毕业论文——GPS在变形监测中的应用研究_

毕 业 论 文题目_ GPS在变形监测中的应用研究_ _目 录摘 要第1章 绪 论11.1 GPS卫星定位技术的发展11.2 GPS在经济建设中的应用11.2.1 GPS在道路工程中的应用11.2.2 GPS在汽车导航和交通管理中的应用21.2.3 GPS在变形监测中的应用3第2章 GPS原理42.1 GPS系统概述42.1.1空间部分42.1.2地面控制部分42.1.3用户设备部分42.2 GPS基本原理及定位方法42.3 GPS系统的特点62.3.1定位精度高62.3.2 观测时间短62.3.4 可提供三维坐标62.3.5 操作简便72.3.6 全天候作业72.3.7 功能多、应用广72.4 GPS 测量的误差来源以及纠正72.4.1卫星有关的误差72.4.3与接收机有关的误差9第3章 GPS变形监测的数据处理103.1变形监测概述103.2 GPS在变形监测中的应用10第4章 数据处理及精度分析124.1 GPS 变形监测网的设计124.1.1 选点。124.1.2 布设GPS网124.1.3 数据采集144.2 TGO软件介绍144.3.1用TGO进行平差的步骤：154.3.2全站仪测量数据处理17结 束 语20附 录21参考文献23摘 要GPS卫星定位系统是随着现代航天及无线电通讯科学技术的发展建立起来的一个高精度、全天候和全球性的无线电导航定位、定时的多功能系统。它以其精度高、速度快、费用省、操作简便等优良特性被广泛应用于现代生活的各个领域。在工程测量方面，人类社会的进步和国民经济的发展，加快了工程建设的进程，并且对现代工程建筑物的规模、造型、难度提出了更高的要求。与此同时，变形监测工作的意义更加重要。本课题正是在这样的背景下产生的，为了验证GPS变形监测的精度，我们设计了一个方案，通过与全站仪精度的比较来检验GPS变形的精度，然后分析了影响精度的误差来源，对GPS在工程测量变形监测中的应用的可行性进行探索和研究。关键字：GPS技术 变形监测 数据处理 精度分析第1章 绪 论1.1 GPS卫星定位技术的发展全球定位系统（Global Positioning System - GPS）是新一代卫星导航和定位系统，由美国国防部从70年代初开始设计、研制，历时约20余年时间、花费上百亿美元发展起来的一项跨世纪工程，也是美国继阿波罗登月飞船和航天飞机之后的第三大航天工程。其于1994年全面建成，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与定位系统。在航天技术和计算机技术迅猛发展的今天，GPS具有及其广阔的应用前景。1.2 GPS在经济建设中的应用 目前，全球定位系统已广泛应用于军事和民用等众多领域中。GPS技术按待定点的状态分为静态定位和动态定位两大类。静态定位是指待定点的位置在观测过程中固定不变的，如GPS在大地测量中的应用。动态定位是指待定点在运动载体上，在观测过程中是变化的，如GPS在船舶导航中的应用。静态相对定位的精度一般在几毫米几厘米范围内，动态相对定位的精度一般在几厘米到几米范围内。对GPS信号的处理从时间上划分为实时处理及后处理。实时处理就是一边接收卫星信号一边进行计算，获得目前所处的位置、速度及时间等信息；后处理是指把卫星信号记录在一定的介质上，回到室内统一进行数据处理。一般来说，静态定位用户多采用后处理，动态定位用户采用实时处理或后处理。1.2.1 GPS在道路工程中的应用GPS在道路工程中的应用，目前主要是用于建立各种道路工程控制网及测定航测外控点等。随着高等级公路的迅速发展，对勘测技术提出了更高的要求，由于线路长，已知点少，因此，用常规测量手段不仅布网困难，而且难以满足高精度的要求。目前，国内已逐步采用GPS技术建立线路首级高精度控制网，如沪宁、沪杭高速公路的上海段就是利用GPS建立了首级控制网，然后用常规方法布设导线加密。实践证明，在几十公里范围内的点位误差只有2cm左右，达到了常规方法难以实现的精度，同时也大大提前了工期。浙江省测绘局利用Wild200GPS接收机的快速静态定位功能施测了线路的全部初测导线，快速、高精度的建立了数百公里的高速公路控制网，取得了良好的效果。GPS技术也同样应用于特大桥梁的控制测量中。由于无需通视，可构成较强的网形，提高点位精度，同时对检测常规测量的支点也非常有效。如在江阴长江大桥的建设中，首先用常规方法建立了高精度边角网，然后利用GPS对该网进行了检测，GPS检测网达到了毫米级精度，与常规精度网的比较符合较好。