对GPS测量的误差与在变形测量中的分析及讨论

中国地质大学（武汉）远程与继续教育学院毕业论文（设计） 中国地质大学（武汉）远程与继续教育学院毕业论文（设计）合肥函授站 教学站（点）2016届测绘工程专业题 目 对GPS测量的误差与在变形测量中的分析及讨论班 号 学 生 吴恙 指导教师 高曼莉 2016年02月29日论文原创性声明内容本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 毕业论文作者签名：吴恙 日期：2016年02月29日摘 要GPS空间定位技术是现代测量技术发展过程中的一个重要的里程碑，与常规光学和电子测量仪器相比，表现出了不可比拟的优越性。随着现代科学技术的发展和变形监测技术的进步，建筑物变形监测技术也在不断发展中日益完善和提高。GPS定位技术以其实时、连续、高精度、速度快、自动化程度高和全天候观测等优势，在建筑物变形监测中发挥了极其重要的作用，得到了越来越广泛的应用。与此同时，GPS定位技术在该领域的应用也存在一定的缺陷和局限性。因此本文通过搜集GPS技术及变形测量的相关文献资料并结合高层建筑基本状况，对课题展开论述。文章首先提出课题的研究背景和意义、文献研究综述、研究内容等基本情况；接着阐述GPS变形监测的优点、缺点等相关理论知识；最后从多路径效应和接收设备两大方面详细分析了高层建筑施工GPS测量的误差。关键词：变形测量；GPS技术；误差分析；高层建筑AbstractThe body: Space of GPS positioning technology is the modern measuring technology in the development of an important milestone, compared with the conventional optical and electronic measuring instrument, show the incomparable superiority.With the development of modern science and technology and the progress of deformation monitoring technology, building deformation monitoring technology has been developing increasingly improve and improve.GPS positioning technology to real-time, continuous, high precision, fast speed, high degree of automation and the advantages of the all-weather observation, in the building deformation monitoring has played a very important role, has been more and more widely used.At the same time, the application of GPS technology in the field also exist some shortcomings and limitations.So in this paper, through collecting GPS technology and deformation measurement of related literature and combining the basic situation of high-rise buildings on the subject.This paper put forward the research background and significance, literature review, research content and so on basic situation;Then expounds the advantages and disadvantages of GPS deformation monitoring and related theoretical knowledge;The last two aspects from the multipath effect and receiving equipment of GPS measurement error of the high-rise building construction are analyzed in detail.Key words: deformation measurement;GPS technology;The error analysis.High-rise buildings目 录摘 要3一、 绪 论71.研究背景和意义72.文献研究综述73. 研究内容及方法8二、GPS变形监测的特点81. 应用GPS进行变形监测的优点81.1 测站之间无需通视81.2 全天候观测81.3 自动化程度高81.4 高精度三维定位91.5 减少系统误差的影响91.6 抗干扰性能好、保密性强92.