毕业设计（论文）-GPS原理及其在变形监测中的应用.doc

内蒙古科技大学毕业设计书明书内蒙古科技大学本科生毕业设计说明书（毕业论文）题 目：GPS原理及其在变形监测中的应用学生姓名：学 号：1072143133专 业：测绘工程班 级：10-1班指导教师： GPS原理及其在变形监测中的应用摘要GPS作为一种新型的空间定位技术，已经逐步在更广泛的领域里面代替了传统的光学和电子测量仪器。自从2O世纪80年代以来，特别是进人到90年代以后，GPS卫星定位技术和导航技术通过与现代通信技术相结合，给空间定位技术带来了革命性的变革。使用GPS测定三维坐标的方式，测绘定位技术从大陆和近海延伸到全部的海洋和外层空间，从静态定位发展到动态，从单点定位发展到局部与广域差分技术，从事后处理拓展到导航与实时定位，相对和绝对精度能够达到m级、cm级甚至亚mm级，因而大大拓宽了他在各行各业中的地位和作用。因为GPS在三维定位功能方面精度很高，所以在变形监测方面，与传统方法相比，使用GPS不仅具有精度高、速度快、操作简单等优点，而且利用GPS技术、计算机技术、数据通讯与分析处理技术，可达到实时监测、全自动化的目的。目前GPS技术已经广泛应用于各类的变形监测中，如城市变形监测、大坝变形监测、桥梁变形监测、滑坡变形监测、矿山变形监测等等。本文主要介绍了全球定位系统，GPS定位原理，GPS在变形监测中的应用，GPS变形监测数据分析原理。最后给出了GPS定位技术在大坝变形监测系统中的实例，说明了GPS定位是一种对未来测量很有发展的技术。关键词：GPS原理，变形监测，应用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 all 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, 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 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 ExamplesII目录摘要IIAbstractIII第一章 绪论51.1概述51.2 研究意义61.3 GPS变形监测技术背景61.4 GPS在变形监测中的研究现状7第二章 GPS基本原理92.1 GPS全球定位系统概述92.2 GPS的特点92.3 GPS系统的组成102.4 GPS卫星信号122.5 GPS定位原理13第三章 GPS在变形监测中的应用193.1 变形监测193.2 应用GPS进行变形监测的优缺点203.3 GPS变形监测模式223.4 GPS变形监测网233.5 GPS应用于变形监测的发展趋势25第四章 GPS变形监测数据分析原理264.1 数据处理过程264.2 大坝自动化监测模型264.3 GPS变形监测实例284.4数据处理294.4.1数据观测要求304.4.2数据传输过程304.4.3数据处理过程31III4.4.4数据分析对比37结束语39参考文献40附录一：GPS测量规范42附录二：静态处理 网平差报告43附录三：GPS网形图52致谢55IV第一章 绪论1.1概述变形监测是指对工程建筑物的地基沉降以及整体倾斜的监测，它的关键在于捕捉构筑物敏感点以及特征点的具体变形信息。如果误差在一定范围的允许之内，可以认为此建筑物是属于安全范围的；但是如果超过了一定的限度，这个建筑物就存在安全隐患；如果不及时处理的话，就会给人类带来灾难性的损害。变形监测的精度要求取决于此工程原始设计时的规定范围，一般要求精度在毫米级到亚毫米级之间。随着现代社会的建筑物以及大型工程的不断增多，GPS越来越受到人们的青睐。传统的方法是采用经纬仪、全站仪、水准仪等仪器实施，这些方法虽然投入较少，但却只能以人工的方式进行测量，不仅费时费力，工作量大，而且易受到天气条件和地形地貌条件变化的影响，定位精度也很难达到要求。因此，GPS全球定位系统作为一种新型的空间定位方法，逐步替代了通常的光学和电子测量方法。它以其高精度、全天候、高效率、多功能、操作简便、应用广泛等优点获得了人们的喜欢，而且对此的研究也同时推进着变形监测理论和技术的快速发展。现在, 变形监测正向多门学科的方向在逐步发展, 形成相互关联的学科，并且成为相关研究人员合作研究的领域。1.2 研究意义随着科技的发展和大型机械的产生和应用，人们在城市建筑、水利工程、道路交通工程等方而的建设能力不断提高，高楼大厦拔地而起、大型水电站屹立于江河之中、挖山掘石更是不再话下，各类大型建筑在经济发展和人民生活中发挥着重要的作用，同时其安全问题也是备受人们的关注。