GPS在變形監(jiān)測中的運用

1、摘要變形監(jiān)測是按照一定的周期對變形體進行重復觀測以確定其形狀在空間位置隨時間的變化 量，并利川觀測結果總結出變形規(guī)律從而監(jiān)測變形體的運動.對并形體監(jiān)測有實時觀測和周 期性觀測，如果變形體變形緩慢，一般選取周期性變形監(jiān)測，變形體有可能在壓力作用下瞬 間發(fā)生變形,則使用需要實時監(jiān)測。每一種變形體在變形過程中需要同時獲取大雖和關數(shù)據(jù), 如杲臨測環(huán)境惡劣、高溫、高壓或者工作人員不能直接到達，同吋滿足在臨測過程中不能彫 響生產(chǎn)施工等眾多要求。傳統(tǒng)的測量方法觀測吋間長，勞動量大已經(jīng)不能滿足變形監(jiān)測的要 求，gps定位技術具有精度高、速度快、全天候，借助gps數(shù)據(jù)解算軟件可同吋獲得空間 點的三維朋標，已經(jīng)廣

2、泛在變形監(jiān)測中得到應用。本文對變形監(jiān)測、gps觀測原理、ashlechsolinions后處理軟件包的原理進行了說明，并借助 分析gps在某大壩獲得的兩期數(shù)據(jù)，川ashtech solutions后處理軟件包進行對控制網(wǎng)的數(shù)據(jù) 處理平差解算，從而解算出觀測點的在wgs-84坐標系下的坐標，比較各個時期的觀測數(shù) 據(jù)，完成對此大壩的監(jiān)測。關鍵字：變形監(jiān)測gps技術ashtech solutions后處理軟件包abstractdeformation monitoring is observing the plasmodium repeatedly and periodically, to make

3、sure the variation of its spatiallocation .and summarizes it's deformation rules, deformation monitoring is classified by real-time monitoring and periodic monitoring, generically, if the process of deformation is slow, we choose periodic monitoring, if the plasmodium may deform momentarily, we

4、choose real-time monitoring every kind of monitoring need require lots of numbers traditional methods demand long time ,great work ,but has low work efficiency even those ways can't work under the atmosphere of hyperthermia and hyperpiesiathis paper mainly introduces the theory of deformation th

5、at it's not access the workers gps positioning technology has many advantages, such as: high accuracy fast speed ,real-time, acquiring the 3d coordinates directly of spatial points, as a result ,it has been popularly applied in the filed of deformation monitoring. motion monitoring ,gps observat

6、ion ashtech solutions software, obtains the coordinates of spatial points in the wgs-84 coordinate with the help of data. compare two periods' observation data, and then finish the monitoring of dam.keywords: deformation monitoring , gps technology, ashtech solutions1概述隨著經(jīng)濟、社會的發(fā)展，科學技術的進步，人們對高質(zhì)量的

7、人型橋梁、水電站的需求也口益 增長，同時，我國己經(jīng)投入較大的人力、物力、財力修路筑橋，目詢我國已是世界壩工大國, 修建了8萬多座壩，這些工程興利除害，為國民經(jīng)濟發(fā)展發(fā)揮了戸人作用。我國由電力部門 負責管理的130多座水電站大壩，從數(shù)量上看，雖然只山全國筑壩總數(shù)的很小一部分，但在 國計民生中卻占有特別重要的地位，這些大壩的安全，不僅直接影響到水電站自身發(fā)、供電 效益的發(fā)揮，并與下游人民的生命財產(chǎn)、國民經(jīng)濟建設命脈乃至生態(tài)環(huán)境密切相關。水電站 人壩與世界上所有建筑物一樣，都有一個建成使用、漸趨老化直到消亡的過程，人們奮斗的 目標，就是要對這一過程實行有效的控制，延長大壩的正常使用年限，避免人壩潰決

8、失事造 成巨大災難。大壩潰決失事是一種突發(fā)性事件，當其發(fā)生吋己無法挽冋，但引起大壩潰決失 事的原因，是有規(guī)律可尋的，多數(shù)大壩的潰決失事，是某些不安全因素rtr量變發(fā)展到質(zhì)變的 結果。如何從大壩已經(jīng)發(fā)主的一些事故中，總結出經(jīng)驗教訓，及時采取對策，消除大壩的病 害和隱患，防微杜漸，防患于未然，這是擺在廣人壩工建設和管理人員而前的重人課題。多 事故的發(fā)生，也対我們經(jīng)濟和人民生命安全造成了威脅，同時，造成很大損失，i大i此，對壩 體的實時監(jiān)測顯得尤為重要。變形監(jiān)測方法主要有傳統(tǒng)的人地測量方法、特殊人地測量方法、 攝影測量方法、智能全站儀、空間測量技術等，近年來，由于gps具有勞動量相對小、全 天候、速

9、度快、精度高等優(yōu)點己經(jīng)廣泛應用于地表的變形監(jiān)測，對于較小區(qū)域監(jiān)測，利用最 小二乘原理來估計或者通過基線向量的重復性來評定時程序較為常用，ashtech solutions軟 件恰好可以根據(jù)觀測數(shù)據(jù)運用最小二乘算法，對觀測數(shù)據(jù)進行結算、平差，并且結果滿足精 度要求，在gps數(shù)據(jù)處理中的應用得到廣泛的研究。對不穩(wěn)定區(qū)域跡行及時監(jiān)測，避免災 難性事故的發(fā)生。1.1研究目的和意義我國20 i比紀70年代河南板橋、石漫灘兩座水庫潰壩，給社會和人民帶來極大災難；20 iu： 紀90年代青海溝后水庫潰壩，再次造成巨大損失。這3座水庫潰壩事件，留下了讓人們永 遠難忘的深刻教訓。多年來，我國大、中型水電站大壩雖