应用GPS进行变形监测存在的不足92.1 点位选择自由度相对较低92.2 变形监测条件差92.3 垂直位移监测精度不够102.4 函数关系复杂，误差来源多10三、高层建筑施工GPS测量多路径效应误差分析101.多路径效应误差101.1反射波引起的多路径效应误差101.2载波相位测量的多路径误差112.多路径效应误差的处理方法112.1选择恰当测站点112.2对接收机天线做适当处理11四、高层建筑施工GPS测量接收设备误差分析121.接收机钟误差分析121.1接收机钟误差原因分析121.2减少接收机钟误差的122.接收机位置误差分析122.1 接收机位置误差原因分析132.2 减少接收机位置误差方法133.天线相位中心位置的误差134.GPS天线相位中心的偏差135.与信号传播有关的误差14结论15致谢16参考文献17对GPS测量的误差与在变形测量中的分析及讨论一、 绪 论1.研究背景和意义当今社会经济和科学技术发展日新月异，人们的生产和生活领域逐步扩大，各种高层建筑物、大型桥梁、地下建（构）筑物、水工建筑物等层出不穷，其安全问题受到政府和人民的普遍关注，变形监测更是一项必不可少的工作，因此，目前绝大部分的大型建筑物都实施了安全监测工作。变形监测的具体内容和方法，应根据建筑物或构筑物的性质以及地基基础的类型来确定。近年来，GPS空间定位技术以其不可比拟的优越性在变形监测方面发挥了重要的作用，得到了广泛的应用，GPS定位技术已逐步成为变形监测的新方式和有效手段，尤其在建筑物变形观测工作中发挥了重要作用。虽然GPS技术进行变形测量有许多优点，但也存在不少问题，因此本文对GPS变形监测其误差进行了探讨。2.文献研究综述国外利用GPS进行变形监测是从上个世纪80年代开始的，当时主要是进行地壳运动的GPS监测。Kijewski等人进行了大量的静态试验，利用试验结果的统计特性来确定定位精度阀值PQT，以此来区分动态情况下变形和内部噪声，随后又利用振动装置模拟动态情形，结果表明当变形在2cm以上时，GPS就能够反应出变形特征，并且GPS测量精度与振动频率无关。Park等人利用GPS进行了超高层建筑水平位移、扭转位移的加速度计测量。首先利用固定点进行GPS水平测量精度测试，利用激光测距仪和加速度计进行对照，结果显示在振幅大于1cm时GPS测量结果与对照组结果非常吻合。我国在上个世纪90年代也开始布置GPS监测网进行地壳运动监测。随后由于 GPS 定位精度和接收机采样率的提高，人们开始将 GPS应用到大型工程结构物的变形监测中，主要是针对大坝、大型桥梁和超高层建筑进行变形监测。李宏男等人利用采样率为10Hz的RTK GPS对一幢高242m的超高层大厦进行了动态监测，数据处理时采用三阶Butterworth高通滤波来降低观测噪声，利用频谱分析得到结构振动频率与采用有限元软件的计算结果非常接近。匡翠林等人利用GPS对香港一超高层建筑进行了长时间的动态监测，通过计算发现在位移较小的情况下，GPS的测量结果受噪声影响大，利用小波分解可以很好的提取出大厦2mm的风致振动变形，并且利用GPS提取出的建筑物动态响应与加速度计得到的动态响应一致。3. 研究内容及方法本文主要运用文献资料的方法对课题展开论述，通过图书馆、互联网等渠道搜集GPS技术及变形测量的相关文献资料并进行归纳整理，以此为论文的写作提供理论基础。主要内容包括四个部分：一是提出课题的研究背景和意义、文献研究综述、研究内容等基本情况；二是阐述GPS变形监测的优点、缺点、作业模式等相关理论知识；三是分析高层建筑施工GPS测量多路径效应的误差，四是分析高层建筑施工GPS测量接收设备误差。二、GPS变形监测的特点1. 应用GPS进行变形监测的优点GPS作为一种全新的、极具潜力的空间定位技术，在变形监测中得到了越来越广泛的应用和推广，与常规变形监测技术相比，其突出的优越性主要体现在以下几个方面：1.1 测站之间无需通视利用GPS进行定位时，对测站间的通视情况不作要求，只要测站信号接收良好、点位易于保存即可，因此GPS监测网在选点时更加灵活、方便，避免了常规测量中观测过渡点和转点的工作量1，减轻了劳动强度，提高了观测精度，测绘效益显著。1.2 全天候观测GPS卫星星座由24颗卫星组成，均匀分布在6个轨道面上，在离地面1万2千公里的高空上，以12小时的周期环绕地球运行2。因此GPS用户可在一天内在任意时刻、在地面上的任意一点都可以同时观测到4颗以上的卫星，可全天候连续进行GPS定位测量，不受气候条件的影响，即使在风雪雨雾的天气中也能进行正常工作，大大提高了监测效率，减少了外业工作强度，尤其对于滑坡、泥石流、防讯抗洪等自然地质灾害的监测工作，显示出了不可比拟的优越性。1.3 自动化程度高GPS接收机能自动跟踪锁定卫星信号，自动实时地接收数据，而且还为用户预留了必要的接口，便于结合计算机技术建立形成无人值守的自动化监测系统，从而实现数据从采集、传输、处理、分析、报警到入库的自动化和实时化，这对于长期连续运行的变形监测系统具有十分重要的意义，缩短了观测周期，大大降低了监测成本，提高监测资料的可靠性以及用户对变形的响应能力。1.4 高精度三维定位采用传统测量方法进行变形监测时，平面位移和垂直位移需分别处理，且监测的点位和时间也可能不一致，从而增加了工作量，加大了变形分析的难度。而GPS可同时精确测定测站点的平面位置和大地高，即一次性获得高精度的测站点的三维坐标，实现了监测时域、空域的严格统一，对进一步数据处理和变形分析具有重要作用3。