随着工程的规模越来越大、成本造价不断提高、科技的广泛应用，工程质量精密度日益提升，但是如果因为某种原因工程出现问题，其后果也是非常严重的。所以及时准确地掌握各类工程的变形情况达到预防工程变形灾害的目的，就显得尤为重要！对于工程变形的监测可以有效的分析与评价工程的安全状态，验证工程建设的质量，对工程变形的变化趋势做出预测，从而让人们提早预防因为变形而带来的损失与灾害。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。常规大地测量的优点是:（1） 它可以变形点的变形信息。（2）可以适用于不同的监测精度，不同的监测环境和不同的监测体。(3)可以提供绝对变形信息。但它的缺点是：外业工作量比较大, 布点容易受到地形条件的影响, 难以实现自动化监测。与其它变形监测技术相比,近景摄影测量的优点是:（1）能够迅速的记录下相关信息。（2）可适用于不规则、规则物体的变形监测。（3）相片上的信息完整丰富，有利于进行变形的对比分析。（4）监测工作快速、安全、简便。随着数字摄影测量技术在近几年的不断发展, 其在大坝和矿山等变形监测中发挥了很好的作用,由此，让人们看到了此项技术具有广阔的未来。此外, 航空摄影测量在较大范围的大地变形监测中也得到了很好的应用。但因为拍摄距离的限制, 而且多数的测量机构没有摄影测量所需要的仪器, 摄影测量技术在变形监测中还没有达到普遍的应用。GPS技术的发展给测量带来了伟大的变革。比如, 日本国土资源相关部门从90年代起开始建立GPS连续性观测网, 到1995年日本已经建立超过200个由GPS观测网组成的GPS工作站。当前的观测站总数已经达到上千个。这个系统于1995年正式投产应用, 第二年就监测到日本北海附近的7级地震,而且此系统实时的记录下了地震前后特特征点的变形情况。而后, 这个系统又监测到了其他的由地震和地壳运动引起的变形情况。在大坝变形监测方面，我国在浏阳河已成功的建立大坝GPS自动化监测系统。数据传输部分能够及时有效的将观测资料和相关信息传到控制中心，控制中心也能够控制接收机。(比如:开机、关机、改时段长度、设置采样率、截止高度角等参数)数据处理管理部分由总控制软件，数据处理软件、变形自动化分析软件和数据库管理系统。此系统曾在1998年黄河抗洪的过程中起到了重要的作用。在滑坡变形监测方面，D.X.L在2000年向世人提出了一机多天线的思想，并且建立了一机多天线的GPS自动化监测系统。此系统不改变当前已经有的GPS接收机结构，只是在原有的结构基础上加了一个接收机分时器。这种思想的实质是将多天线阵列和GPS接收机在连接的时候加上单石通开关连接器，叫做GMS多天线转换开关(GPS Multi一。ntenna Switch)，它可以和随便的多个GPS天线相连通。事实证明，使用GPS一机多天线系统能够为硬件设备节省很多的经费，而且这种系统能够很好地应用于大坝和滑坡变形监测系统中去。1.4 GPS在变形监测中的研究现状GPS变形监测主要应用在以下几个方面：在滑坡监测方面，GPS可以解决很多常规性问题，是掌握山体滑坡变形的重要手段。然后,该系统可对大型的构筑物进行监测,具有速度快、精度高、操作容易、不易受外界影响等特点，而且可以全天候的测出被测侧物体的三维坐标变化，实时的掌握被测物体的三维点位变化规律，为大型建筑物的安全运营、维护保养提供可靠的信息。第三,GPS技术不仅可以实现大坝滑坡的变形监测，而且能够将这种监测自动化。GPS以其操作简便、高精度、高效率、全天候、实时、自动化程度高等优点，已经广泛的被人们所使用。如今，GPS已经广泛地应用于地壳运动监测、地面沉降监测、矿区和坝区边坡稳定性的监测、大型建筑物的变形监测等诸多方面，并取得了一系列的成果，同时也在实践中积累了很多的经验。在大地测量方面，利用GPS技术开展国际联测，建立国家大地控制网，提供高精度的坐标，优化大地水准面，组织各部门参加了GPS定位的1992年全国大会。数据处理后，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30-100km的B级网，全国约2500个点。A，B级GPS网点的几何水准联测。因此，各部门，各级建立控制网络，提供高精确度和高的流体流动和参考平面的映射工作。在地球动力学，GPS技术用于监测全球和区域性的板块运动监测。