10、未發(fā)生潰壩失事，但重大工程事故 卻多次出現(xiàn)，個別裝機容量較小的大壩，也曾潰決失事。現(xiàn)將1961至1998 間，水電站 人壩發(fā)生的21起事故。前爭不忘，后事之師，認真分析這些事故的原因，從屮吸取深刻教 訓，無疑是非常必耍的。大多數(shù)事故與設計階段的失誤、施丄過程遺留下的隱患、運行管 理中的差錯籌因素有關。應強化設計、施工、運行全過程的風險意識和安全管理。對運行中 的人壩要堅持實施定期檢查，及時維修加固和改造，認真進行安全注冊，嚴密制定汛期和低 水位時的防范措施，加人科研力度和開展險情預計，以防止重大爭故的突然發(fā)生。gps技 術在變形監(jiān)測方而主要應用于以下領域:首先，利用gps技術解決了常規(guī)觀測中需

11、要多種觀 測的問題,觀測結果能充分反映滑坡的全方位活動性，是監(jiān)測消坡變形、掌握滑坡發(fā)育規(guī)律的 切實可行的技術;其次，該技術可對大型建筑物位移實時監(jiān)測,具有受外界影響小、自動化程度 高、速度快、精度較高等優(yōu)點，町以全天候測量被測物體各測點的三維位移變化情況，找出被 測物體三維位移的特性規(guī)律，為人型建筑物的安全營運、維修養(yǎng)護提供重要的參數(shù)和指導;第 三,gps精密定位技術不僅可以滿足水庫大壩外觀變形監(jiān)測工作的精度要求,而且有助丁實現(xiàn) 監(jiān)測工作的自動化。另外,gps技術還應用于地血、海上勘探平臺及高層建筑物等的沉陷觀 測中。并實現(xiàn)在這些領域的中的實吋監(jiān)測，及吋預報。1.2 gps變形監(jiān)測技術的背呆在

12、上世紀80年代末，當人類完全掌握運川gps人造衛(wèi)星技術后，許多人壩的安全工程師開 始逐漸重視gps系統(tǒng)監(jiān)測人型建筑物的潛能。據(jù)有關報告，最早把這一系統(tǒng)應川在變形觀 測上的是瑞士的na®大壩。這份研究報告指曲，安裝在大壩將近5公里軸線上的固定永久 gps監(jiān)測儀器精度在水平距離上達到了毫米，垂ft距離上的精度在1mm2mm之間。報告 的作者也預言許多潛在的問題能夠在長期的運川屮得到解決。雖然作者短期的相關應川分析 不能揭示數(shù)據(jù)的長期分布，但仍然顯示了 gps獲取高粘度的人壩監(jiān)測數(shù)據(jù)的價值。加利福 尼亞南部的los angeles county * s pacoima人壩使用gps監(jiān)測是在

13、90年代中期。1929年建 成的高達113m的paconima防洪人壩是當時世界上最高的人壩。它已經(jīng)經(jīng)受住了 1971年 san fernando和1994年northridge地農(nóng)的嚴重破壞。大壩上布置了兩個gps測點。一個女 裝在大壩左肩止推座上混凝土操作間的屋頂上；另一個安裝在了距拱壩中心約100m的地方。 還有一個基準點安裝在了距離大壩2.5km,高度高出大壩160m的山頂上。經(jīng)過處理三年來 得到的數(shù)據(jù)，研究人員發(fā)現(xiàn)大壩拱頂每年都有一個沿上卞游移動的周期變化規(guī)律，運動幅度 大約在15mm18mm z間。這組數(shù)據(jù)也使研究人員開始分析大壩年周期運動與短期溫度變 化z間的關系。pacoima

14、大壩的報告也強調(diào)了 gps在大壩變形監(jiān)測中的重要性。我國首次 在虎門大橋采用gps rtk技術監(jiān)測橋梁的監(jiān)測的動態(tài)變化。1.3 gps在變形監(jiān)測中的研究現(xiàn)狀工程變形監(jiān)測方法主要有常規(guī)人地測量方法、特殊人地測量方法、攝影測量方法、智能全站 儀(測量機器人)、空間測量技術(如gps技術、合成孔徑雷達干技術(insar)等。近年來， 合成孔徑宙達干涉技術(insar)、gps技術、激光掃描技術、布甲.淵散射光時域反射測量技 術(botdr)、計算機層析成像(ct)技術等變形監(jiān)測新技術成為國內(nèi)外研究熱點，并得到了廣 泛應用.基于gps技術的變形監(jiān)測理論與方法，是當前廣泛采用的變形監(jiān)測新方法、新技術 之

15、一。gps衛(wèi)星定位技術相比于傳統(tǒng)的測繪作業(yè)方法與模式有著顯著的特點和優(yōu)越性，其 優(yōu)越的性能及廣泛的適用性，是常規(guī)測量作業(yè)難以比擬的。gps以其全天候、高精度、高 效率、實時動態(tài)等優(yōu)點，成為當今極為重要的監(jiān)測手段之一。如今，gps技術己廣泛應用 與地売運動觀測，區(qū)域地而沉降監(jiān)測，礦區(qū)、壩區(qū)邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測，橋梁人壩及其他大型工 程形變監(jiān)測等諸多方面并取得了一系列成果，在實踐中逐步發(fā)展、完善，積累了豐富的經(jīng)驗。 將gps技術應用于橋梁工程的變形監(jiān)測方血，國內(nèi)外開展了廣泛的研究和試驗。1997年，ashkenazi等人曾用gps系統(tǒng)實際動態(tài)測量英國的亨伯大橋(humberbridge)形變， 但由于天

16、線安置較低，實驗結果不夠理想；為驗證亨伯大橋的有限元模型，得到對建立非線 性模型十分重耍的大橋初始應變值，隨后brown等人用總重達160噸的5輛貨午作為控制 荷載，于1998年進行了第二次gps測試，分析結果顯示與有限元模型吻合良好，認為gps 可用于懸索橋的實時監(jiān)測。美國guo qing zhou等人建立了一個基于gps的多傳感器橋梁結 構變形監(jiān)測系統(tǒng)，將該系統(tǒng)布置在位于威斯康星州一座己有65年歷史的提升式橋michigan street bridge上，并通過無線和有線通信技術的結合實現(xiàn)了橋梁的遠程實時監(jiān)測?？谀镜拿?石海峽人橋(akashi kaikyo bridge),是一座主跨長度

