GPS变形监测中的应用

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　　摘要：如今在人类生活、生产建设中，出现了越来越多的山体、基坑塌陷等的灾害。由于多种因素的影响，在一定的时间内发生某种程度的变形，这种变形在一定范围内往往是允许的，但当其超出一定值时，就很可能会变成灾害。要预防这些灾害的发生，就必须进行变形监测，分析变形产生的原因，总结变形发展的规律。目前变形监测技术和方法很多，但GPS定位技术以其高精度、高效益、全天候和不需通视等优点在变形监测中独受青睐。下文详细介绍了GPS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的方法。并以南京地铁二号线经天路站南侧山体滑坡检测为例说明该技术的实现。
　　关键词：变形；监测技术；GPS系统；应用
　　变形是自然界历来普遍存在的现象，它是指变形体在各种外力作用下，其形状、大小及位置在时间域和空间域中发生变化。所谓变形监测，就是利用测量仪器与专用仪器和方法对变形体的变形现象进行监视观测的工作。其任务是在确定各种荷载和外力作用下，变形体的形状、大小及位置变化的空间状态和时间特征。
　　由于人类的生活、生产领域不断扩大，大量隐藏地质灾害、大型建筑物和工业设施出现，如摩天大楼、塔型高大建筑、巨型水电站的拦水坝和特种精密型运动设施等。由于种种原因的影响，这些高大工程建筑物和设施在运营过程中都会发生某种程度的变形。如果其变形保持在一定的范围内，则可认为是正常现象，否则就会影响建筑物的正常使用，严重时还会影响建筑物的安全，山体变形到一定程度，就会形成灾害。因此，对空间点位移动状况进行监测就显得尤为重要，这也对传统的变形监测的手段方法提出了挑战。随着现代化测绘仪器的出现和3S技术及计算机软、硬件技术的进步，变形监测正在向数据采集自动化、内外业处理―体化和变形分析的综合化等方向发展，而目前现有变形监测数据处理系统处理数据来源单一、模型简单，不能完全符合各种变形监测。
　　随着GPS接收机的小型化，测量的速度和精度不断提高，更最主要GPS价格大幅降低，GPS在我国的变形监测领域中得到应用。1998年，我国的隔河岩大坝外部变形首次采用GPS自动化监测系统，该系统具有速度快、全天候观测、测点间无需通视、自动化程度高等优点，对坝体表面的各监测点能进行同步变形监测，并实现了数据采集、传输、处理、分析、显示、存储等的一体化和自动化，测量精度可达到亚毫米级。目前，GPS变形监测系统在硬件上区分主要有一机一天线和一机多天线两种模式，这两种模式各有其特点，前者的观测精度高系统稳定可靠，后者在系统建设经费方面有一定的优势。变形监测的目的是获得变形体变形的空间和时间特征，并做出变形的几何分析和物理解释，在实际生活中有重要意义，同时又具有重要的理论意义。实用上的意义主要是分析、监测各种工程建筑物稳定性及安全性，及时发现问题，以便采取措施，预防事故。
　　现在静态GPS价格低廉，外接端口兼容性好，可以驳接GPRS、电台实现远程控制。
　　1、GPS定位系统的组成
　　GPS系统包括三大部分：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。
　　1.1GPS卫星星座
　　由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成GPS卫星星座，记作(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°，即轨道的升交点赤经各相差60°。每个轨道平面内各颗卫星之间的升交角距相差90°，一轨道平面上的卫星比西边相邻轨道平面上的相应卫星超前30°。
　　1.2地面监控系统