中国已开始利用GPS技术监测南极板块运动，地壳运动，四川淡水和地壳断层，建立中国地壳形变观测网，三峡库区形变观测网，城域网，如GPS网络。 GPS技术已经被用来测量海洋，水下地形测绘。此外，军事国防，智能交通，邮电，矿山，石油，建筑，农业，气象，土地管理，环境监测，金融，公安等部门和行业，在航空航天，测时授出，物探等领域，也都开展了GPS技术的探究和试用。在航空摄影测量方面，我国的测绘工作者也进行了GPS技术的天线的应用到工业控制，航空飞行导航，车载GPS图的天线和其他天线的各个阶段外测量。在中国，也有用于桥梁的GPS变形监测情况。广东有限公司联合研究所地理空间信息虎门大桥2000年5月联合清华大学成立了利用GPS RTK技术监测虎门大桥实时动态三维位移监测系统，系统可以24小时运行在各种可以监视变化的悬浮液维位移因子刺激风力负载，温度变化，地震和车辆下，和振动频率和整个箱梁桥变形分析的条件。该系统的科学管理提供了强大的工具来分析数据积累掌握的悬浮液的设立，可以验证原设计的准确性，提高中国的悬挂设计理论水平。这项技术的发展和应用，有利于提高监管其他大型建筑物悬挂的安全级别。 GPS技术在桥梁监测以往的研究基础，为后续研究的理论提供基础。GPS与其他传感器结合使用来监测桥梁安全已经成为一种趋势。在数据处理方面，数据处理变形监测基于GPS技术，包括GPS定位数据处理测量数据处理及工程变形监测，变形预测和分析两种方式。在该领域的GPS变形监测中，采用静态相对定位和实时动态差分定位模式。在GPS测量的数据处理中，模糊度求解和循环滑移检测和修复是GPS数据处理的关键问题。第二章 GPS基本原理2.1 GPS全球定位系统概述卫星导航定位技术是一个显著成就，是空间技术和现代技术相结合的电子技术革命，已在传统导航技术有了重大突破。全球定位定位系统(GPS)的英文名字为Global Positioning System，是“利用卫星测量测距导航/全球定位系统”的简称。这意味着，利用卫星导航和测距时间的测量。它是由美国国防部部主导开发了海，陆，空进行全职的新一代卫星导航与定位系统的三维导航与定位能力。GPS是基于卫星的无线电导航系统固定的，全球，全天候，连续和实时的导航和定时功能可以为所有类型的用户提供精确的三维坐标，时间和速度。经过近10年来，利用测绘，资源管理，设计，测量及其他部门显示，全球定位系统，其显着的特点是全天候，高精度，高效率，自动化等，并成功应用于工程测量，大地测量，资源勘探，定位监控，航空摄影测量，导航和管理，给测绘以及相关领域带来了深刻的技术革命。2.2 GPS的特点GPS导航定位以其实时、高精度全天候、效率高、功能多、操作方便、应用广泛等特点闻名。（1）定位精度高 应用实践证明，GPS50公里内的相对定位精度达到可达到，100-500公里可达，1000公里以上可达。（2）观测时间短随着GPS系统的不断完善，软件的不断更新，观测时间由几个小时已缩短到现在的几十分钟甚至几分钟。目前，20km以内相对静态定位，只有1520min；快速静态相对定位测量时间内的每个移动站和基站的距离为15公里，流动站观测时只需12min。 （3）测站间无需通视GPS测量不需要相互通视的观测站，只需测站上方空旷即可，从而节省了大量的费用。因为点无需通视，点位位置可根据需要，可稀可密，使现场作业的选择比较灵活，也可省去经典大地网中的过渡点的测量工作，不断提高经济效益。（4）可提供三维坐标将经典大地测量平面与高程分别采用不同方法施测，而采用GPS测量能够精确地测量测站点的三维信息。GPS定位的计算方法在全球统一的WGS-84坐标系中，因此测量在世界不同地区的结果是相互关联的。（5）仪器操作简便随着GPS接收机的日益完善，自动化程度地不断提高，有的已经达到了“傻瓜式”的程度；接收机体积越来越小，重量越来越轻，大大降低了测量的张力和劳动强度水平。使野外工作变得如此轻松愉快。（6）全球全天候作业当前GPS接收机可在一天内的任何时间进行观测，不受天阴下雨、刮风雾霾的影响。（7）功能多，应用广GPS系统不仅可用于测量、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（如图2.3）。 图2.3（一）空间部分GPS卫星星座GPS卫星星座由21颗工作卫星和3颗备用卫星组成，记为（21 +3） GPS星座。24颗卫星均匀分布在六个轨道面上，55轨道倾角，赤经向上的轨道远离60之间的平面。每个轨道平面内各颗卫星之间的升交角距相差，一轨道卫星高约20100km。随着时间和地点的不同，位于同一地平线上的卫星颗数也不同,最少可见到4颗,最多可见到11颗。