17、為1991m,全長為391 lm的懸索橋。 fujinoy.等人用gps測定橋中跨的中點、一個塔的塔頂和橋梁一端錨底點的三維坐標，其 中錨底點的坐標用于做參照，對監(jiān)測點三維坐標進行換算以計算在橋梁軸線方向上的位移。 同時測定相應點處的溫度和風力風向，以獲取位移值和溫度的對應關系、風速與位移值的關 系，結果表明，6個月的橋塔頂端主纜溫度與gps實測加勁梁跨中撓度曲線的相關系數(shù)為 1.996,吻合較好。該系統(tǒng)gps接收機leicamclooo型，衣地震和強臺風時的數(shù)據(jù)采樣頻 率為20hzo監(jiān)測系統(tǒng)建立的廿的是保證交通女全利結構的穩(wěn)固也法國的leroy等人川gps 技術對全長為2141m，中央跨徑為

18、856m的諾曼底大橋(normandy bridge),在1995年1月 交付使用前進行了測試，證明了 gps能夠以厘米級的精度進行實吋水平位移監(jiān)測。80年代初，我國一些院校和科研單位己開始研究gps技術。十多年來，我國的測繪工作者 在gps定為基礎理論研究和應川開發(fā)方而作了人量工作。80年代屮期，我國引進gps接收 機，并應川于各個領域。同時著手研究建立我國自己的衛(wèi)星導航系統(tǒng)。至今十多年來，據(jù)有 關人士估計，忖前我國的gps接收機擁有量約有10萬臺左右，其中測量類約800-1200 fr, 航空類約幾百臺，航海類約6萬多臺，車載類約2萬多臺。而口以每年2萬臺地速度增加。 足以說明gps技術在

19、我國各行業(yè)屮應用的廣泛性。在人地測量方面，利川gps技術開展國際聯(lián)測，建立全球性大地控制網(wǎng)，提供高粘度的地 心坐標，測定和精化大地水準而。紐織個部門參加1992年全國gps定位大會戰(zhàn)。經(jīng)過數(shù)據(jù) 處理，gps網(wǎng)點地心坐標粘度優(yōu)于0.2m,點間位置粘度優(yōu)于10-8。在我國建成了平均邊長 約100km的gpsa級網(wǎng)，提供了亞米級楮度地心處標基準。此后，在a級網(wǎng)的基礎上，我 國又布設了邊長約30-100km的b級網(wǎng)，全國約2500個點。a、b級gps網(wǎng)點都聯(lián)測了幾 何水準。這樣，就為我國各部門的測繪工作，建立各級測量控制網(wǎng)，提供了高精度的平而和 高程三維基準。我國己完成西沙、南沙群島個島嶼與大陸的gp

20、s聯(lián)測，使海島與全國大地 網(wǎng)聯(lián)結成一個整體。在工程測量方而，應用gps靜態(tài)相對定位技術，布設精密工程控制網(wǎng)，用于城市和礦區(qū)汕 m地面沉降監(jiān)測、大壩變形監(jiān)測、高層建筑變形監(jiān)測、隧道貫通測量等精密工程。加密測圖 控制點，應用gps實時動態(tài)定位技術（簡稱rtk）測繪各種比例尺地形圖和用于工程建設 中的施工放樣。在航空攝影測量方血，我國測繪工作者也應用gps技術進行航測外業(yè)控制測量、航攝飛行 導航、機載gps航測等航測成圖的各個階段。在地球動力學方面，gps技術川于全球板塊運動監(jiān)測和區(qū)域板塊運動監(jiān)測。我國已開始運 用gps技術監(jiān)測南極洲板塊運動、青藏高原地殼運動、四川鮮水和地殼斷裂運動，建立了 中國地

21、殼形變觀測網(wǎng)、三峽庫區(qū)形變觀測網(wǎng)、首都圈gps形變監(jiān)測網(wǎng)等。gps技術己經(jīng)用 于海洋測量、水下地形測繪。此外，在軍事國防、智能交通、郵電通信，地礦、煤礦、石油、 建筑以及農(nóng)業(yè)、氣象、土地管理、壞境監(jiān)測、金融、公安等部門和行業(yè)，在航空航大、測時 授時、物理探礦、姿態(tài)測定等領域，也都開展了 gps技術的研究和應用。在我國，也有許多將gps技術成功運用丁橋梁變形監(jiān)測的案例。2000年，香港高速公路管 理局的kai. yue wong等人利用gps實時動態(tài)載波相位差分（rtk）技術建立了香港青馬大橋 監(jiān)測系統(tǒng)1141,在橋而、橋柱和橋塔上布有27個測站，另外還設有兩個基準站。gps接收 機與其它監(jiān)測傳

22、感器一起組成了監(jiān)測系統(tǒng)對青馬大橋的安全進行監(jiān)測，數(shù)據(jù)采樣率為10hz, 通過通信光纖把數(shù)據(jù)從各個監(jiān)測站傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理中心。該系統(tǒng)通過對橋梁位移和變形的高 粘度實時監(jiān)測和分析，為橋梁的管理和維護提供了科學的依據(jù)。廣東虎門大橋有限公司聯(lián)合清華大學地球空間信息研究所于2000年5月建立了利用gps rtk技術的虎門大橋?qū)崟r動態(tài)三維位移監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括1個gps基準站、7個gps 監(jiān)測站，光纖數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)和屮心計算機系統(tǒng)及相關的數(shù)據(jù)采集傳輸和數(shù)據(jù)處理軟件。實現(xiàn) 多測點的實時數(shù)據(jù)雙向傳輸和遠程系統(tǒng)管理。該系統(tǒng)能在各種條件下24小時運行，可以監(jiān) 測懸索橋在風荷載、溫度變化、地震和車輛等因索激勵下的三維

23、位移變化情況，并可分析箱 梁振動頻率，箱梁扭轉(zhuǎn)和幣橋變形。通過長期積累這些數(shù)據(jù)，可以分析懸索橋在實際運行狀 況下的規(guī)律及其安全特性規(guī)律，可做為安全監(jiān)測的手段之一。該系統(tǒng)的建立，為懸索橋的科 學管理提供強有力的手段，分析掌握所積累的數(shù)據(jù)，可以印證原設計的準確性，提髙中國的 懸索橋設計理論水平。該技術的開發(fā)應川有助于提高中國懸索橋等人型構筑物的安全監(jiān)測水 平。此外，天津永河大橋、江蘇蘇通大橋等大型橋梁也都采用gps技術進行了監(jiān)測。前人 的研究為gps技術在橋梁監(jiān)測中的應用打下了基礎，為后續(xù)研究提供了理論依據(jù)。gpsl 其它傳感器結合用于橋梁健康臨測已形成了趨勢。在數(shù)據(jù)處理方而，慕于gps技術的變形