　　对于导航定位来说，GPS卫星是一动态已知点。星的位置是依据卫星发射的星历―――描述卫星运动及其轨道的参数算得的。每颗GPS卫星所播发的星历，是由地面监控系统提供的。卫星上的各种设备是否正常工作，以及卫星是否一直沿着预定轨道运行，都要由地面设备进行监测和控制。地面监控系统另一重要作用是保持各颗卫星处于同一时间标准―――GPS时间系统，这就需要地面站监测各颗卫星的时间，求出钟差，然后由地面注入站发给卫星，卫星再由导航电文发给用户设备。GPS工作卫星的地面监控系统包括一个主控站、3个注入站和5个监测站。
　　1.3GPS信号接收机
　　GPS信号接收机的任务是：能够捕获到按一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信号进行变换、放大和处理，以便测量出GPS信号从卫星到接收机天线的传播时间，解译出GPS卫星所发送的导航电文，实时地计算出测站的三维位置，甚至三维速度和时间。
　　GPS卫星发送的导航定位信号，是一种可供无数用户共享的信息资源。对于陆地、海洋和空间的广大用户，只要用户拥有能够接收、跟踪、变换和测量CPS信号的接收设备，即GPS信号接收机。
　　近几年，国内引进了许多种类型的GPS测地型接收机。各种类型的GPS测地型接收机用于精密相对定位时，其双频接收机精度可达5mm―lpgm.D(D以km为单位)，单频接收机在一定距离内精度可达10mm―lppm.D(D以公里为单位)，用于差分定位其精度可达dm级至cm级。
　　目前，各种类型的GPS接收机体积越来越小，重量越来越轻，便于野外观测。GPS和GLONASS兼容的全球导航定位系统接收机已经问世。
　　2、GPS定位的基本原理
　　GPS定位系统的设计思想是以人造卫星作为参考点，从而确定物体在地球上的位置。GPS定位系统中常用的方法有伪距法、载波相位测量法和射电干涉测量法，其中载波相位测量法是目前GPS测量中精度量高的测量方法。
　　载波相位测量原理是载波相位观测通过测定GPS接收机本振参考信号与卫星载波信号的相位差，间接测定卫星到接收机天线间几何距离。卫星发出一个载波信号，在任一时刻t其在卫星S处的相位为φS，而此时经距离ρ传播到接收机K处的信号，其相位为φK，则由S到K的相位变化为(φS-φK)，在(φS-φK)中包含了整个周期和不足一个周期的小数部分。则卫星S到接收机K的距离ρ即为
　　
　　
　　式中N0―――载波相位(φS-φK)的整周期部分；
　　△φ―――不足一周的小数部分；
　　λ―――载波的波长，为已知值。
　　载波相位观测量是接收机与卫星位置的函数，只有得到它们之间的函数关系，才能从观测量中求解接收机的位置。
　　3、GPS变形监测网的设计
　　在进行GPS变形监测时，首先要符合《全球定位系统GPS测量规范(规程)》，还要根据国家标准《工程测量规范》变形观测的等级划分精度。建(构)筑物的安全监测，其观测中误差一般应小于允许变形值1/20~1/10。变形监测网中的基准点应埋设在建(构)筑物变形影响之外，观测方便并且不受施工影响的地方。监测点应布设在被监测对象内有代表性的、变形敏感部位的地点，使监测点的变化能真正反映建(构)筑物的变形状况。实地埋设基准点与监测点时一定注意避免点附近有雷达站、电台、高大建筑物及大面积的水域等，以减少噪声与地面反射的影响。因为多路径效应难以用模型来削弱.最好的方法是采取预防措施。
　　GPS变形监测网基准点和监测点选定后，观测方案的拟定对整个GPS网的精度起到重要的作用，试验表明，较好的观测方案有： (1)多台CPS接收机的同步观测方案，如果实际情况允许，最好做到每点1机进行同步观测。(2)多期观测应做到每期观测时GPS接收机台数不变，接收机的型号不变。(3)每期观测时应选择最佳卫星分布且卫星较多的时段，如能够注意到相同或相似的分布状态则更好。(4)基准点间以及基准点与变形点之间距离不宜超出5km。有条件的地方最好引入高级GPS点的WGS-84坐标作为GPS变形监测网的位置基准，提高基线解算的精度。采样率的选择根据所需要的精度进行，常以10~20s一次为宜。通常认为数据采样期间监测点不发生变形，即认为天线处于静止状态。