当使用GPS导航信号，为使操作者知道该测站的三维坐标信息必须同时观测4颗GPS卫星，称为定位星座。在一定时间内，即是不能测量点的准确坐标，该时间段被称为间隙部。但这种时间间系段是很短暂的，并不会影响世界任何地点的全天候，高精度，实时连续的导航定位测量。（二）地面控制部分地面监控系统在导航和定位方面，GPS卫星为已知动态点。星位置是根据星历卫星发射 - 描述卫星运动及其轨道计算参数。地面监控系统提供星历给每个GPS卫星广播。卫星和地面设备的控制监测卫星上的各种设备是否正常工作和是否沿着预定的轨道进行。地面监控系统另一个重要作用是保持地面监测系统在每个卫星的GPS的标准时间系统。这要求每一个卫星地面站监测得到的时钟误差，然后发送给卫星从地面注入站，然后通过卫星导航数据发送给用户设备的时间。GPS工作卫星的地面控制系统由1个主控站、3个注入站和5个监测站枸成。主控站设在美国科罗拉多州，主控站的任务是收集、处理本站和监测站收到的全部资料，编译计算每颗卫星和GPS时间系统，将预测的卫星星历，钟差，状态数据以及大气传播改正编制成导航电文的星历传送到注入站。主控站还负责校正卫星的轨道偏差，调度卫星在必要时，备用卫星故障时，更换备用卫星的工作，让备用卫星取代无法工作的卫星。3个注入站分别位于大西洋的阿森松岛、印度洋的迪戈加西亚岛和太平洋的卡瓦加西。任务是将主控站发来的导航电文注入到相应的卫星存储器。每天注入3次，每次注入14天的星历。此外，注入站可以自动地发送信号到主控站，每分钟一次报告其工作状态。5个监测站除了位于主控站和三个注入站以外，还在夏威夷设立了一个监测站。监测站的主要任务是提供卫星站到主控站的观测数据。GPS信号被用来在每一个站的每一个可见卫星接收机每6分钟伪距测量结果和卫星多普勒观测一次，收集数据，例如气象要素。在远程主控站自动数据收集和轨道修正每15分钟一次平滑的观测数据，所以计算每个观测间隔2分钟的值，然后将数据发送到主控站。(三）用户设备部分GPS信号接收机GPS信号接收装置的任务：在卫星的选定截止角的一定的高度，以捕获卫星信号下测试，并跟踪这些卫星的能力，在接收到的GPS信号转换，放大和处理，以测量GPS信号从卫星到接收机天线的传播时间，解释由GPS卫星发送的导航消息，确定该站点三维坐标。2.4 GPS卫星信号GPS卫星信号被调制波的GPS卫星导航定位，为广大用户的发送，它包括：载波，测距码和数据码。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：10.23MHz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码是用于粗测距和GPS卫星信号的捕获伪随机码。 L1被调制在载波上，1MHz的是伪随机噪声码（PRN码），1023（期间1米次）的码长。由于每颗卫星的C / A码是不一样的，所以我们经常使用他们的PRN号来区分它们。 C / A码是该站的信号的一个主要的卫星间的距离确定普通用户。(2) P码是卫星的精密测量代码，这被调制在L1和L2载波上是10MH伪随机噪声码，七天在实施AS，P码和W模式代码通过增加两个生成的执行期间保密的Y码，此时，普通用户无法使用P码进行导航。(3)导航信息：导航信息被调制在L1载波上的信号频率为50H Z，包含一个GPS卫星的轨道参数，卫星时钟校正和其它系统参数。用户通常需要使用此信息来计算地球的轨道时间导航GPS卫星定位，导航信息也被称为广播星历。2.5 GPS定位原理根据测量中的距离交会定点原理，GPS实现其定位。如图2.1所示, 在待测点Q放置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。通过数据计算和处理，可求得该时刻卫星、到接收机天线中心(测站点)的距离 。根据卫星星历可查到3颗卫星的三维坐标( , , ) , j= 1, 2, 3, 因而由下列式子求出Q点的三维坐标( , , ): (2.1) （2.2） （2.3） 图2.1定位测量原理根据来自不同卫星和加工方法所接收的信号，对GPS卫星定位的主要形式可分为伪距测量定位，载波相位测量和差分GPS定位。对于不确定的点，根据运动状态可分为静态和动态定位。定位单个GPS接收机被称为单点定位或绝对定位;两个或更多的接收器被放置在由同步观测的卫星信号进行测试，以确定该测试点的相对位置，被称为相对定位。（1） 伪距测量：由GPS接收机在某一时刻测出得到四颗以上GPS卫星的伪距以及已知的卫星位置称为伪距法定位。