24、 臨測數(shù)據(jù)處理主要包括gps定位測量的數(shù)據(jù)處理及工程變形監(jiān)測的數(shù)據(jù)處理、變形分析和 預報兩方面。gps應用與在變形監(jiān)測領域，多采川靜態(tài)相對定位方式和實時動差分定位方 式（gps rtk模式）。在gps靜態(tài)相對定位屮，一般采川載波相位差分技術。根據(jù)求差的方 式對分為單差法、雙差法及三差法。在gps測量的數(shù)據(jù)處理中，整周耒知數(shù)的求解以及周 跳的探測與修復是gps數(shù)據(jù)處理中的關鍵問題。此外，電離層延遲模型、對流層延遲模型 的改進與完善、多路徑效應影響等方面的研究也是gps數(shù)據(jù)處理中的垂要內(nèi)容。在變形分析與預報方面，小波變換理論、卡爾曼濾波理論、線性平滑理論、bp神經(jīng)網(wǎng)絡方 法、時間序列和譜分析方法、

25、灰色理論等理論方法被廣泛應用與變形監(jiān)測分析與預報，傳統(tǒng) 方法和現(xiàn)代方法并存，并向程序化、自動化、智能化、可視化方向發(fā)展。工程變形監(jiān)測技術 的發(fā)展，工程變形分析預報方法的日趨成熟，促進了 gps技術在變形監(jiān)測的應1.4本論文的主要研究內(nèi)容與論文結構本文對變形監(jiān)測、gps觀測原理、ashtechsolutions軟件原理進行了說明，并借助分析gps 在某大壩獲得的兩期數(shù)據(jù)，用ashtech solutions軟件解算出觀測點的在wgs-84坐標系下的 坐標，比較各個吋期的觀測數(shù)據(jù)，完成對此大壩的監(jiān)測。第一章主要講述gps應用于變形監(jiān)測的背景，在國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀。第二章對gps觀測的原理、變形監(jiān)測的

26、原理、gps在變形監(jiān)測中的特點進行了詳細的說明。 第三章對控網(wǎng)的布設，投影帶的選取，測量規(guī)范進行說明，以及數(shù)據(jù)的處理過程，容納后對 處理后的數(shù)據(jù)述行分析。第四章主要是對gps應用于變形監(jiān)測的展望和總結。2 gps觀測原理及在變形監(jiān)測中的應用此部分主要介紹了變形監(jiān)測、gps變形觀測原理、gps定位原理。2.1變形監(jiān)測變形是指變形體在各種荷載作用卞，其形狀、大小及位置在吋間域和空間域的變化，超出了 變形體一定的允許范圍，可能會發(fā)?；?、巖崩等口然災害。變形監(jiān)測就是利川測量儀器對選定的具有代表性的特征點進行實時或者周期性的監(jiān)測， 以確定變形體在時空中的變化，變形的類熨對分為靜態(tài)觀測和動態(tài)觀測，靜態(tài)觀

27、測是變形體 隨時間的變化而發(fā)生緩慢的變形，需要長時間多周期的監(jiān)測才能發(fā)現(xiàn)其變形規(guī)律：動態(tài)變形 主要是變形體在外界負荷壓力的作用下而發(fā)生的變形，一般這種變形是在瞬間壓力的作川下 很快的發(fā)生。變形監(jiān)測的方法：大地測量方法中，常'用的大地測量方法主要是通過測角、測邊、水準 等方法測定變形，此類傳統(tǒng)的方法費用低、精度可靠、勞動強度人等特點。gps己經(jīng)隨著 衛(wèi)星大地測量技術的發(fā)展在變形監(jiān)測領域的應用越來越廣泛，具有著傳統(tǒng)大地測最方法不可 比擬的優(yōu)點；變形監(jiān)測的新技術中合成孔徑雷達干涉技術、激光掃描技術、計算機層析成像 技術等變形監(jiān)測技術成為國內(nèi)外研究熱點，并得到廣泛應用。h前大型建筑物和大型礦區(qū)

28、在國民經(jīng)濟建設具有重要的作用，由于其女全性和精度要求 的進一步提高，更加需要周期的監(jiān)測，通過gps觀測技術來分析和評價建筑物和大型廠區(qū) 的安全狀態(tài)、驗證設計原理和反饋施工質(zhì)量、研究變形規(guī)律，進行合理分析和預報。2.2 gps變形觀測原理2.2.1 gps全球定位系統(tǒng)概述gps 的英文全稱是 navigation satellite timing and ranging global position system,簡稱 gps,有時也彼稱作navstar gps。其意為“導航星測時與測距全球定位系統(tǒng)”，或簡稱 全球定位系統(tǒng)。它是美國國防部建立的海陸空三軍共用的新一代衛(wèi)星導航系統(tǒng)。gps系統(tǒng)由3

29、部分組成：空間部分、地面監(jiān)控部分和用戶接收部分（如圖2-1 ）o圖2 - 1.gps系統(tǒng)圖2-2.gps衛(wèi)星星座（1）空間部分空間段有一系列在軌運行衛(wèi)星（來白一個或者多個衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)）構成，提供系統(tǒng)自主 導航定位服務所必必需的無線電導航定位信號。其中，gps衛(wèi)星星座由21顆衛(wèi)星和3顆備 用衛(wèi)星組成，衛(wèi)星裝備4臺高精度原子鐘，衛(wèi)星分布于6個軌道平血，軌道平均高度約為 20200km,每個軌道血上分布4顆衛(wèi)星，軌道傾角約為55°，各軌道平面升交點的赤經(jīng)相差 60° ,在相鄰軌道上,衛(wèi)星的升交距角相差30° o（2）控制部分gps地面部分由全球分布的5個地面站組成，

