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1、GPS原理及其在变形监测中的应用解析GPS原理及其在变形监测中的应用摘要全球定位系统GPS(Global Positioning System),以其连续、实时、高精度、全天候测量和自动化程度高等优点,对经典大地测量学以及地球动力学研究的诸多方面产生了极其深刻的影响。目前，GPS技术已经广泛应用于各类变形监测中，如城市地面沉降变形监测、大坝变形监测、桥梁变形监测、滑坡监测、高层建筑物变形监测、矿区变形监测等等。本文简要介绍了了全球定位系统（）的组成、定位的基本原理、变形监测网的设计、变形监测方案的实施和变形监测误差的消除方法。最后给出GPS技术在某大坝变形监测中的应用实例，充分说明了GPS定位

2、技术是一种很有前途的变形监测方法。关键词：全球定位系统(GPS)原理，变形监测，应用实例GPS DEFORMATION MONITORING PRINCIPLE AND ITS APPLICATIONAbstractGlobal Positioning System (GPS) has made a strong impact on many aspects of traditional geodesy and geodynamics due to its 24 hours availability, real-time, high precision, operability under a

3、ll weather conditions and automation. At present, the GPS technology has been applied to varieties of deformation monitoring, such as subsiding of the earths surface in urban areas, deformation monitoring of the dams, deformation monitoring of bridges, monitoring for sliding slopes, tall buildings,

4、mining areas, and so on. This article briefly describes the Global Positioning System (GPS) is composed of the basic principles of positioning, deformation monitoring network design, implementation and monitoring programs deformation monitoring error elimination methods. Finally, a GPS technology in

5、 dam deformation monitoring application example, the full description of the GPS positioning technology is a promising method for deformation monitoring.KEYWORDS：Global Positioning System (GPS) principle，Deformation Monitoring，Application Examples目录1 绪论 31.1概述 31.2 研究意义 41.3 GPS变形监测技术背景 41.4 GPS在变形监

6、测中的研究现状 52 GPS基本原理 72.1 GPS全球定位系统概述 72.2 GPS的特点 82.3 GPS系统的组成 92.4 GPS信号 102.5 GPS定位原理 113.GPS在变形监测中的应用 153.1 变形监测 153.2 应用GPS进行变形监测的优缺点 163.3 GPS变形监测模式 183.4 GPS变形监测网 193.5 GPS应用于变形监测的发展趋势 214. GPS变形监测数据分析原理 224.1 数据处理过程 224.2 大坝自动化监测模型 234.3 GPS变形监测实例 244.4数据处理 26参考文献 32谢辞 331 绪论1.1概述现实世界中许多灾害的发生与

7、变形有着极为密切的联系, 例如地震、溃坝、滑坡以及桥梁的垮塌等等, 都是典型的变形破坏现象。因而, 变形监测研究在国内外受到了广泛的重视。随着各种大型建筑的大量涌现以及滑坡等地质灾害的频繁发生, 变形监测研究的重要性更加突出, 推动着变形监测理论和技术方法的迅发展。目前, 变形监测正向多门学科交叉联合的边缘学科方向发展, 成为相关学科的研究人员合作研究的领域。已有的研究工作涉及地壳形变、滑坡、大坝、桥梁、隧道、高层建筑、结构工程及矿区地面变形等。近年来随着科学技术的发展和人民生活水平的提高人们对生产安全、生产效率的要求也越来越高。如果仍然使用传统测量方法，不仅工作量大。而且定位精度也很难达到要

8、求。GPS全球定位系统作为一种全新的现代空间定位技术，逐渐取代了常规的光学和电子测量仪器。它以全天候、全球性、高精度、高速度、实时三维定位、误差不随定位时间而积累等优点博得了人们的青睐。目前动态差分定位技术实现了实时导航和定位功能，高精密定位的相对精度可达。使得GPS的应用更加广泛。1.2 研究意义我国20世纪70年代河南板桥、石漫滩两座水库溃坝，给社会和人民带来极大灾难；20世纪90年代青海沟后水库溃坝，再次造成巨大损失。这3座水库溃坝事件，留下了让人们永远难忘的深刻教训。多年来，我国大、中型水电站大坝虽未发生溃坝失事，但重大工程事故却多次出现，个别装机容量较小的大坝，也曾溃决失事。现将19