GPS技术在隧道测量中具有广泛的应用前景，GPS测量无需通视，减少了常规方法的中间环节，因此，速度快、精度高，具有明显的经济和社会效益。差分动态GPS在道路勘测方面主要应用于数字地面模型的数据采集、控制点的加密、中线放样、纵断面测量以及无需外控点的机载GPS航测等方面。1994年6月在同济大学试验了KART实时相位差分卫星定位系统，在1km范围内达到了优于2cm的精度，因此能够用于线路控制网的加密。GPS测量包含有三维信息，可用于数字地面模型的数据采集、中线放样以及纵断面测量。在中线平面位置放样的同时，可获得纵断面，在中线放样中需实时把基准站的数据由数据链传到移动站，从而提供移动站的实时位置，由于GPS仪器不象经纬仪那样可以指示方向，因此需与计算机辅助设计系统相结合，从而可在计算机屏幕上看到目前位置与设计坐标的差异。机载动态差分GPS应用于航测在德国和加拿大已取得了成功，用载波相位差分测出每个摄影中心的三维坐标，而不再需要外控点测量，取得了良好的效果。1.2.2 GPS在汽车导航和交通管理中的应用三维导航是GPS的首要功能，飞机、船舶、地面车辆以及步行者都可利用GPS导航接收器进行导航。汽车导航系统是在全球定位系统GPS基础上发展起来的一门新型技术。汽车导航系统由GPS导航、自律导航、微处理器、车速传感器、陀螺传感器、CDROM驱动器、LCD显示器组成。GPS导航是由GPS接收机接收GPS卫星信号（三颗以上），求出该点的经纬度坐标、速度、时间等信息。为提高汽车导航定位精度，通常采用差分GPS技术。当汽车行驶到地下隧道、高层楼群、高速公路等遮掩物而与捕获不到GPS卫星信号时，系统可自动导入自律导航系统，此时由车速传感器检测出汽车的行进速度，通过微处理单元的数据处理，从速度和时间中直接算出前进的距离，陀螺传感器直接检测出前进的方向，陀螺仪还能自动存储各种数据，即使在更换轮胎暂时停车时，系统也可以重新设定。由GPS卫星导航和自律导航所测到的汽车位置坐标数据、前进的方向都与实际行驶的路线轨迹存在一定误差，为修正这两者的误差，与地图上的路线统一，需采用地图匹配技术，加一个地图匹配电路，对汽车行驶的路线与电子地图上道路误差进行实时相关匹配作自动修正，此时地图匹配电路是通过微处理单元的整理程序进行快速处理，得到汽车在电子地图上的正确位置，以指示出正确行驶路线。CD-ROM用于存储道路数据等信息，LCD显示器用于显示导航的相关信息。 “GPS车辆实时监控系统”，用途广泛，特别适合公安、银行、保安、部队、机场等单位对某种特种车辆的监控和调度管理，已用于北京市交通银行和福州市工商银行运钞车的监视系统中；“公安报警指挥系统”用于安全保卫、监控报警、指挥调度等方面，可对移动目标实施动态指挥监控，对固定目标实施静态监控。各项成果拟采取技术合作、技术转让、工程承包等方式进行推广。此外，在民用项目方面，“采用 D-GPS卫星导航的农作物害虫飞防技术”项目，已于1992年一1995年在北京郊区成功地进行了3次生产试验，共防治小麦蚜虫64万亩，喷幅宽度5020米、实时差分导航精度5一10米，可完全取代人工地面信号，显著地改善飞防作业质量和效率，确保飞防作业符合有关农作物害虫的防治规范要求，至1996年累计防治面积己达1261万亩。1.2.3 GPS在变形监测中的应用经近10年我国测绘等部门的使用表明，GPS以全天候、高精度、自动化、高效益等显著特点，赢得广大测绘工作者的信赖，并成功地应用于大地测量、工程测量、航空摄影测量、运载工具导航和管制、地壳运动监测、工程变形监测、资源勘察、地球动力学等多种学科，从而给测绘领域带来一场深刻的技术革命。 将GPS设备与复杂的数据处理算法以及通讯设施相结合，已经被证明将其用于建筑物和主要地质地貌监测的可靠性。比如，美国陆军工程师协会和Condor公司于2002年2月在蒙大拿州西北的发电能力为525兆瓦的Libby水电站大坝上安装了一套3D trackter实时GPS监测系统。美国地质调查局应用GPS监测许多座火山，如在位于加利福尼亚西部中心的蒙马湖的大峡谷火山口的就布置了GPS系统。还有像在腊包尔，巴布亚新几内亚及俄勒冈中部的三姐妹瀑布的应用都已证明这一系统在恶劣环境下的可靠性和低成本性。它也被用来监测油田的地面沉陷。例如，Long Beach，Calif市已经布置了监测由于石油生产和蒸汽注入而使Long Beach地区相当大的区域产生的地面变形。