测得的伪距测距码信号被从卫星发送到到达GPS接收机的传播时间乘以光从测量得到的速度。由于电离层和对流层延迟的卫星钟，接收机钟差和无线电信号，实际测量的距离和距离从接收到的卫星几何有一定的差异，但一般加权距离测算出来的伪距。用C/A码进行测量的伪距为C/A码伪距，用P码测量的伪距为P码伪距。虽然伪距定位法一次性定位精度不高，但因其具有定位速度快，无多值性等好处，仍旧是GP采用定位的最基本的方法。测得的伪距载波相位测量值可被用作在解决不确定性整个波数问题的支持信息。（1）由相同结构从动自己接收机的时钟脉冲生成一个复制码（2）通过时间延迟允许T的延迟，两码相关进行比较。（3）距离=ct=cT 。 当要校正错误的伪距，精确的计算，来自卫星的卫星信号到达测站的钟面的传播时间： (2.4) (2.5)现顾及大气折射影响 （2.6） 为理想距离。 当然，伪距观测方程是非线性的语言，此卫星站之间的几何距离为：(2.7)由于方程是非线性方程，上述方程需要被线性化的方程，如下图所示： (2.8)有三个测站未知数 以及一个钟差未知数 电离层和对流层改正通常是通过专门的数学模型分开。因此，该接收机需要跟踪至少四个卫星来解决。（2） 载波相位观测有两种频率的波存在于GPS载波信号上：L1：L2：载波相位的测量原理如图2.2，卫星信号传至接收机的过程如图2.3。图2.2载波相位观测原理 图2.3整周模糊度，相位差公式应为： (2.9) (2.10) (2.11)载波相位观测示意图，如图2.4：图2.4：载波相位信号传播图由于接收机的频率漂移比较小，一般可以忽略，即： 由于有接收机钟差，所以相位观测方程可表示为： (2.12)式中：考虑到电流层和对流层都会对传播相位产生影响，载波相位观测方程表示为： (2.13)式子两边都乘以 可转化为：(2.14)载波相位观测方程： (2.15) 测向距离形式的观测方程： (2.16)根据上述公式，对接收机的钟差，卫星钟差，卫星轨道误差，多路径效应，电离层误差，对流层误差可通过最小二乘原理或者卡拉曼滤波算法的实时数据或解决处理的原则纠正。其中，接收器的时钟差异可以被视为恒定的，多路径效应是随机误差，电离层和对流层是基于初步的观察可以归纳为一个模型，它随时间的变化，并以纠正观察到的数据。第三章 GPS在变形监测中的应用3.1 变形监测变形是自然界普遍存在的现象，它是指在不同的负载，在尺寸，形状和变形体的位置的时间和空间上的变化。变形监测的范围是非常广泛的，从地面运动，全球板块运动，地球自转速率变化与地壳相对运动，地壳形变，变形区域，然后滑坡滑动，倾斜和沉降的工程建设其他全球性变形，地下开采引起的地标沉降和流动，工业设备或部件，如工程和本地化的扭曲偏移变形，变形几乎是无处不在。变形监测是使用测量仪器进行定期实时监测，以确定代表性的点在空间和时间的变化信息。变形可分为静态变形和动态变形，静态变形是指变形体随时间而发生的缓慢变形。动态变形主要是指身体的变形在外界变形下的负载压力时，通常这种变形是瞬间的压力的作用下发生的效果。3.2 应用GPS进行变形监测的优缺点GPS技术变形监测具有以下优点：（1）GPS测量一个显著特点是测站之间测量无需保持通视。传统的变形监测方法，只有点之间通视才能进行测量。对于GPS，测站之间无需通视只需测站上空无障碍物即可。由于GPS定位时测站间无需保持通视，从而可以使变形监测点的布设更为自由、灵活，并可省去不少中间传递过渡点，节省大量人力物力和财力。（2）操作简便。目前CPS接收机已经越来越趋于小型化和操作傻瓜化，只需将天线对中、整平、测量天线高度，打开观察电源。其他，如卫星捕获，跟踪等观测仪器自动完成。（3）能同时测定点的三维位移信息。采用传统方法进行变形监测时，平面位移通常是带正锤线，锤向下行，角线方向相交，交点和总台来测量距离的极坐标等方法，和垂直方向的位移通常使用精确的流平性，静压液位测量，测斜仪和其他方法来确定。分别测定在水平方向和垂直方向的位移不仅增加了工作量和长期监测期间，监测的时间，并且难以保持一致的点，从而提高变形分析的难度。GPS可以监测被测物体的三维坐标信息。（4）监测精度高。在变形监测中，如果GPS接收机天线保持静止，CPS可以提供更高的110的相对定位精度，其结果不会影响变形监测的因素，包括天线对中误差，整平误差，定位误差，天线高度的测量误差。在卫星的误差传播的影响的信号的公用部分，不完善的解算软件，GPS数据处理起始坐标的误差，也可以消除或减少。（5）全天候观测。