9、61至1998年之间，水电站大坝发生的21起事故。前事不忘，后事之师，认真分析这些事故的原因，从中吸取深刻教训，无疑是非常必要的。大多数事故与设计阶段的失误、施工过程遗留下的隐患、运行管理中的差错等因素有关。应强化设计、施工、运行全过程的风险意识和安全管理。对运行中的大坝要坚持实施定期检查，及时维修加固和改造，认真进行安全注册，严密制定汛期和低水位时的防范措施，加大科研力度和开展险情预计，以防止重大事故的突然发生。GPS技术在变形监测方面主要应用于以下领域：首先，利用GPS技术解决了常规观测中需要多种观测的问题，观测结果能充分反映滑坡的全方位活动性,是监测滑坡变形、掌握滑坡发育规律的切实可行的

10、技术；其次，该技术可对大型建筑物位移时监测,具有受外界影响小、自动化程度高、速度快、精度较高等优点，可以全天候测量被测物体各测点的三维位移变化情况,找出被测物体三维位移的特性规律，为大型建筑物的安全营运、维修养护提供重要的参数和指导；GPS精密定位技术不仅可以满足水库大坝外观变形监测工作的精度要求，而且有助于实现监测工作的自动化。另外，GPS技术还应用于地面、海上勘探平台及高层建筑物等的沉陷观测中。并实现在这些领域的中的实时监测，及时预报。1.3 GPS变形监测技术背景变形监测技术包括常规大地测量技术、特殊变形测量技术、摄影测量技术和GPS技术。在20世纪80年代以前,变形监测主要是采用常规大

11、地测量和某些特殊测量技术。常规大地测量, 是采用经纬仪、水准仪、测距仪、全站仪等常规测量仪器测定点的变形值, 其优点是: 能够提供变形体整体的变形状态;适用于不同的监测精度要求、不同形式的变形体和不同的监测环境；可以提供绝对变形信息。但外业工作量大, 布点受地形条件影响, 不易实现自动化监测。特殊测量手段包括应变测量、准直测量和倾斜测量, 它具有测量过程简单、可监测变形体内部的变形、容易实现自动化监测等优点, 但通常只能提供局部的和相对的变形信息。摄影测量技术包括地面摄影测量技术和航空摄影测量技术。近10余年来, 近景摄影测量在隧道、桥梁、大坝滑坡、结构工程及高层建筑变形监测等方面得到了应用,

12、其监测精度可达到mm 级。与其他变形监测技术相比较,近景摄影测量的优点是: 可在瞬间精确记录下被摄物体的、信息及点位关系；可用于规则、不规则或不可接触物体的变形监测；相片上的信息丰富、客观而又可长期保存,有利于进行变形的对比分析；监测工作简便、快速、安全。近几年发展起来的数字摄影测量技术, 也在建筑物及滑坡等变形监测中得到了成功的应用,并显示出良好的应用前景。此外, 空中摄影测量技术亦在较大范围的地面变形监测中得到了应用。但由于摄影距离不能过远, 且大多数的测量部门不具备摄影测量所需的仪器设备, 摄影测量技术在变形监测中的应用尚不普及。GPS技术的应用给测量技术带来了一场深刻的革命。据资料介绍

13、, 国外从20世纪80 年代开始用GPS进行变形监测。从90年代以来, 世界上许多国家纷纷布设地壳运动GPS监测网, 为地球动力学研究和地震与火山喷发预报服务。例如, 日本国土地理院从1993年开始了GPS 连续观测网的筹建工作, 到1994年日本列岛已建立由210个GPS连续观测站组成的连续监测系统( COSMOS), 目前的观测站总数已发展到1000多个。该系统于1994年10 月1日正式起用, 10月4日就监测到北海道东部近海8􀀁 1级大地震, 并清晰地记录了地震前后的地壳形变。此后, 又成功地捕捉到三陆远海地震及兵库县南部地震的地壳形变。1995年1月17日, 在日本

14、阪神7􀀁 2级大地震后, 该系统在进行快速、准确、精细地监测与分析地壳运动方面起到了很大的作用。1.4 GPS在变形监测中的研究现状经过近十年的迅速发展,GPS观测边长相对精度已经能够达到,比传统大地测量精度提高了3个量级。GPS技术在变形监测方面主要应用于以下领域:首先,利用GPS技术解决了常规观测中需要多种观测的问题,观测结果能充分反映滑坡的全方位活动性,是监测滑坡变形、掌握滑坡发育规律的切实可行的技术；其次,该技术可对大型建筑物位移实时监测,具有受外界影响小、自动化程度高、速度快、精度较高等优点,可以全天候测量被测物体各测点的三维位移变化情况,找出被测物体三维位移的特性