第2章 GPS原理2.1 GPS系统概述全球定位系统（Global Positioning System - GPS）是能在海、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与定位系统。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。2.1.1空间部分由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度，各个轨道平面之间相距60度， 即轨道的升交点赤经各相差60度。每个轨道平面内各颗卫星之间的升交角距相差90度， 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度。2.1.2地面控制部分对于导航定位来说，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 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、三个注入站和五个监测站。2.1.3用户设备部分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的传播时天线间，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。 2.2 GPS基本原理及定位方法GPS定位的基本原理是根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据，采用空间距离后方交会的方法，确定待测点的位置。如图所示，假设t时刻在地面待测点上安置GPS接收机，可以测定GPS信号到达接收机的时间t，再加上接收机所接收到的卫星星历等其它数据可以确定以下四个方程式： 上述四个方程式中待测点坐标x、y、z 和Vto为未知参数，其中di=cti (i=1、2、3、4)。di (i=1、2、3、4) 分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4到接收机之间的距离。ti (i=1、2、3、4) 分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4的信号到达接收机所经历的时间。c为GPS信号的传播速度（即光速）四个方程式中各个参数意义如下：x、y、z 为待测点坐标的空间直角坐标。xi 、yi 、zi (i=1、2、3、4) 分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4在t时刻的空间直角坐标，可由卫星导航电文求得Vt i (i=1、2、3、4) 分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4的卫星钟的钟差，由卫星星历提供。Vto为接收机的钟差。由以上四个方程即可解算出待测点的坐标x、y、z 和接收机的钟差Vto 。按定位方式，GPS定位分为单点定位和相对定位（差分定位）。单点定位就是根据一台接收机的观测数据来确定接收机位置的方式，它只能采用伪距观测量，可用于车船等的概略导航定位。相对定位（差分定位）是根据两台以上接收机的观测数据来确定观测点之间的相对位置的方法，它既可采用伪距观测量也可采用相位观测量，大地测量或工程测量均应采用相位观测值进行相对定位。在定位观测时，若接收机相对于地球表面运动，则称为动态定位，如用于车船等概略导航定位的精度为30一100米的伪距单点定位，或用于城市车辆导航定位的米级精度的伪距差分定位，或用于测量放样等的厘米级 的相位差分定位（RTK），实时差分定位需要数据链将 两个或多个站的观测数据实时传输到一起计算。 在定位观测时，若接收机相对于地球表面静止，则称为静态定位，在进行控制网观测时，一般均采用这种 方式由几台接收机同时观测，它能最太限度地发挥GPS的定位精度，专用于 这种目的的接收机被称为大地型接 收机，是接收机中性能最好的一类。目前，GPS已经能 够达到地壳形变观测的精度要求，IGS的常年观测台站已 经能构成毫米级的全球坐标框架。2.3 GPS系统的特点GPS导航定位以其高精度、全天候、高效率、多功能、操作简便、应用广泛等特点著称。2.3.1定位精度高应用实践已经证明，GPS相对定位精度在50KM以内可达10-6，100-500KM可达10-7， 1000KM可达10-9。