GPS测量不受气候条件的限制，在风雪雨雾中仍能进行正常观测。这对于防洪，滑坡，泥石流等地质灾害的监测等应用方面尤为重要。（6）易于实现全系统的自动化。由于数据采集的GPS接收器是自动的,并且还预留所需的用户界面，使用户可以更方便地把建无人看守自动监测系统，实现从数据采集，传输，处理，分析，存储报警充分的GPS变形监测系统自动化。如果有必要，用户可以从控制中心的办公室查看每个GPS接收机的信息，你也可以发出命令来改变采样率，时段长度和截至高度角等设置。（7）可消除或减弱系统误差的影响。在变形监测中我们所需要的是俩期变形监测点坐标的变化差异，而不是变形监测点的本生身坐标。倆期变形监测中的公共误差会影响到倆期坐标点的大小，但不会影响到他们之间的差值。（8）可直接用大地高进行垂直变形测量。在GPS测量中高程系统一直是一个令人棘手的问题。GPS只能测定大地高，而在日常的测量中，例如工程测量、地形测量等能测定的是正高和正常高，所以他们之间有下列的关系式： (3.1)正因为如此，GPS定位技术得到了迅速的推广在变形监测中已成为一个适用性非常广阔的新的变形监测方法。当然，使用GPS定位技术进行变形监测的时候，也有一些不足之处，主要表现在以下几个方面：(1) 点位选择的自由度较低。为了保证测量工作的精度要求，在变形监测的测站上做出一些要求：例如在测站周围仰角15以上不允许障碍物的成片存在，测站大型发电机，变压器，电源线和微波信号发射站，中转站等有一定距离。但在变形监测中往往难以满足这些要求，因为监测点的位置通常是由主办单位根据建筑物的结构和力量水坝，桥梁，工厂等大型物体的情况造而定的，或是根据地质人员从山体的断层或滑坡而定的，变化的余地可以说是非常小。(2)观测条件一般较差。如在三峡滑坡监测，现场往往非常狭窄，大量卫星被阻塞，并且存在严重的多路径误差。例如，监视大坝时，由于堤坝和水库的另一侧是山地和树木，天然差异的地理环境和植被往往导致对坝的两侧大气条件（温度，湿度等）产生的显著差异，从而影响了对流层延迟校正精度。3.3 GPS变形监测模式GPS定位技术进行变形监测作业可采用两种模式：连续性监测模式和周期性监测模式。（一）连续性变形监测模式：连续性变形监测指的是采用测量仪器来实时的进行数据采集，获得观测点的变形信息。获得的监测数据是不是间断的，具有较很高的时间分辨率。通常要求变形监测的实时性。如：大坝在超水位蓄洪时，必须实时的对其进行监测，而且要求监测系统具有很好的数据采集处理和分析计算功能。近几年来，国内外在动态监测方面进行了一些试验工作。例如, 利用GPS技术卡尔加里，在强风的动态变形加拿大（卡尔加里）塔结构进行了测定;国内悬挂一些大的（如广东虎门大桥）和斜拉桥跨度一直在试图安装GPS实时动态监测系统振动利用GPS测量风深圳帝王大厦的特性。为了获得该对象的动态特性，需要对数据进行采样的连续，高频率。出现高采样率卫星接收机（20Hz的，10HZ，5HZ）,使它成为研究各种工程建筑物的变形特性的新方法。连续性监测模式具有下列优点：A.可以消除接收机天线安置时的误差。例如：对中误差、整平误差、量取天线高误差等。 B.能够实现监测系统的自动化，而且精度很高。连续性检测模式的缺点是：a. 每个变形监测点上都需要安置一台GPS接收机，监测所花费用比较贵。b.在野外行进变形监测的时候仪器的安全存在隐患。C.仪器需要有长期的供电来源，否则无法长期工作，在野外的话没有足够的电源供给。（二）周期性测量变形监测模式当变形体的变形速率比较缓慢，在局部和空间内没有移动时, 可以通过GPS进行周期性变形监测, 监测周期视具体情况而定，可以是一个月几个月甚至是一年好几年。这时采用GPS静态相对定位方法，在测站上同时安置几台以上GPS接收机进行观测，观测的时段长短和观测次数由观测精度而定。通常采用边连式的方法布设GPS控制网，数据处理和分析计算在内业进行。一般采纳GPS数据处理软件，例如compass，在此软件上进行基线向量处理和网平差计算。最终生成网平差成果报告，从成果报告上可以获取变形监测点的三维坐标信息。周期性监测模式的优点为：A.接收机不需要长时间的工作，有休息时间。B.接收机仪器设备的供电问题和安全问题可以得到解决。周期性监测模式的缺点是：a.接收机天线的对中整平等误差无法消除。特别是在高程测量方面，精度很难达到亚麻毫米级的级别。 b.劳动强度大，速度慢。3.4 GPS变形监测网使用GPS技术监测变形建筑物时，一般在离变形区较远的地方设置基准点，构成基准站。在变形体上选择一些监测点，当作GPS观测的流动站。