15、规律,为大型建筑物的安全营运、维修养护提供重要的参数和指导；第三,GPS精密定位技术不仅可以满足水库大坝外观变形监测工作的精度要求,而且有助于实现监测工作的自动化。基于GPS技术的变形监测理论与方法，是当前广泛采用的变形监测新方法、新技术之一。GPS卫星定位技术相比于传统的测绘作业方法与模式有着显著的特点和优越性，其优越的性能及广泛的适用性，是常规测量作业难以比拟的。GPS以其全天候、高精度、高效率、实时动态等优点，成为当今极为重要的监测手段之一。如今，GPS技术已广泛应用与地壳运动观测，区域地面沉降监测，矿区、坝区边坡稳定性监测，桥梁大坝及其他大型工程形变监测等诸多方面并取得了一系列成果，在

16、实践中逐步发展、完善，积累了丰富的经验。将GPS技术应用于桥梁工程的变形监测方面，国内外开展了广泛的研究和试验。80年代初，我国一些院校和科研单位已开始研究GPS技术。十多年来，我国的测绘工作者在GPS定为基础理论研究和应用开发方面作了大量工作。80年代中期，我国引进GPS接收机，并应用于各个领域。同时着手研究建立我国自己的卫星导航系统。至今十多年来，据有关人士估计，目前我国的GPS接收机拥有量约有10万台左右，其中测量类约800-1200台，航空类约几百台，航海类约6万多台，车载类约2万多台。而且以每年2万台地速度增加。足以说明GPS技术在我国各行业中应用的广泛性。在工程测量方面，应用GPS

17、静态相对定位技术，布设精密工程控制网，用于城市和矿区油田地面沉降监测、大坝变形监测、高层建筑变形监测、隧道贯通测量等精密工程。加密测图控制点，应用GPS实时动态定位技术（简称RTK）测绘各种比例尺地形图和用于工程建设中的施工放样。在大地测量方面，利用GPS技术开展国际联测，建立全球性大地控制网，提供高精度的地心坐标，测定和精化大地水准面。组织个部门参加1992年全国GPS定位大会战。经过数据处理，GPS网点地心坐标精度优于0.2m，点间位置精度优于10-8。在我国建成了平均边长约100km 的 GPS A级网，提供了亚米级精度地心坐标基准。此后，在A级网的基础上，我国又布设了边长约30-100

18、km的B级网，全国约2500个点。A、B级GPS网点都联测了几何水准。这样，就为我国各部门的测绘工作，建立各级测量控制网，提供了高精度的平面和高程三维基准。我国已完成西沙、南沙群岛个岛屿与大陆的GPS联测，使海岛与全国大地网联结成一个整体。在地球动力学方面，GPS技术用于全球板块运动监测和区域板块运动监测。我国已开始运用GPS技术监测南极洲板块运动、青藏高原地壳运动、四川鲜水和地壳断裂运动，建立了中国地壳形变观测网、三峡库区形变观测网、首都圈GPS形变监测网等。GPS技术已经用于海洋测量、水下地形测绘。此外，在军事国防、智能交通、邮电通信，地矿、煤矿、石油、建筑以及农业、气象、土地管理、环境监

19、测、金融、公安等部门和行业，在航空航天、测时授时、物理探矿、姿态测定等领域，也都开展了GPS技术的研究和应用。在航空摄影测量方面，我国测绘工作者也应用GPS技术进行航测外业控制测量、航摄飞行导航、机载GPS航测等航测成图的各个阶段。在我国，也有许多将GPS技术成功运用于桥梁变形监测的案例。广东虎门大桥有限公司联合清华大学地球空间信息研究所于2000年5月建立了利用GPS RTK技术的虎门大桥实时动态三维位移监测系统，该系统包括1个GPS基准站、7个GPS监测站，光纤数据传输系统和中心计算机系统及相关的数据采集传输和数据处理软件。实现多测点的实时数据双向传输和远程系统管理。该系统能在各种条件下2

20、4小时运行，可以监测悬索桥在风荷载、温度变化、地震和车辆等因素激励下的三维位移变化情况，并可分析箱梁振动频率，箱梁扭转和整桥变形。通过长期积累这些数据，可以分析悬索桥在实际运行状况下的规律及其安全特性规律，可做为安全监测的手段之一。该系统的建立，为悬索桥的科学管理提供强有力的手段，分析掌握所积累的数据，可以印证原设计的准确性，提高中国的悬索桥设计理论水平。该技术的开发应用有助于提高中国悬索桥等大型构筑物的安全监测水平。此外，天津永河大桥、江苏苏通大桥等大型桥梁也都采用GPS技术进行了监测。前人的研究为GPS技术在桥梁监测中的应用打下了基础，为后续研究提供了理论依据。GPS与其它传感器结合用于桥