在300-1500m工程精密定位中，1小时以上观测的解其平面其平面 位置误差小于1mm，与ME-5000电磁波测距仪测定得边长比较，其边长较差最大为0.5mm, 校差中误差为0.3mm。2.3.2 观测时间短随着GPS系统的不断完善，软件的不断更新，目前，20KM以内相对静态定位，仅需15-20 分钟；快速静态相对定位测量时，当每个流动站与基准站相距在15KM以内时，流动站观 测时间只需1-2分钟，然后可随时定位，每站观测只需几秒钟。2.3.3 测站间无须通视GPS测量不要求测站之间互相通视，只需测站上空开阔即可，因此可节省大量的造标费用。 由于无需点间通视，点位位置可根据需要，可稀可密，使选点工作甚为灵活，也可省去 经典大地网中的传算点、过渡点的测量工作。2.3.4 可提供三维坐标典大地测量将平面与高程采用不同方法分别施测。GPS可同时精确测定测站点的三维坐标。 目前GPS水准可满足四等水准测量的精度。2.3.5 操作简便随着GPS接收机不断改进，自动化程度越来越高，有的已达“傻瓜化”的程度；接收机的体积 越来越小，重量越来越轻，极大地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。2.3.6 全天候作业目前GPS观测可在一天24小时内的任何时间进行,不受阴天黑夜、起雾刮风、下雨下雪等气候的影响。2.3.7 功能多、应用广GPS系统不仅可用于测量、导航，还可用于测速、测时。测速的精度可达0。1M/S，测时 的精度可达几十毫微秒。其应用领域不断扩大。 2.4 GPS 测量的误差来源以及纠正GPS定位中出现的各种系统误差从误差来源大体可分为三大类：与卫星有关的误差，与接收机有关的误差，与传播路径有关的误差。2.4.1卫星有关的误差与卫星有关的误差对伪距测量和载波相位测量所造成的影响相同1、卫星星历误差(1).定义：由广播星历或其它轨道信息所给的卫星位置与卫星的实际位置之差称为星历误差。(2).性质：它的大小主要取决于卫星跟踪系统的质量，如跟踪站的数量及空间分布；观测值的数量及精度，轨道计算时所用的轨道模型及定轨软件的完善程度等等。卫星星历误差对相距不太远的两个测站的定位结果产生的影响大体相同，(3).产生原因：地面监测站测试误差、摄动力的影响、广播星历的外推误差。(4).应对方法：A 轨道松弛法：把卫星星历给出的卫星位置当成未知量一起平差。B 同步观测值求差：卫星星历误差对相距不太远的两个测站的定位结果产生的影响大体相同，可用求差法消除影响。C 建立自己的GPS跟踪站：获得实时的卫星轨道，再把该轨道信息传递给用户。2、卫星钟的钟误差(1).定义：卫星钟与GPS钟提供的时间的差异或漂移称为卫星钟差(2).性质：物理同步误差：GPS钟时间与标准时间的偏差，其应对方法是对物理同步误差加以改正，改正数为t=a0+a1(t-toe)+a2(t-toe) (t-toe)。数字同步误差：加上改正数t=a0+a1(t-toe)+a2(t-toe) (t-toe)后的卫星钟读数和GPS标准时间之差；可用在接收机间求一次差来进行一步消除。 (3).产生原因：受地面主控制站对卫星钟的遥控精度的限制。 (4).应对方法：由于两个测站对卫星进行同步观测时卫星钟的误差对两测站观测值的影响是相同的，可用在卫星间求差来消除 。3、相对论效应(1).定义：相对论效应是由于卫星钟和接收机钟所处的状态(运动速度和重力位)不同而引起卫星钟和接收机钟之间产生相对钟误差的现象。(2).消除方法：在地面上将卫星比基准频率调慢.00045HE。2.4.2与信号传播有关的误差1、电离层折射(1).定义：电磁波信号通过电离层时传播速度会发生变化，致使量测结果产生系统性的偏离。(2).性质：取决于外界条件(时间、太阳黑子数、地点)和信号频率。在伪距测量和载波相位测量中，电离层折射的大小相同，符号相反。(3).改正方法： A 相对定位(适用于单频接收机) B 电离层改正模型：把整个电离层压缩为一个单层，用单层来代替整个电离层 C 双频改正D半和改正方法：只需将同一观测时刻的载波相位测量观测值伪距测量观测值中数即可消除电离层折射的影响。2、对流层折射 (1).定义：电磁波信号通过对流层时传播速度会发生变化，致使量测结果产生系统性的偏离。 (2).特点：对伪距测量和载波相位测量影响相同。取决于气压、温度、湿度等。 (3).改正方法：数学模型(霍普菲尔德改正模型)。3、多路径效应 (1.)定义：经过物体表面反射后的信号与直接来自卫星信号叠加进入接收机而产生的系统误差。 (2).