30、由監(jiān)測站、主控站和注入站組成。監(jiān)測 站配備有雙頻gps接收機、高秸度原子鐘、計算機和各種環(huán)境數(shù)據(jù)傳感器，對系統(tǒng)所需的 各種數(shù)據(jù)進行自動采集。主控站具有監(jiān)測站的全部功能，協(xié)調(diào)和管理地而監(jiān)測系統(tǒng)，其核心 功能為：利用監(jiān)測站的全部觀測資料，推算衛(wèi)星星歷、工作狀態(tài)、衛(wèi)星鐘差和人氣層的改正 參數(shù)等，并將并將生成的導航電文傳送給注入站；提供整個系統(tǒng)的時間基準，推算監(jiān)測站和 gps衛(wèi)星鐘差，并將鐘差編入導航電文；生成衛(wèi)星狀態(tài)和衛(wèi)星調(diào)度信息。（3）用戶部分用戶設備主要是gps接收機，主要由接收機硬件、數(shù)據(jù)處理軟件及其終端設備組成，gps 接收機的主要功能是接受gpst星信號，獲取必要的導航和定位信息和觀測量，

31、經(jīng)過數(shù)據(jù) 處理實現(xiàn)導航和定位。2.2.2 gps定位測量原理gps衛(wèi)星發(fā)送的導航定位信號一般包括載波、測距碼、和數(shù)據(jù)碼三類信號。gps導航電文 （d）碼是包含有關衛(wèi)星的星歷、衛(wèi)星工作狀態(tài)、時間系統(tǒng)、衛(wèi)星鐘運行狀態(tài)、軌道攝動改 止、大氣折射改止和rhc/a碼捕獲p碼信息的數(shù)據(jù)碼。導航電文是利用gps進行定位的數(shù) 據(jù)基礎。gps發(fā)射兩種偽隨機測距碼，即c/a碼和p碼。利川gps進行定位的定位原理實質(zhì)上是空間的三維后交會，利川衛(wèi)星星歷計算岀某一時 刻三顆衛(wèi)星的空i'可三維處標和接受機觀測數(shù)據(jù)計算接收機的坐標。由于接收機鐘差在某一時 間為未知常數(shù)，因此至少要同時觀測出四顆衛(wèi)星（如圖23 ）（2

32、1）（2-2）圖2-3. gps接收機原理根據(jù)接收到的不同衛(wèi)星信號和處理方法的不同，gps衛(wèi)星定位的主要方式可分為偽距測量 定位、載波相位測屋定位和差分gps定位。對于待定點，根據(jù)運動狀態(tài)可分為靜態(tài)定位和 動態(tài)定位。單臺gps接收機進行的定位成為單點定位，或絕對定位；兩臺或兩臺以上接收 機分別安置在不同的待測點上，通過同步觀測衛(wèi)星信號，確定待測點的相對位置，成為相對 定位。對于gps測量方法：偽距觀測，載波相位觀測，（一）偽距測量：（1）衛(wèi)星依據(jù)自己時俳（鐘脈沖）發(fā)出某一結構的測距碼，經(jīng)過（時的傳播到達gps 接收機。（2）接收機在口己鐘脈沖驅(qū)動下，產(chǎn)牛一組結構完全相同的復制碼。（3）通過時延

33、器使之延遲時間丫，対兩碼進相關比較。（4）fi至兩碼完全對齊，相關系數(shù)r （t） =max=l,則該時間延遲t r卩為傳播時間厶 （t =at）«（5）距離 p =c*at=c* t。由于實際中衛(wèi)星鐘和接收機鐘存在著誤差，所以上述方法求出的跖離將受到兩臺鐘不同步的 誤差影響，此外，衛(wèi)星信號述需耍穿過電離層和對流層到達地血觀測站，在電離層和對流層 中信號傳播的速度v不等于c,所以根據(jù)上述公式求得的距離不焰真實的距離，稱為偽距。當對偽距述行各項誤差改正，精確計算時，衛(wèi)星信號由衛(wèi)星到達測站的鐘而傳播時間：（23）在不顧及人氣折射等謀差影響的情況下，由鐘面?zhèn)鞑r間乘以光速，就得到衛(wèi)星至測站的

34、偽 距。（24）現(xiàn)顧及大氣 折射影響（25）為理想距離。顯然，偽距觀測方程中是非線性項，表示測站與衛(wèi)星之間的兒何距離：（26）由于方程為非線性方程，需要對上述方程進行線性化，線性化后的方程為：（27）有三個測站未知數(shù)以及一個鐘差未知數(shù)電離層和對流層改正一般通過專門的數(shù)學模型另行處理。這樣，接收機至少需要跟蹤4顆衛(wèi)星，才能求解。（二、）載波相位觀測gps載波信號存在著兩種頻率的正弦波l1:l2：對衛(wèi)星信號迓行調(diào)制和解調(diào)后被gps接收機接受，載波相位的測量原理為（圖24） 衛(wèi)星 信號傳至接收機的過程（圖25） o圖24載波相位觀測原理圖25.信號傳播示意圖在實際進行載波相位測量的時候，當接收機跟蹤

35、上衛(wèi)星信號，并在起始歷 元瞬間進行首次載波相位測量時，只能測到不足一整周的相位，因為載波是 -種單純的正弦，沒有任何標志，不能測得第兒周，于是出現(xiàn)了整周模糊度,相位差公式應為：(2-8)(2-9)(210)載波相位觀測示意圖：圖26.載波相位信號傳播圖由于接收機的頻率漂移比錢小，一般可以忽略，即：考慮到接收機鐘差，相位觀測方程可表示為：(211)而電流層和對流層都會對傳播相位產(chǎn)生影響，載波相位觀測方程可表示為：(2式子兩邊都乘以可轉(zhuǎn)化為：(213)載波相位觀測方程：(2-14)測向距離形式的觀測方程：(215)根據(jù)上述式子，可進行對接收機鐘差、衛(wèi)星鐘差、t星軌道誤差、多路徑效應、電離層誤差、