21、梁健康监测已形成了趋势。在数据处理方面，基于GPS技术的变形监测数据处理主要包括GPS定位测量的数据处理及工程变形监测的数据处理、变形分析和预报两方面。GPS应用与在变形监测领域，多采用静态相对定位方式和实时动差分定位方式(GPS RTK模式)。在GPS静态相对定位中，一般采用载波相位差分技术。根据求差的方式可分为单差法、双差法及三差法。在GPS测量的数据处理中，整周未知数的求解以及周跳的探测与修复是GPS数据处理中的关键问题。此外，电离层延迟模型、对流层延迟模型的改进与完善、多路径效应影响等方面的研究也是GPS数据处理中的重要内容。2 GPS基本原理2.1 GPS全球定位系统概述卫星导航定位

22、技术是现代新技术革命中电子技术与空间技术相结合的重大成果, 是对传统的导航定位技术的重大突破和变革。全球定位定位系统(CPS)的英文名字为Global Positioning System，是“卫星测时测距导航全球定位系统”的简称。它的含义是利用导航卫星进行测时和测距以构成全球定位系统。它是由美国国防部主导开发的一套具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航定位系统。GPS是以卫星为基础的无线电卫星导航定位系统, 它具有全能性、全球性、全天候、连续性和实时性的精密三维导航与定位功能, 而且具有良好的抗干扰性和保密性。经近10 年我国测绘、资源管理、勘测、设计等部门的使用表

23、明, GPS以全天候、高精度、自动化、高效益等显著特点, 赢得广大使用者的信赖, 并成功地应用于大地测量、工程测量、资源勘察、定位监测、航空摄影测量、导航和管理等, 给测绘及相关领域带来一场深刻的技术革命。全球定位系统是美国第二代卫星导航系统。是在子午仪卫星导航系统的基础上发展起来的, 它采纳了子午仪系统的成功经验。是迄今最好的导航定位系统。随着全球定位系统的不断改进, 硬、软件的不断完善, 应用领域正在不断的开拓, 已遍及国民经济各个部门, 并开始逐步深入人们的日常生活。目前, 范围上数公里至几千公里的控制网或定位监测网, 精度上从百米至毫米级的定位, 一般都将GPS 作为首选手段,随着RT

24、K 技术的日趋成熟, GPS 已开始向分米乃至厘米级的放样、高精度动态定位等领域渗透。2.2 GPS的特点GPS作为一种导航和定位系统，以其精度高、全天候、高效率、多功能、易操作应用广等特点著称。（1） 定位精度高 大量实践和研究表明，用载波相位观测量进行静态相对定位，在小于50km的基线上，精度可达1ppm，而在100500km的基线上可达0.1ppm。随着观测技术与数据处理方法的不断优化，在大于 1000 km 的距离上，相对定位精度可达到0.01ppm，其精度是惊人的。在3001500m 工程精密定位中，1h以上观测的解其平面位置误差小于1mm，与ME-5000电磁波测距仪测定的边长比较

25、，其边长较差最大为0.5mm，较差中误差为0.3mm。（2） 观测时间短随着GPS系统的不断完善，软件水平的不断提高，观测时间已由以前的几小时缩短至现在的几十分钟，甚至几分钟。目前，20km以内相对静态定位，仅需1520min；快速静态相对定位测量时，每个流动站与基准站相距在15km以内时，流动站观测时只需12min；动态相对定位测量时，流动站出发时观测12min，然后可以随时定位，每站观测只需几秒钟。（3） 测站间无需通视既要保持良好的通视条件，又要保障测量控制网的良好结构，这一直是经典测量技术在实践方面的难题之一。而GPS测量不需要观测站之间相互通视，只需测站上空开阔即可，因此可节省大量的

26、测量经费和时间，同时也使点位的选择更加灵活，经济效益不断提高。（4） 仪器操作简便随着GPS接收机的不断改进，自动化程度越来越高，有的已经达到“傻瓜化”的程度；接收机的体积越来越小，重量越来越轻，极大的减轻测量工作者的工作紧张程度和劳动强度。使野外工作变得轻松愉快。（5） 全球全天候作业GPS测量工作，可以在任何地点任何时间连续进行，不受天气状况的影响。（6） 可提供三维坐标经典大地测量将平面与高程采用不同方法分别施测，而GPS测量可同时精确测定观测站平面位置和大地高程。GPS定位是在全球统一的WGS-84坐标系统中计算的，因此全球不同地点的测量成果是相互关联的。（7） 功能多，应用广泛 GP