性质：与卫星、接收机、信号反射体三者间的相对位置有关；与反射信号的强度有关；与接收机处理信号的方法有关。 (3).应对方法： A 选择测站，应避免易发生多路径的环境，如建筑物、山坡、成片水域等。B 长时间观测。C 改进接收机设备：在天线下设置抑径板，信号处理方法(窄相关技术)。2.4.3与接收机有关的误差1、钟差(1).定义：接收机钟与GPS钟提供的时间的差异或漂移称为接收机钟差。(2).性质：主要取决于接收钟的质量，和使用环境；它对伪距测量和载波相位测量的影响相同，同一台接收机对多颗卫星进行同步观测时，接收机钟差对各相应观测值的影响相同。且各接收机的钟差之间可视为相互独立。(3).应对方法：A 模型法：模型的有效性受制于接收机钟的稳定度(并非任何时候都适用)B 参数法：前提是有准确的测站坐标。C 差分法：同一接收机不同卫星的星间差分；不同测站同一卫星的站间差分；同一卫星同一测站不同时间的历元差分。2、天线相位中心偏差和变化 (接收机的位置误差) (1).定义：“几何中心”与“平均相位中心”不在一起的偏差。 (2).性质：真正相位中心是变化的，与高度角有关；主要随信号高度角变化而变化 ，与信号方位角有关；它对伪距测量和载波相位测量的影响相同。 (3).解决方法： A 天线在测量时指定同一方向(指北)。 B 模型法：厂家提供偏差指标可用模型参数去更改。 第3章 GPS变形监测的数据处理3.1变形监测概述 建国以来我国修建了大量的水工建筑物、工业与交通等方面的高大建筑物和为开发地下资源而修建的工程设施，并进行了大量精密仪器、设备的制造与安装。由于各种因素的影响，在这些建筑物和设备的运营中都会产生不同程度的变形，在一定的允许范围内，这些变形不会造成太大的影响。但如果超过了某一限度时，就会影响建筑物和设备的正常工作，严重时会对建筑物和设备的安全造成影响，因此高大建筑物以及精密仪器设备在施工和运营过程中必须对它们进行监视，亦即变形观测。变形监测的目的是为了取得第一手的资料，监视工程建筑物的状态变化和工作情况，在发现不正常现象时，及时分析原因，采取措施，防止事故发生，并改善运营方式，保证安全。常规变形监测主要采用正倒锤线、弦矢导线、测角导线、静力水准、定边测距等方法。随着科学技术的发展，这些方法有明显的不足之处：一是数据采集主要由人工完成，观测周期长，受天气等外界条件影响较大，无法进行实时观测，难以实时掌握建筑物的变形情况；二是平面、高程分别施测；三是没有将各种监测方法的数据采集、传输、处理与分析组成一个完整的系统。因此无法进行连续、实时、动态观测，难以满足自动化的要求。在GPS定位技术引入测量以后，情况有了很大改善，GPS具有精度高、速度快、全天候、全自动等优点。随着GPS系统的完善，GPS接受机性能的提高、价格的降低，解算软件的改进，其用于变形监测已经成为可能。3.2 GPS在变形监测中的应用 利用GPS定位技术进行变形监测除了有上述优点外还有很多优点：1可消除或削弱系统误差的影响。在变形监测中我们关心的是在两期变形监测中所求得的变形监测点的坐标之间的差异,而不是变形监测点本身的坐标。两期变形监测中所含的共同的系统误差虽然会分别影响两期的坐标值,但却不会影响所求得的变形量。也就是说在变形监测中,接收机天线的对中误差、整平误差、定向误差、量取天线高的误差等并不会影响变形监测的结果,只要天线在监测过程中能保持固定不动即可。同样GPS变形监测网中的起始坐标的误差,数据处理中所用的定位软件本身的不完善以及卫星信号在大气层中的传播误差(电离层延迟、对流层延迟、多路径误差等)中的公共部分的影响也可得以消除或削弱。2可直接用大地高进行垂直形变测量。在GPS测量中高程系统一直是一个棘手的问题。因为GPS定位只能测定大地高,而在工程测量、地形测量及日常生活中,大部分用户需要的是正常高或正高,它们之间有下列关系:h正常高=H大地高-; h正高=H大地高-N式中的高程异常和大地水准面差距N可从高程异常图或大地水准面差距图中查得,也可据地球重力场模型求得,但精度偏低,从而导致转换后的正常高或正高的精度下降。在垂直位移监测中我们关心的只是高程的变化,因而完全可以在大地高系统中进行监测。正因为如此,GPS定位技术在变形监测中迅速推广,成为一种新的很有前途的变形监测方法。当然,利用GPS定位技术进行变形监测时,也存在某些不足之处,主要表现在下列方面：1点位选择的自由度较低。