如果运用适当的数据传输技术，实时测量数据自动传输到数据处理中心，并保存，处理，分析和显示，它可以是连续的自动变形监测。下面说明GPS基准网和变形监测网的布设原则与方法。（一）基准设计GPS技术被用于变形测量时，所计算出的基线向量的三维坐标差是属WGS-84坐标系的。实际需要的点位坐标可以是WGS-84坐标系的坐标，也可能是国家坐标系或地方独立坐标系的坐标。因此，在GPS变形监测网的基准设计时，必须确定GPS成果所采用的起算数据和坐标系统，就是明确GPS变形监测网所采用的基准。对于GPS监测网形坐标系的选择，假设选取的坐标系是WGS-84坐标系。那么在设计基准网的时候，最好能够进行附近国家GPS点的联测。假设选择的是国家大地坐标系或是地方独立坐标系，那么基准点选择的时候应该包含有国家大地坐标系或是地方独立坐标系下的坐标点，这样以便于将在WGS-84坐标系观测下的变形数据进行坐标转换。GPS测量出的高程结果为WGS-84下的大地高，也可以作为变形监测数据的分析参考。假设实际应用中采用的是水准高程，则在变形监测的时候应该将GPS监测点的高程测量出来，将GPS下的大地高通过曲面拟合转换为正高或正常高。（二）网形设计由于GPS同步观测不要需点之间相互通视，因此GPS大大增加了GPS网形设计的灵活性。根据不同的精度要求，GPS网的网形布局一般有点连式、边连式、网连式及边点混合连接几种方式。GPS观测中，3台或3台以上GPS接收机同步观测所得到的基线向量叫做同步环，不是同步观测所得到的基线向量叫做异步环。点连式是指相邻的同步观测图形之间只有一个公共点相连接，以这种方式布设的变形监测网几何图形强度较低，而且有较少的异步环甚至没有，通常不单独使用这种方法布设监测网。边连式是指相邻的同步观测图形之间只有一条公共基线连接。这种布网方式，几何图形强度较高，有较强的的可靠性，而且会有足够的异步环供网形精度监测，所以在GPS布设监测网时，多数采用边连式的方法。网连式是指相邻同步图形之间有俩个以上的公共点连接，这种方式需要4台以上的接收机。当然，这种布网图形也有很强的几何强度和较高的可靠性，异步环也较多，但是，这种布网方式的缺点是：会花费大量的时间、经费，适用于高精度的变形监测。边点混合连接式是指组成GPS网，既能保证网的几何强度，提高网的可靠性，又能减少外业工作量，减少成本，是一种比较靠谱的布网方式。如图3.1(a)所示，用3台GPS接收机进行观测的网形设计，如图3.1(b)所示，用4台GPS接收机进行观测，。当然，还可以设计出不同的网形，以便选出最佳的布网方案。 (a) （b）图 3.1设计出的GPS网形，根据网型结构和接收机的精度指标，能够预算出所设计网形的精度，求出最弱点点位中误差。考虑到还有观测时段数，最后优化出能满足工作的最佳方案。3.5 GPS应用于变形监测的发展趋势基于国内变形监测的现状发展和对变形监测的客观要求，GPS变形监测的发展方向可以有以下几个：（1) 建立在线实时的GPS变形监测分析系统对于、高层建筑物、大坝、桥梁、滑坡和地区性地壳变形监测，研究建立GPS在线实时监测系统是一个未来的发展趋势。由数据采集、数据运输和数据处理与分析组成的这种系统，变形监测的结果数据准确快速的进行处理分析，从而为大型建筑物提供现状的数据和对未来的发展趋势的预测，为科学的预防灾害的发生提供可靠的依据。但由于建立一个连续实时的大型GPS变形监测系统成本较昂贵，所以，对较低成本的GPS一机多天线的在线实时监测系统的研究，未来会成为主流。（2) 建立“3S”(GPS、GIS、RS) 集成变形监测系统“3S”集成技术,可以为变形监测的各部分系统提供数据支撑，尤其是时态GIS(简称TGIS)技术的发明, 能够展示四维的地质空间变化，除了通常GIS所具有的功能外，还可以研究记录地质现象随着时间的变化。这对滑坡等地质灾害的研究具有很重要的意义。（3) 将小波分析理论用于GPS动态变形分析为了解决经典Fourier不能描绘信号时频特征的不足，能将小波变换用于GPS变形分析, 就是利用小波变换的多分辨率特征，实现GPS动态监测数据的筛选、提取变性特征信息和分隔不同变形频率。因此, 小波分析理论在GPS动态变形监测的数据处理与分析方面将发挥重要作用。第四章 GPS变形监测数据分析原理4.1 数据处理过程GPS数据处理过程包括基线向量解算，GPS网平差等。如图4.1：数据采集数据传输预处理基线解算GPS网平差 图4.1图中第一步数据采集是GPS接收机在进行变形监测时采集到的原始观测数据。