求
GNSS控制网在布设之前，要依照规范书以及设计书，进行测区情况的勘察，作业情况时卫星的状态预报，以及数据传输、储存和精度的分析。
在选点时，测站应选在交通便利的地方，并且易于以后保存的地方，并且在保证按照规范的前提下，要尽量提高数据可靠性的原则，适当的增加观测的期数或独立基线数，保证一定的重复设站的次数。
在完成精度的前提下，也要考虑到节省人力、物力等花销，选取适当的站址、布设方案。
3.2.2GNSS控制网的布设
GNSS控制网的布网形式主要是指在建立GNSS控制网时所采用的观测作业的方式，其中包括了控制网中的全部点数与参与测量的接收机总数之间的比例关系、观测时段所花费的长短、观测时段数以及观测作业期间接收机所处的位置等特征。
现常用的布网形式有以下几种：
多基准站式
单基准站式
同步图形扩展式
可依据测站点周围的地理环境、交通情况、项目要求等，来整体考虑选择合适的布网形式。
3.2.3GNSS网点的埋设
GNSS网点的位置埋设标石一般都应在基岩上埋下一块带有基岩所处的中心位置标志的金属标石，可以用于点位的精确标志，所在点的标石和选取的中心标志所处的位置必须要稳定、坚固而且有利于材料的保存和使用。
在一些基岩比较露头的区域，也通常可以直接在一块基岩上埋设或嵌入一块金属标志。
各级别GNSS点的标石用混凝土灌制。
一般普通标石分上标石和下标石两层，其上均设有金属的中心标志。
埋设普通中线铅垂标石时，每层的铅垂标志中线装置必须要严格位于同一普通铅垂固定装置的中线上，其对中线的偏差一般情况下不允许超过大于2mm。
其他需要强制对中标的铅垂检测装置的对中铅垂误差也一般不得超过大于1mm。
在建设埋石点的方位确定点上面还应严格地控制埋设普通式或铅垂式的标石，并对其方位加以明确性的注记[15]。
在本次工程埋石验收工作日期结束后，需向有关负责人要求上交以下有关内容如下的证明材料：
•填写了埋石地点情况的日记GNSS和埋石点的方位和地点之记；
•填写了用于土地批准占用管理情况的土地批准使用登记证书文件与用于土地管理占用情况测量登记证书以及用于标志土地使用情况委托登记文件的土地保管使用许可登记证书；
•拍摄的所建造标石的照片；
•埋石工作总结。
3.3GNSS控制网的测量
3.3.1GNSS控制网的测量的精度要求
GNSS测量规范以及规程中一般都对GNSS测量的等级进行了划分，要求不同等级的GNSS测量应该有不同的精度指标，应用于不同方面的用途。
因此在一般的情况下，测量单位仅仅需要根据项目的目的、用途和具体方面的要求就能对所需要的标准，确定相应的等级，然后按照规范及规程规定中的精度、密度、施测纲要及数据处理方法进行实施即可。
在项目中，主要将其划分为以下几个等级：
表3-1A级GNSS网的精度指标
级别
坐标年变化率中误差
相对精度
地心坐标各分量年平均中误差/mm
水平分量/（mm/a）
垂直分量/（mm/a）
A
2
3
1
10-8
0.5
表3-2B、C、D、E级GNSS网的精度指标
级别
相邻点基线分量中误差
相邻点的平均距离/km
水平分量/mm
垂直分量/mm
B
5
10
50
C
10
20
20
D
20
40
5
E
20
40
3
3.3.2测量过程
测量外业工作过程在开始进行项目地的GNSS外业测量的工作之前，首先我们需要进一步做好对观测项目所在地的外业测区踏勘、资料的收集、器材的筹备、观测工作计划的拟订、仪器的检校及观测设计书的编写等外业测量工作。
在该方案完成此项工作后，可以直接前往测区现场进行自动化的测量和作业，现主要是将该方案分为两种测量作业的类型和形式：
1）自动化监测
自动化监测适用于监测条件恶劣、监测频率高等情况，在以上情况下，自动化监测方案不仅会大大减少对于人工工作量的要求，而且提高了工作效率，避免了环境恶劣带来的不便，同时可以对监测数据进行实时自动采集、发送、处理与预警。
2）人工化监测
对于人工化的监测该方案一般需要对人工和周期性进行自动的监测与对数据的后处理，比如人工和周期性的静态自动监测和快速静态的监测等方式，当中由于人工和周期性的静态自动监测实用于数据变形的速率较为缓慢，所以在监测测量项目局部所花费的时间和局部空间区域内，我们能够去确定变形体变形速率是基本稳定的，监测测量的实际工作效率需要根据项目的具体情况而去判定，但是会快速增加数据后处理所花费的监测工作量，从而大大降低了其工作的复杂性和效率。
由所处位置的地理环境以及人员、天气等原因进行综合考虑，选择适当的监测方法进行监测，并且，将监测的数据传送回室内进行数据处理和精度的分析。
3.3.3数据处理和精度分析
GNSS精密数据处理从原始卫星观测数据开始，到最终的定位的成果，可以分为GNSS基线向量解算和GNSS基线向量网平差计算两个过程。
GNSS数据处理的基本流程如图所示：
图3-1GNSS数据处理的基本流程
在外业进行完数据采集和传输后，内业工作人员主要要进行数据的处理以及结果的精度分析。
在观测数据预处理阶段，主要通过数据传输、数据分流、数据文件格式标准化、整周跳变的探测和修复以及观测值的各种模型改正等过程，进行整体的预处理阶段。
接着进行基线解算和平差的过程，得出最终的数据。
在得出的结果，进行质量精度的评定分析，对照项目书中的指标，根据基线向量的改正数大小等方面，判断是否含有粗差，精度分析不达标，则需要放弃有质量问题的起算数据。
3.4变形数据的分析与预报
3.4.1分析
变形分析是一种手段，通过理论建模和分析，建立相应的模型，可以提前进行监测分析，可以尽量避免事故的发生。
变形观测数据资料的分析一般情况下包括以下内容：
（1）成因分析（定性分析）：
确定变形值变化的原因和规律性；
（2）统计分析：
确定变形与引起变形因素之间的函数关系；
（3）变形的预报和安全判断。
3.4.2预报
变形数据的预报主要的目的是：
利用有限的监测数据，选择合理的预测模型准确预报未来的变形是最主要的问题。
同时为了工程建设提供变形预报，能够有效的避免事故的发生。
也可以在施工中，发现出问题，及时进行一些指导，保障所有环节安全进行。
在变形监测的分析和预报中，主要运用的方法是：
w曲线拟合
w回归分析
w时间序列法
w灰色系统
w频谱分析
采用以上方法，可以快速的分析出数据中的问题，对于工程预报，未来预防的主要方面，都有着至关重要的作用。
4应用实例
4.1工程简介
试验是在西安的IGS跟踪站和某一实验楼房的楼顶的观测站之间进行的。
两个观测站之间的间隔约为430m，房屋周围无其他高层建筑，两站点之间交通良好，仅需要开车几分钟。
在建筑周围旁，仅有部分绿化树木，土质松软，应设立几个控制点，防止人为损坏，房屋外形内部结构完好，并无裂痕。
实验时位于GNSS卫星跟踪站上的接收机天线应保持固定不动，按照模拟变形监测中的基准站，实验楼房楼顶的观测站相当于连续监测站，我们利用一种监测模式来进行研究房屋的每h变化、d变化及变形规律，由于基线较短，基线解算精度较高，所以要利用基线
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