36、對流層誤差進行改正，并通過最小二乘原理或者卡拉曼濾波算法對數(shù)據(jù)進行實時或者后處理 的解算。其中某一時刻接收機鐘差對視為常數(shù)，多路徑效應是隨機誤差，電離層和對流層均 可以根據(jù)前期觀測值總結出其隨時間變化的模型，進行對觀測數(shù)據(jù)進行改止。2.3 gps變形監(jiān)測數(shù)據(jù)分析原理2.3.1數(shù)據(jù)處理過程gps接受機接受到的人壩數(shù)據(jù)需要通過數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)傳輸?shù)杰浖糠诌M行預處理、基 線解算和平差，其示意圖如下(2-7)：圖2-7. gps數(shù)據(jù)處理基本流程圖圖中第一步數(shù)據(jù)采集的是gps接收機野外觀測記錄的原始觀測數(shù)據(jù)，野外觀測記錄的同時 川隨機阮籍解算出測站點的位置和運動速度，捉供導航服務。數(shù)據(jù)傳輸至基線解算一般是

37、川 隨機軟件(肩處理軟件)將接收機記錄的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C，在計算機上進行預處理和棊線 解算。gps網(wǎng)平差包括gps基線向量網(wǎng)平差、gps網(wǎng)與地而網(wǎng)聯(lián)合平差等內(nèi)容。整個數(shù)據(jù) 處理過程可以建立數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。人多數(shù)的gps接收機，采集的數(shù)據(jù)記錄在接收機的內(nèi)存模塊上。數(shù)據(jù)傳輸是川專川電纜將 接收機與計算機連接，并在后處理軟件的菜單屮選擇傳輸數(shù)據(jù)選項后，便將觀測數(shù)據(jù)傳輸至 計算機，巧記傳輸?shù)耐瑫r進行數(shù)據(jù)分流，牛成四個數(shù)據(jù)文件：載波相位和偽距觀測值文件、 星歷參數(shù)文件、電離層參數(shù)和utc參數(shù)文件、測站信息文件。2.3.2大壩自動化監(jiān)測模型針對高邊坡在人型工程建設屮的重要性和常規(guī)gps監(jiān)測方法在高邊坡監(jiān)測

38、中無法克服的弱 點問題，從系統(tǒng)的投入成本、自動化及可靠性角度考慮，提出了基于gps技術、gprs無 線通訊與控制等技術的遠程口動化為邊坡安全監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)實現(xiàn)了同危邊坡現(xiàn)場監(jiān)測數(shù) 據(jù)的口動采集與無線傳送至遠程監(jiān)控中心，并在遠程監(jiān)控中心口動完成數(shù)據(jù)的解算與分析。 對于自然或人工邊坡的形變監(jiān)測，通常有常規(guī)監(jiān)測和gps監(jiān)測兩種方法。常山于高壩修筑 在山區(qū)峽谷地帶，范圍大，氣候復雜多變，每到雨季更有濕度大、霧氣大的特點，使得常規(guī) 的臨測方法在雨季這樣監(jiān)測的重要吋期不具備吋效性。根據(jù)上述，以大壩gps白動化變形監(jiān)測系統(tǒng)模型的建立作為例子來簡要說明數(shù)據(jù)的采集和 處理方法流程。圖2-8.數(shù)據(jù)的采集和處理方

39、法流程在根據(jù)初始的概念圖建立起大壩gps自動化變形監(jiān)測系統(tǒng)的基礎模型，如f：圖2-9.人壩gps自動化變形監(jiān)測系統(tǒng)的基礎模型當然上面的模型是非常簡單的，只是一個人概的框架，要實現(xiàn)具體的大壩gps自動化變形 監(jiān)測模型，還要對各部分進行詳細的分析，例如我們想得到大壩變形的數(shù)據(jù)時，通過配帶的設備，能馬上在人和大壩之間很快的建立起 無線局域網(wǎng)，并同吋啟動空間gps觀測系統(tǒng)，控制中心，和提取大壩數(shù)據(jù)庫，不僅能反饋 給你當前的變形數(shù)據(jù)，還可以顯示岀以前的監(jiān)測數(shù)據(jù)，較為方便的對數(shù)據(jù)進行分析。2.4 gps在變形監(jiān)測中的特點gps技術的應用給測量技術帶來了一場深刻的革命，經(jīng)過近十年的迅速發(fā)展，gps觀測邊 長

40、相對精度已經(jīng)能夠達到，比傳統(tǒng)大地測量精度提高了 3個量級。1=1前gps技術已成為監(jiān) 測地殼形變和板塊運動的有效手段。我國從1990年開始先后建立了多個全國性的gps監(jiān)測 網(wǎng)和丄要活動地帶的區(qū)域性監(jiān)測網(wǎng)，并進行多期的復測和連續(xù)觀測，得到了中國地殼運動呈 現(xiàn)明顯的非均勻性的結論。大壩變形監(jiān)測方血也成功的建立了 gps 口動監(jiān)測系統(tǒng)。gps監(jiān)測的優(yōu)點：（1）測站間無需同時通視。對于傳統(tǒng)的地表變形監(jiān)測方法，點之間只有 通視才能進行觀測，而運用gps測一個顯著特點就是點z間無需保持通視，只需保證測站上 空開闊即可。（2）可同時提供監(jiān)測點的三維位移信息。在運用傳統(tǒng)方法進行變形監(jiān)測時，平 面位移和垂直位移

41、是采用不同方法分別進行監(jiān)測，這樣不僅監(jiān)測的周期長、工作量人，而ii監(jiān) 測的時間和點位也很難保持一致，為變形分析增加了難度。采用gps可同時 精確測定監(jiān)測點的三維位移信息。（3）可以全天候監(jiān)測。gps測量不受氣候條件限制，不論 起霧刮風還是雨雪天氣，均可正常監(jiān)測,配備防雷電設施后,gps變形監(jiān)測系統(tǒng)便可實現(xiàn)長期 的全天候觀測。（4）監(jiān)測精度高。gps可以提供1 x10-6m至更的相對定位精度。（5）操作 簡便，易于實現(xiàn)監(jiān)測自動化。gps接收機的自動化程度越來越高,>1體積越來越小，重量越來越 輕，便于安置和操作。同時,gps接收機為用八準備了必要的接口,川戶可以較為方便地利川各 監(jiān)測點，建