为保证GPS测量的正常进行和定位精度,在GPS测量规范中对测站的选择作出了一系列的规定,如测站周围高度角15以上不允许存在成片的障碍物,测站离大型发电机、变压器、高压线及微波信号发射台、转播台等有一定的距离(例如200m400m),测站周围也不允许有房屋、围墙、广告牌、大面积水域等信号反射物,以避免多路径误差等。但在变形监测中上述要求往往难以满足。2从整体上讲观测条件往往较差。如在长江三峡进行滑坡监测时,视场往往很狭窄,大量卫星被遮挡,且多路径误差严重。如在大坝上进行变形监测时,由于大坝的一侧为大水库而另一侧则为山地等,自然地理环境和植被等的明显差别往往会导致大坝两侧的大气状况(温度、湿度等)产生明显的差异,从而影响对流层延迟改正的精度。3函数关系过于复杂,误差源多。与正倒锤等变形监测手段相比,GPS定位的函数关系要复杂得多,涉及的误差源也要多得多。在GPS定位中基准站和变形监测点间的坐标差是依据两站的载波相位观测值和卫星星历经过复杂的计算后而求得的。定位结果受卫星星历误差、卫星钟钟差和接收机钟钟差、对流层延迟、电离层延迟、多路径误差、接收机测量噪声以及数据处理软件本身的质量等多种因素的影响。在数据处理过程中,还将涉及周跳的探测及修复、整周模糊度的确定等一系列问题。其中任一环节处理不好就将影响最终的监测精度。此外接收机天线相位中心的不稳定也是影响GPS定位精度的一个重要因素。目前利用GPS进行变形监测的最好精度约为0.5mm左右。这一精度还难以满足特种工程测量的精度要求。利用GPS定位技术进行变形监测可采用两种模式:长期连续监测模式如（隔河岩大坝外观变形自动监测系统）和定期(或不定期)的复测模式如（龙羊峡水电站近坝库岸滑坡监测）现在将这两种模式的优缺点列举如下：长期连续监测模式具有下列优点:a.可以较完善地消除接收机天线的安置误差(如对中误差、整平误差、定向误差、量测天线高的误差等)的影响。b.由于数据量特别多,故可通过滤波和平滑等技术来消除噪声,提取大坝变形信息,获得高精度的结果。c.易于实现系统全自动化,提高系统的响应速度和作业效率。长期连续监测模式的缺点是:a.每个变形监测点上均需长期安置一台GPS接收机,监测成本昂贵。b.在野外仪器设备的安全保护问题较难解决。c.需提供长期稳定的电源,这个问题也不易解决。间断复测模式的优点为:a.不必长期占用GPS接收机。复测期外接收机可用于其它用途,利用率高。b.仪器设备的安全问题和供电问题很容易解决。间断复测模式的缺点是:a.接收机天线的安置误差难以完全消除,加之数据量又较少,因而监测精度较低。要达到亚毫米级监测精度有相当大的难度,尤其是高程。b.劳动强度大,响应速度慢。第4章 数据处理及精度分析4.1 GPS 变形监测网的设计为了确定GPS技术用于变形监测的可行性，我们决定利用一次户外试验来验证。试验方案：同时利用GPS定位技术和全站仪在教学楼四栋附近进行变形监测，然后通过对比分析，确认GPS精度。首先我们要进行网的设计：4.1.1 选点。GPS测量中选点是很重要的环节，按全球定位系统城市测量技术规程的要求，所选点必须满足以下几项：1、便于安置GPS接收机和操作。2、点位附近应避开大面积的水域。3、远离大功率无线电、微波等发射源，高压输电线以及对卫星信号接收有强烈干扰的地方。 4、点位应选在视野开阔、周围的障碍物应低于接收机天线高度15。5、选点应选在有利于长期保存、基础稳固可靠、交通方便、施工安全的地方，点名取居民地名，新旧点重合时采用原有的旧点名。 6、为了易于用常规方法加密，每点应有尽有12个通视。7、选点时尽可能利用旧点，对选用旧点的站标、标石等的稳定性、安全性要进行检查并维修。8、确认是否进行水准联测。 基于以上原则，我们共选了四个点，其中友谊广场两个，四栋楼顶一个，实验大楼楼顶一个。4.1.2 布设GPS网GPS的定位精度一般与网的布设、已知点选取、观测方法、基线处理和网平差有关。所以GPS网的设计对测量结果有很大的影响。4.1.2.1.GPS网的布设原则1、网的可靠性要高。网的可靠性与点位分布无关；单纯依靠延长观测时间不能明显提高网的可靠性；观测期数是提高网的可靠性的最佳方法。 2、要保证一定的重复设站次数。3、在重复设站次数一定后，应保证一定的重复基线。4、舍去非独立基线后，每一个点最好与三条独立基线相连。5、边长不要太长。6、异步环的边数不要超过六条。7、合理地配置起算点、起算方位、起算高程等。对于北京市54坐标系的起算点应选35个，多了易引起矛盾；起算点最好均匀分布在网的周围，不宜位于一条直线上。8、适当地引进高精度的激光测距边，以对GPS网进行整体缩放布网时应可能覆盖整个测区。