图中第二部数据传输是使用数据线将接收机在外业观测到的原始数据传输到计算机上。图中第三四五步是指运用计算机上的GPS处理软件进行处理。整个数据处理过程可以建立数据库管理系统。4.2 大坝自动化监测模型针对大坝高坡等大型建筑物边坡的重要性以及在监测过程中存在的不方便的问题，提出了大坝GPS变形监测远程自动化实时监测系统。以大坝GPS自动化变形监测系统示意图来表示数据的采集和处理方法过程。如图4.2：图4.2数据的采集和处理方法过程如图4.3，大坝GPS自动化变形监测系统： 图4.3 4.3 GPS变形监测实例（一）概况此大坝的点位分布图4.4：图4.4某大坝的现场分布图这个大坝的现场分布情况：CG06、CG11是大坝上的两个基准点，可以视为稳固点。OP03、OP04、OP05是大坝体上的三个特征点，可作为变形监测点。通过对这三个点进行变形监测，从而分析大坝体的形变趋势。在大坝上建立一个GPS自动化变形监测网络系统，类似于一个小型的局域网。网络的中心要建立在大坝办公楼，设立大型的基准站和GPS移动站网络系统，将每台移动站的GPS接收机与基准站相连接，以便于将观测数据实时的传到基准站，再通过传输设备传到网络系统里，通过计算机将观测到的数据进行处理解算。（二）控制网的布设：（1）了解测区概况并收集资料需要了解测区的人文地理情况，测区控制点的分布，对布设控制网的影响程度以及未来的发展前景。测绘人员应该到大坝当地的测绘相关部门收集这些资料。例如测区已有的控制成果，地形图的比例尺，去实地考察旧的控制点的保存情况和分布状况，这些都是为布设一个好的控制网方案做充分的准备。（2）确定布网方案根据已经收集到的资料和已有的设备确定布网方案。因为测区是大坝所在区域，所以布设成独立网即可。投影采用3度投影带，图上设计应该在1:10000或1:25000的地形图上进行:首先展 绘收集到的点位到图上，根据图上的已知控制点进行设计网形，设计网形时需要推算网形是否满足相关的精度要求。图上选点布网后，必须到实地进行勘探，看看规划设计是否满足实地要求。为了保证控制网的精度和避免不必要的返工浪费，还应该推算出控制网中各个元素的精度。（3）编写技术设计说明书写技术设计说明书的目的是制定一个测量计划和对大坝监测控制的实施方案，从整体规划，技术，组织上做出阐释。（4）造标埋石在确定控制点的位置后，需要开始埋石造标工作，埋设标石作为标记，建设的站标高为观测时瞄准的目标，最终所有观察到的测量成果和点的坐标都应该归于造标中心上。因此，标志点的选择必须是稳固的，对大坝变形监测反应有效。而且还要选择以外的基准点，当做大坝上变形点的参考。（三）投影带的选取 这次控制网的布设选取3度投影带作为投影带。为了避免投影误差，也可以在WGS - 84坐标下测量，计算，比较和评价。（4） 测量规范见附录一：GPS测量规范。4.4数据处理数据处理的思想是；此次总共对大坝控制网进行俩期的变形监测，在大坝整体位移并不大的情况下，那么控制网内的变形监测点就可以作为大坝形变的参照。将第一期观测完的数据通过GPS处理软件进行基线向量解算和网平差后，得出第一期所有控制点的坐标成果以及评定精度。然后进行第二期的测量，将第一期的基准点GC06、GC11做为固定点，利用第二期原始观测数据进行基线解算和网平差，将求得的坐标点进行精度检核，看是否在误差允许范围之内。通过与第一期处理的OP05、OP04、OP03点进行坐标对比，来分析大坝的变形情况，从而分析大坝的稳定性。4.4.1数据观测要求外业观测作业中采取了如下几个措施来提高观测精度：(1) 卫星的个数。同步观测的卫星应该多于4 颗，而且都平均分散在四个象限；(2）选取的GDOP（图形强度因子）值。GDOP值越小，表明卫星星座与测站构成的几何图形较好，观测成果的质量也较好 ，所以在观测过程中选取的GDOP 值均在6以内。4.4.2数据传输过程1、导入数据。打开Compass静态处理专业版软件，新建项目，选择WGS-84坐标系，如图4.5：图4.5在工具栏中点击，选择compass数据文件导入。如图4.6：图4.6导入后的数据，包括观测数据、基线向量、观测站点，如图4.7：图4.74.4.3数据处理过程（一）基线处理点击菜单中的“静态基线”中的“基线处理设置”如图4.8：图4.8设置完成后点击菜单中的“静态基线”中“处理全部基线”，如图4.9：图4.9处理所有基线后再对每条基线进行处理，看是否有周跳等。下面以100773073到10786073.D23为例。首先，点鼠标右键出现菜单点击“属性”出现下面的对话框4.10：图4.10然