42、成無人值守的口動監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)從數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理、分析、報警到入庫的 全自動化。（6） gps大地高用于垂直位移測量3。用于gps定位獲得的是大地高，而用戶需 要的是正常高或正高，它們之間有以下關系（2式屮,hz為人地髙，為正常高，為高程異常,n為人地水準面差距。由于高程異常和人地水準面差距的確定粘度較低，從而導致轉(zhuǎn)換后的正常高或正高的粘度 差。但是，對于工程的局部范圍而言，完全可以用大地高的變化來進行垂直位移監(jiān)測3實例解算利用ashtech solutions軟件，根據(jù)gps觀測原理，結合某大壩的實際情況，gps接收機觀測 測量區(qū)域特征點數(shù)據(jù)，軟件進行棊線解算和網(wǎng)平差，通過對其行變形的臨

43、測，并分析其變形 規(guī)律，從而及吋作出預防措施。3.1 ashtech solutions 軟件簡要介紹ashtech solutions是北京天測研發(fā)的主耍處理單頻、雙頻gps數(shù)據(jù)基線解算，平差處理。 其利川gps數(shù)據(jù)，將各種形式的gps觀測數(shù)據(jù)，利用最小二乘算法對觀測數(shù)據(jù)進行處理得 到最優(yōu)估計值，并評定未知點的精度。3.2人壩上選擇標志點位置3.2.1工程概況某大壩的現(xiàn)場分布情況：cg06、cg11是兩個基準點，op03、op04、op05是大壩體上的 三個監(jiān)測點。要在這座大壩上建立一個gps網(wǎng)絡系統(tǒng)，其實是組建一個小型局域網(wǎng)。其網(wǎng) 絡中心要設在電廠辦公樓，具體流程是：每臺工作站與gps接收

44、機相連，以便實時地將gps 接收機的觀測數(shù)據(jù)實時地傳到工作站上，然后經(jīng)傳輸設備進入網(wǎng)絡服務器，最后對實時觀測 的原始數(shù)據(jù)述行解算、分析。322控制網(wǎng)的布設：（1）.t解控制測量的目的和收集資料主要了解測區(qū)的地理位置、形狀大小，今后發(fā)展遠景，測量成果使用的精度要求，完成任 務的期限以及生產(chǎn)上對控制點位置、密度的要求等。大壩變形測繪人員應到有關測繪業(yè)務及 管理部門收集有關資料。如設計時需用的地形圖（比例尺為1/10001/ 50000）,測區(qū)已有 的控制成果，并到測區(qū)踏勘了解門標石標架的保存情況，為確定布網(wǎng)方案、設計和施測做好 一切準備工作。（2）.確定布網(wǎng)方案根據(jù)控制成果今后的使川要求和已收集到

45、的測量資料及擁有的儀器設備、技術力量等條 件，確定布設控制網(wǎng)的方案。由于僅僅是對人壩所在區(qū)域相對于人壩外控制點的變形，因此 布設成獨立網(wǎng)；測量方法是gps相對定位測量；是一次全而布設；是采用三度帶投影。圖上設計宜在1:10000或1:25000的地形圖上進行:首先展繪己知點、網(wǎng)；按照已定的布網(wǎng) 方案從圖上判斷點與點之間是否彼此通視，山各點紐成的圖形能滿足規(guī)范所規(guī)定的精度和其 他要求，布在位置也應能滿足使用要求。圖上選點后，須到實地確定，是否切實可行，為了 保證控制網(wǎng)精度和避免返工浪費，還應該佔算控制網(wǎng)中推算元索的精度。（3）.編寫技術設計說明書編寫技術設計的目的在于擬定大壩監(jiān)測控制測量的實施計

46、劃，從整體規(guī)劃上、技術上、組 織上作出說明。（4）.造標埋石確定了控制點的位置以后，須著手進行造標埋石工作，埋設的標石作為點的標志，建造 的覘標作為觀測時照準的目標，一切觀測成果和點的坐標都歸算到標石屮心上。因此，標志 點的選取一定耍堅固，有效反應大壩的變形情況，并且述耍選取大壩外的基準點，作為對大 壩上標志點的對照。323投影帶的選取此次控制網(wǎng)點均分布在101° 104°之間，靠近101° ,選取3°帶作為投影帶。為了避免投影誤差，還可在wgs84坐標系下進行測量、計算、比較和評定。3.2.4測量規(guī)范一般傳統(tǒng)的監(jiān)測網(wǎng)中需要分別設置平面控制網(wǎng)和高程控制網(wǎng)

47、，但是有時測圖網(wǎng)的楮度和密度 要求，需要同時獲取標志點的三維坐標，觀測要滿足國家規(guī)范要求，一般是距離丈量相對誤 差不超過1/10000,測角誤差不超過10分。為了保證整個建筑場地各部分高程的統(tǒng)一和精度 要求以及高程測設的便利，采用gps進行觀測實施臨測，此人壩的點位分布圖（31）：圖31.某大壩的現(xiàn)場分布圖此人壩共有5個標志點gc06、op05、op04、op03、gc11,其中gc06、gc11兩個基準 點位于壩體之外，可認為是固定的，在沒有較大的運動情況下，基本上可視為是壩體運動的 參考點。op05、op04、op03位于壩體上的特征點，通過監(jiān)測這三個點的運動，可分析壩 體的人致運動趨勢。

48、3.3數(shù)據(jù)處理處理數(shù)據(jù)的思路：總有兩期對人壩的監(jiān)測數(shù)據(jù)，在人壩整體位移不大、主要研究大壩控制網(wǎng) 內(nèi)標志點變化的情況下，可將壩體外的兩個點視為基準點，對幣個網(wǎng)進行整體基線解算和網(wǎng) 平差，輸出各個點的坐標及精度評定結杲；然后以第一期觀測的基準點gc06、gc11為固 定點，利用第二期數(shù)據(jù)述基線解算和網(wǎng)平差，并對各個點的精度進行檢核是否在控制的范田 內(nèi)，如果超出限差，需要對數(shù)據(jù)進行進一步的處理，然后同比第一期處理的op05、op04、 op03點的處標進行對比，比較兩期觀測中，大壩總體的結構位移，從而對其穩(wěn)定性進行分 析。每個觀測時刻的觀測衛(wèi)星大于4顆，儀器采樣間隔統(tǒng)一設置為10妙，天線采用腳架安置