GPS网的精度指标，通常是以网中相邻点之间的距离误差来表示，其形式为：= (a2+(bD)2)1/2(其中：网中相邻点之间的距离邻点的距离中误差(mm) a固定误差(mm) b比例误差(ppm) D相邻点的距离(km) )不同等级的GPS网的精度要求 测量分类固定误差a比例误差b相邻点的距离A50.11002000B8115250C105540D1010215E10201-104.1.2.2 GPS网常用的布网形式跟踪站式： 若干台接收机长期固定安放在测站上，进行常年不断的观测。 会战式：组织多台接收机在一段不太长的时间内分别在同一批点上进行多天、长时段的同步观测。多基线站式：若干台接收机在一段时间内长期固定某几个点上进行长时间的观测。同步图形扩展式：多台接收机在不同的测站上进行同步观测，在完成一个时段的同步观测后，有迁移到其他测站上进行同步观测。单基线战式：以一台接收机为基准站，其余的接收机分别在其他的测站上流动观测。 4.1.2.3 GPS基线向量网的设计指标效率指标（e）：理论最少观测期数与设计观测期数的比值。即：e=smin/sd ； 其中：smin为理论最少观测期数 sd 为设计观测期数可靠性指标（）：整网的多余独立基线数与总的独立基线数的比值。即：=lk /lt其中：lk为多余独立基线数 lt 总的独立基线数精度指标（tr(Q)）:根据确定的GPS网的网形得GPS网的设计矩 阵B，从而可得到GPS网的协因数阵Q=（B PB），GPS网的设计阶段可以采用tr(Q)作为衡量GPS网精度的指标。因为我们进行的是变形监测，所以我们布设GPS网还需参照变形监测网的布设原则。变形监测网的特点是网的规模小，精度要求高，主要服务于变形观测。监测网的稳定程度和质量好坏，对变形成果的可靠性起到至关重要的作用。布设时要遵循以下原则：1变形监测控制网的起算点或终点要有稳定的点位，应布设在牢靠的非变形区，为了减少观测点误差的积累，距观测区不能过远。2. 为便于迅速获得观测成果，变形监测控制网的图形结构应尽可能的简单。3. 在确保变形监测控制网具有足够精度的条件下，控制网应尽量布设一次全面网。4. 实测原则：测量仪器、设备和测量方法的选择，要量力而行，不能超越现有的经济、技术条件，不能提出过高的精度要求。5. 控制网设计时，应尽量采用先进技术，尽可能多地获取建筑物变形数据。控制点便于长期保存。基于以上的设计和观测原则，我们采用了这样的网形设计。 其中，6，9是地面点，8是实验大楼楼顶点，5是四栋楼顶点。4.1.3 数据采集在实验中，我们对四台GPS定位仪进行同步观测，观测时间为一个小时。与此同时我们分别在5，8，9点旁边放置棱镜，在地面上再找一点，用TCA2003 全站仪对这三个点进行循环观测。1个小时测完后将全站仪架在6进行一些必要的观测。 4.2 TGO软件介绍数据处理采用TGO软件，现将这种软件介绍如下：随着GPS产品的应用范围的拓宽、技术的发展和成熟，数据处理软件也随之发展和完善；现在有很多处理GPS数据的软件，各有特色；TGO全称Trimble Geomatics Office,是天宝（Trimble）公司随天宝仪器的附送给客户的，因为这种软件比较适合测绘工程数据处理、科研分析和学生使用。它具有以下特点：1 、全中文软件。2、工具齐全：(1).下载Trimble公司所有GPS接收机的数据。(2).将GPS接收机的数据转换成Rinex格式(3).建立完整的坐标系统（三维坐标系统、平面坐标系统和海拔高系统）(4).为绘制地形图建立图形属性和编辑图形属性库。(5).卫星可见性预报。3、处理数据多样静态测量数据：各种GPS接收机的Rinex格式的数据、全站仪、测距仪、经纬仪、水准仪等的测量数据共同处理。静态、快速静态、准动态、RTK测量数据共同处理。4、功能齐全(1).静态、快速静态、准动态、RTK测量、传统测量等数据处理：(2).基线处理：可以对参数进行输入和调整，可视化选择卫星和时段工具。(3).网平差：自由网平差，自动调整和迭代运算，醒目的超限警报。约束网平差：自动调整和迭代运算醒目的超限警报。(4).结果报告内容齐全：满足使用、分析和研究需要，图文并茂。(5).可视化工程设计：可以调入遥感图、航空摄影图、地形图等作为工程设计底图进行道路中线、边坡、纵断面、横断拉坡等设计，建立数字地面模型。(6).操作界面图文并茂：可以用文字界面，也可以用形象的图形界面。4.3 数据处理及精度分析当外业数据釆集完后，把GPS接收机中存储的数据转输到计算机中并按指定的格式保存，把数据读入GPS数据处理软件TGO中，进行数据处理。