　　4、GPS变形监测方案的实施
　　为了更好地完成变形监测任务，必须要有一个周详的变形监测方案。一般变形监测方案制定的主要内容有：监测内容的确定、监测精度的确定，监测部位和测点布置的确定以及监测周期的确定。以南京地铁二号线经天路站南侧山体滑坡检测为例说明该技术的实现。现场长约200米、宽约80米，约60度坡度，为了掌握山体变形情况，工程收委托设9个监测点，按设计要求平面5cm位移时报警。根据要求，现场布设9个监测点，同时安置常规仪器监测点位。为了节省成本并提高精度，单位开发了自动换接器（由单片机控制，每间隔1秒接通天线，停留5秒，断开1秒，接通下一根天线…重复），这样就可以使用两台GPS接收机控制9个天线，节省成本，同时消除了仪器间的误差。
　　
　　
　　
　　本方案中，GPS天线使用拓普康PG-A1零相位天线，拓普康Hiper接受机，GPRS-P2P点对点数传模块无线控制。在办公室对通过GPRS-P2P点对点数传模块，下达数据传输指令、监视仪器状态双工控制。数据传回后，首先分离是出来各点位的数据，然后计算。
　　5、GPS变形监测误差的消除
　　利用GPS进行定位，会受到各种各样因素的影响。影响GPS定位精度的因素可分为4类：与GPS卫星有关的因素、与传播途径有关的因素与接收机有关的因素以及其他因素。
　　这些因素包括SA政策、卫星星历误差、卫星钟差、卫星信号发射天线相位中心偏差、电离层延迟、对流层延迟、多路径效应、接收机钟差、接收机天线相位中心偏差、周跳的影响、接收机软件和硬件造成的误差、GPS控制部分人为或计算机造成的影响、数据处理软件的影响、地球自转的影响和相对论效应影响等。
　　上述各项误差对测距的影响非常大，可达10m，甚至超过100m，比观测噪声大好几个数量级，因此必须设法加以消除，否则将会对定位精度造成极大的影响。目前，对于误差消除的方法已有很多，如对于电离层误差和对流层误差，由于两个相隔很近的地点两个误差参数很相近，可以采用求差法加以消除；对于钟差、相对论效应，通过建立一定的改正模型，可以得到极大的改善，电离层延迟和对流层延迟也可以用这种方法加以改正；对于卫星星历影响清除，可以采用国际GPS服务(1GS)站上的精密星历。但是还有些因素是偶然的，没有统一的理论和公式能够消除，对于这些因素所带来的误差，只有通过研究其对测量的影响特点进行改善。
　　6、GPS在变形监测中应用
　　随着社会和生产的飞速发展，各种大型的工程建筑物越来越多，所以其变形监测时工作也越来越重要。但是若用传统的测量方法不仅工作量大，而且其精度也很难达到。GPS(全球卫星定位系统)自20世纪80年代中叶投入使用后，已广泛地在导航、定位等各领域应用，尤其在测量界的控制测量中起了划时代的作用。正因为它在静态相对定位中的高精度、高效益、全天候、不需通视等优点，使人们普遍采用其来代替(逐渐地)常规的三角、三边、边角等方法，并在理论，实践中取得了可喜的成果，在变形监测中显示出传统监测技术所无法取代的重要作用。特别是远程监测使得测量更加方便，相信以后的变形监测会越来越简单、高效
　　7、已知问题及解决方法。
　　现方案中换接器的时钟稳定性不准确。实际中测量,使用换接器方便、节省成本、有利于提高精度，换接器的换接频率和GPS接受机采样频率要计算好，实验证明即使换接器要选用优质时钟晶振，也会换接器时钟不准有可能造成个别点位采集不到数据。解决此问题换接器加入定期读取GPS星历数据校准时钟功能。
　　注：文章中涉及的公式和图表请用PDF格式打开

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