49、在 點位垂線方向上，對中誤差小于3mm,基座均整平，居中。接收機采集數(shù)據(jù)后轉(zhuǎn)換為國際 標準rincx格式，運行ashtech solihions后處理軟件，建立新項ii,定義坐標系統(tǒng)，輸入屮央 子午線137° ,比例因子是1,橢球是1984北京坐標系，導入renix格式數(shù)據(jù)，點擊計算機 鍵盤f5鍵，軟件默認處理所以基線，共有10條基線，處理后的基線標準差值均小于限差, 然后進行最小約朿平差，平差后的基線向量的徑向殘差均小于限差，network rel. accuracy 顯示通過。處理結果均小于限差。3.3.1數(shù)據(jù)觀測要求外業(yè)觀測作業(yè)中，為提高觀測精度，采取了如下兒個具體的措施：1）

50、衛(wèi)星選擇。同步觀測的衛(wèi)星不少于4顆，且均勻分布在四個象限；2）圖形強度因子gdop值的選擇。較小的gdop值表明衛(wèi)星星座與測站構成的兒何圖形 較好，gdop值越佳則意味看越能獲得良好的觀測成果，所以觀測中選擇的gdop值均在 6以下；3）量取天線高時，用三角板直接丈量到天線相位中心的參考點（arp） o山于gps接收 機自動化程度較高，h各測站間無需通視，在數(shù)據(jù)采集過程中，完全無需人員看守，所以人 大減輕了監(jiān)測人員的工作量。3.3.2數(shù)據(jù)處理過程安裝ashtech solutions ju處理軟件包，雙擊圖標打開軟件，首先建立一個工程，顯示出如下 界面3-2 :圖33.第一期數(shù)據(jù)分布圖圖3-2

51、.軟件界而導入數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)分布如圖33進行基線解算和平差處理，結果為34：圖34第一期數(shù)據(jù)整體平差圖圖3-4.第一期數(shù)據(jù)整體平差圖解算完畢，從網(wǎng)粘度圖上分析基線的粘度，對粘度較差的皐線進行處理。以基線op05 c06為例，查看op05gc06基線的載波相位雙差殘差(carrier phase double differenced residuals),從中找出誤差較大的時間段，進行有效的篩除，從而進一步提高gps監(jiān)測數(shù)據(jù) 的離耕度。其他殘差圖曲線基本平滑連續(xù)而數(shù)值比較小，說明觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量比較好，符合 高精度滑坡變形監(jiān)測的要求。對第二期數(shù)據(jù)進行相同的方式進行處理：將第一期觀測的兩基準點作為第二期觀

52、測的控制點，1954坐標系中平差結果如下(36)： 3.3.3數(shù)據(jù)處理結果經(jīng)過ashtech solutions軟件處理，可到兩期觀測的平差網(wǎng)點圖和分別在wgs84坐坐標系 和1954北京坐標系卜的包含基線向量、各點坐標及精度的報告，并對其進行對比，從而分 析大壩變形。對第一期數(shù)據(jù)進行基線解算和網(wǎng)平差，在wgs-84朋標系下其平差結果為： 對第一期數(shù)據(jù)進行處理得到在1954坐標系下標志點的坐標和精度：圖3-6.第二期數(shù)據(jù)處理點的結果site positionshorizontal coordinate system: 1954 beijing coordinate date:05/23/11h

53、eight system:ortho. ht. (egm96)project file:desired horizontal accuracy: 0.020m + lppmdesired vertical accuracy:0.040m + 2ppmconfidence level:linear units of measure:95% err.meters將第一期觀測的兩基準點作為第二期觀測的控制點，1954坐標系中平差結果如下(3-2)： 以gc06和gc11為基準點對第二期網(wǎng)進行平差，在1954坐標下平差結果坐標為：site positionshorizontal coordinate

54、system:1954 beijing coordinatedate:05/23/11height system:ortho. ht. (egm96)desired horizontal accuracy:0.020m + lppmdesired vertical accuracy:0.040m + 2ppmconfidence level:linear units of measure:95% err.meters將兩組數(shù)據(jù)川1954北京坐標系下的坐標表格對比:(注：差值是第一期與第二期之差)坐標 標志點 east (m)north (m) elves (m)gc06第一期 478465.3

55、21 2967440.534 1236.082 第二期 478465.321 2967440.534 1236.082 差值 0.00 0.00 0.0()gch第-期 478832.8902967870.383 1233.725第二期 478832.8902967870.383 1233.725差值 0.00 0.00 0-00op03第一期 478345.321 2968025.359 1231.698第二期 478345.3222968025.3611231.697差值 0001-0.0020.01op04第-期 478209.314 2967889.269 1231.693第二期 47

56、8209.3172967889.2701231.695差值 -0.003-0.001-0.002op05 第一期 478169.3432967663.774 1231.684第二期 478169.3452967663.775 1231.687差值 0002-0.001-0.0033.4數(shù)據(jù)分析將兩組數(shù)據(jù)在wgs84坐標系下進行比較: 坐標標志點latlonelves (m)gc061201.0671201.506第一期 26° 49' 01.78542” 101° 47' 00.20334” 第二期 26° 49' 01.79058” 10

57、1° 47' 00.14788” 差值 -0.00516 ”0.00556"0.439gc11 第一期 26° 49' 15.77142”101° 47'13.48728”47'13.43182”-0.4371198.7241199.161第二期 差值26° 49' 15.77662”101°-0.00520"0.05546"op03第一期 26°49' 20.77974”101°46'55.82173”1196.694第二期26°

58、; 49'20.78496”101°46f55.76623”1197.133差值0.005220.05550"-0.039op04 第一期 26°49 t 6.35054”101°46'50.90506”1196.687第二期26° 49'16.35573”101°46'50.84959"1197.128差值-0.00519"0.00547 ”-0.441op05 第一期 26°49' 09.02198”101°46'49.47170”1196.673第二期26° 49'09.02714”101°46'4941628”1197.114差值-0-00516"0.05542"-0.431(注：其差值是第一期和第二期之差)通過上述兩個圖可分析得：兩期觀測屮，第一期為自由控制網(wǎng)，第二期在第一期在北京1954 朋標系中網(wǎng)平差結果的基礎上以gc06、gc11為基準點進行