27、S系统不仅用于测量、导航，还可用于测时、测速。测速的精度可达0.1ms，测时的精度可达几十毫微秒。其应用领域不断扩大2.3 GPS系统的组成GPS系统主要由三大部分组成，即空间部分GPS卫星星座；地面控制部分地面监控系统；用户设备部分GPS信号接收机（如图1）。 图1.GPS系统（一）空间部分GPS卫星星座GPS工作卫星及其星座由21颗工作卫星和3颗在轨道备用卫星组成GPS卫星星座,记( 21+3) GPS星座。24颗卫星均匀分布在6个轨道平面内, 轨道倾角为55, 各个轨道平面之间相距60,卫星高约20200km。位于一地平线上的卫星颗数随着时间和地点的不同而不同,最少可见到4颗,最多可见到

28、11颗。在用GPS信号导航定位时, 必须观测4颗GPS卫星,称为定位星座。（二）地面控制部分一地面监控系统GPS卫星的地面控制系统由分布在全球的一个主控站、三个注入站和五个监测站组成。主控站位于美国本土科罗拉多能够收集各监测站送来的跟踪数据，计算卫星轨道和钟差参数，并发送至注入站，由注入站转发至各卫星。主控站还起监控站的作用。并能够诊断卫星的工作状态，进行必要的调度。监测站跟踪视野内所有的CPS卫星。收集卫星测距信息，采集气象要素等数据，并将收集到的信息传送到主控站。注入站的主要作用是将主控站发来的导航电文注入到相应卫星的存储器。(三）用户设备部分GPS信号接收机GPS信号接收机能够捕获到按一

29、定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号，并跟踪这些卫星的运行，对所接收到的GPS信号进行交换，放大和处理，再通过计算机和相应的数据处理软件，经过基线解算，网平差等，求出测站点的三维坐标。2.4 GPS信号GPS卫星发射两种频率的载波信号, 即频率为1575.42MHz的L1载波和频率为1227.60HMz的L2载波,它们的频率分别是基本频率10.23MHz的154倍和120倍,它们的波长分别为19.03cm和24.42cm。L1载波：fl=15410.23=157542MHz，波长为入1=19.032cmL2载波：f2=12010.23=12276MHz波长为x 2=24.42cm(式中：10

30、.23MHz为时钟基本频率)在L1和L2上又分别调制着多种信号,这些信号主要有:(1) C/A码又被称为粗捕获码,它被调制在L1载波上,是1MHz的伪随机噪声码( PRN码) ,其码长为1023位(周期为1m s)。由于每颗卫星的C/A码都不一样,因此, 我们经常用它们的PRN号来区分它们。C /A 码是普通用户用以测定测站到卫星间的距离的一种主要的信号。(2) P码又被称为精码,它被调制在L1 和L2载波上,是10MH z的伪随机噪声码, 其周期为七天在实施AS时, P码与W码进行模二相加生成保密的Y码,此时,一般用户无法利用P码来进行导航定位。(3)导航信息: 导航信息被调制在L1 载波上

31、, 其信号频率为50H z, 包含有GPS卫星的轨道参数、卫星钟改正数和其它一些系统参数。用户一般需要利用此导航信息来计算某一时刻GPS卫星在地球轨道上的位置, 导航信息也被称为广播星历。2.5 GPS定位原理GPS定位是根据测量中的距离交会定点原理实现的。如图2所示, 在待测点Q设置GPS接收机, 在某一时刻同时接收到3颗(或3颗以上)卫星、所发出的信号。通过数据处理和计算, 可求得该时刻接收机天线中心(测站点) 至卫星的距离、。根据卫星星历可查到该时刻3颗卫星的三维坐标(, ,) , j= 1, 2, 3, 从而由下式解算出Q 点的三维坐标(, ,): 图2.定位测量原理根据接收到的不同卫

32、星信号和处理方法不同，GPS卫星定位的主要方式可分为伪距测量定位、载波相位测量定位和差分GPS定位。对于待定点，根据运动状态可分为静态定位和动态定位。单台GPS接收机进行的定位成为单点定位或绝对定位；两台或两台以上接收机分别安置在不同的待测点上，通过同步观测卫星信号，确定待测点的相对位置，成为相对定位。（一）伪距测量：（1）卫星依据自己时钟（钟脉冲）发出某一结构的测距码，经过t时的传播到达GPS接收机。（2）接收机在自己钟脉冲驱动下，产生一组结构完全相同的复制码。（3）通过时延器使之延迟时间T，对两码进相关比较。（4）直至两码完全对齐，相关系数R（t）= max =1，则该时间延迟T即为传播时间t( T = t )。（5）距离=ct=cT 。由于实际中卫星钟和接收机钟存在着误差，所以上述方法求出的距离将受到两台钟不同步的误差影响。此外，卫星信号还需要穿过电离层和对流层到达地面观测站，在电离层和