4.3.1用TGO进行平差的步骤： 1项目基准的创建（1）打开坐标系统管理器（2选择坐标转换在左边页面空白处添加新的基准转换参数选择molodensky输入名称black选择krassovsky 1940椭球。（3）选择坐标系统在左边空白出选添加新的坐标系统组输入名称 eyes（4选定eyes在页面右边选择添加新的横轴墨卡托投影输入名称blackeyes，在投影参数里设置中心纬度为0，中心经度为114，纵轴加常数为0，横轴加常数为500000。2自由网平差新建项目，在坐标系统设置中选择刚才建立的坐标转换系统，导入原始数据。选择所有的GPS基线，将视图栏的timeline打开，我选择将观测数据分成六期，每期10分钟，如图（一）为第一期。对每一期的GPS基线进行处理，并且查看GPS环闭合差。在平差栏的“基准”中选择 WGS84，“加权策略”的GPS纯量中选择自动的，在“点”中选择WGS84进行平差，并且查看自由网平差报告。图 （一）3 约束网平差 在平差栏的“基准”中选择 black投影基准。在“观测值”的“水准面”选项中选择装载。在“加权策略”的GPS纯量中选择自动的。在“点”中选择“网格”项，并且固定 两个地面点的 坐标和高程，我选择把第一期的数据做为约束基准。如图 （二）进行约束网平差，并且查看约束网平差报告。 图 （二） 通过计算6、9两点在经TGO处理后的坐标，得出两点在所建立的black坐标下平面上的投影距离SG；再计算当全站仪架在6点时9点的数据，得出6-9在当时坐标系中在平面上的投影距离S全，比例因子K=S全/SG=0.999916478。在求出GPS所得出的X、Y变形量之后，分别乘以K，再与全站仪测的变形量相比较。以下的GPS所测的变形数据都为乘以K之后的变形量。4.3.2全站仪测量数据处理全站仪测的数据经处理后得到的是以全站仪所放点为原点的平面坐标系内的坐标，此坐标系要转动一下才能与black的二维方向一致，公式如下：=X、Y为初始坐标，X、Y为转换后的坐标，为1771431得出新的坐标后，把其平均分为6组，每组经过平均，得出两点的坐标，对得出的6组坐标进行变形分析。4.3.3精度分析由于试验所用的全站仪精度很高，故将其测得的建筑物变形当作真实变形，GPS测得的变形与之相比 。将变形结果列于下表，左边两列为GPS测得的变形结果，右边两列为全站仪的变形结果：（5）5X5YQ5XQ5Y-0.0040.0020.0001560.0013390.009999-0.0020.0001770.0011580.010999-0.0020.0002060.0011750.001-0.0020.0004120.0034050.007999-0.0060.0005310.004344（8）8X8YQ8XQ8Y-0.0040.001-0.000860.0016620.0119990.007999-0.000740.0013450.0109990.009999-0.000960.001378-0.0010.005-0.001940.0036420.0069990.006999-0.002350.004837 （GAO）5GAO8GAOQ5GAOQ8GAO-0.0060.001-0.00041-0.00019-0.010.002-0.00037-0.00029-0.0070.005-0.00059-0.00017-0.0070.006-0.00073-0.00038-0.0080.001-0.00096-0.0006 对5，8两个点用GPS测得的三个方向的变形量和用全站仪在这三个方向测得的变形量的绝对值都取平均，列于下表： XYGAO50.0067994320.0027997660.0076Q50.0002965420.0022840420.00061197880.0069994150.0061994820.003Q80.0013710210.002572950.000326378我们将全站仪的数据作为标准，那么可得用GPS测得的5，8两个点在三个方向的误差：XYGAO50.006502890.0005157240.00698802280.0056283940.0036265320.002673622从上表看出，用GPS测得四号楼和实验大楼点在三个方向的变形的误差都不是很大，最大的为四号楼在高程方向的误差，也才7mm，这基本上满足了要求。再加上GPS在变形监测中的众多优点，从而可以认为将GPS用于一般建筑物的变形监测是可行的。将5，8两个点在三个方向上