1.5 减少系统误差的影响变形监测主要是根据大量长期变形监测的观测数据，计算出变形监测点在不同周期中坐标数据之间的差值，即形变量，而对于变形监测点的三维坐标不做要求。在监测数据处理与分析过程中，某些共同系统误差可能会直接影响到不同周期变形监测点的坐标值，但对形变量的影响却不大。因此在变形监测中，可以采用一定的方法对系统误差进行消除或削弱，就能保证变形监测的精度，减少各种因素对变形监测结果的影响4。目前主要的系统误差来源及其消除方法，会在第二章中作详细的介绍。1.6 抗干扰性能好、保密性强利用GPS进行定位监测，实质是一种被动式导航定位，即用户设备不需要发射任何信号，只需单一地接收GPS卫星信号即可得到定位信息和导航数据。这种定位形式不仅可容纳用户数量多，而且隐蔽性好。此外，伪噪声码技术的应用使得数据的保密性和抗干扰性特别好5。2.应用GPS进行变形监测存在的不足采用GPS技术进行变形监测工作，虽然具有不可比拟的优越性，但也存在一定的缺陷和局限性，其不足之处主要包括以下几个方面：2.1 点位选择自由度相对较低为保证GPS测量的正常进行和定位精度的需要，要求测站上空视野开阔且信号不受干扰，而监测点的位置通常是根据监测物的建筑结构和受力情况，或根据地质构造，通常布设在变形体中最能体现变形特征的位置上，从而根据变形数据的积累和变化，可直接反应变形体的形态特征及变形规律6，因此GPS监测点位选、择和变动的余地较小，为了兼顾数据采集和工程性质的需要，GPS监测点所处的位置往往都不太理想。2.2 变形监测条件差在利用GPS进行工程变形监测时，监测环境通常都比较差，比如部分卫星同一被遮挡，视场过于狭窄，多路径误差影响较大等。例如在大现变形监测中，大现两侧的自然地理条件往往存在明显差异，从而导致大坝两侧的湿度、温度等大气状况差异较大，就会直接影响到对流层延迟改正的精度7。2.3 垂直位移监测精度不够根据部分GPS监测资料的分析结果表明，对于水平位移的监测精度比较高，但对于垂直位移的监测精度较低8，一般要比水平位移的监测精度低出两倍之多，因此在高精度的变形监测中，利用GPS很难同时精确测定变形体的水平位移和垂直位移。2.4 函数关系复杂，误差来源多GPS系统中的基准站和监测站间的坐标差，是根据两站的卫星星历和载波相位观测值求得旳，函数关系复杂，计算量非常大，数据处理的难度较高9。在GPS变形监测过程中，误差种类非常多，对定位结果产生不同程度的影响，如时钟误差、星历误差、多路径效应、对流层和电离层延迟误差等10。在GPS数据处理过程中，还涉及整周模糊度的确定、选择合适的数据处理模型和周跳的探测及修复等诸多问题。其中任何一个环节处理不好，都将影响最终的监测精度。三、高层建筑施工GPS测量多路径效应误差分析在高层建筑施工GPS测量中，如果测站周围的反射物质所反射的卫星信号（反射波）进入接收机天线，便将与直接来自卫星的信号（直接波）产生干涉，从而使观测值偏离真值产生多路径误差。1.多路径效应误差1.1反射波引起的多路径效应误差在工程测量中GPS天线接收到的信号是直射波和反射波产生干涉后的组合信号。反射物可以是地面、山坡、所施工的高层建筑及其临近的建筑物等。如图1所示，天线A同时收到来自卫星的直接信号S和经地面反射后的反射信号S。显然这两种信号所经过的路径长度是不同的，反射信号多经过的路径长度称为程差，用表示，则：2Hsinz式中：H天线离反射面的高度； Z反射波与反射面间的夹角。反射波与直射波之间的相位延迟为：式中：载波波长由于反射波一部分能量被反射面吸收，GPS接收天线为右旋圆极化结构，也能抑制反射波，因此，反射波除了存在相位延迟外，信号强度一般也会减少。1.2载波相位测量的多路径误差在GPS载波相位测量中，反射信号与直接信号经叠加后进入接收机，天线的实际接收信号为：式中：上式中的为载波相应测量的多路径误差；a为微波信号反射系数，其数值在01之间，0表示信号完全被吸收不反射，1表示信号被反射不吸收。高层建筑施工GPS测量的反射系数应根据施工现场实际情况，经测试获得。可以得知，对L1载波相应测量中的多路径误差的最大值为4.8cm，对L2载波相应测量中的多路径误差的最大值为6.1cm。经理论与实践分析表明，可能会是多个反射信号同时入，此时，其多路径误差为：多路径效应对伪距测量的影响比载波相应测量的影响要严重得多，此时多路径误并对P码最大可达10m以上。2.多路径效应误差的处理方法高层建筑施工GPS测量的多路径误差取决于反射物离测站的距离和反射系数（取决于反射的材料、形状及表面粗糙程度等）及卫星信号的方向等各种性质，迄今为止，尚无法建立准确的误差改正模型，较为有效的办法：选择恰当测点，避免信号反射物；对接收机天线做适当处理，以抑制反射信号的进入11。2.1选择恰当测站点在高层建筑施工GPS测量点，处于施工作业面以外的地面上的测点，要尽量远离大面积平静的水面，将其固设在灌林丛、草地及表面较粗糙的道路、广场等地方。若测点处于施工作业面以外的楼层面时，要考虑周围建筑物的反射半部，还要对反射系较大的楼层面做一定的临时处理，如薄铺一层砂、炉渣、锯末等物质12。若测点处于施工作业楼层面上时，特别是在新浇的混凝土楼面上或在安放压型钢板后即进行施测时，要做好反射面的处理。另外，在GPS施测时，要禁止电焊作业，避免电孤对信号的影响，汽车不要停放在距测站点过近的地方，以免车身及车镜产生信号反射。2.2对接收机天线做适当处理（1）在天线中设置抑径板为了防止从地面或楼面反射的卫星信号进入天线产生多路径误差，可在接线机天线下配置抑径板（图2）。若观测时截止高度角为Z限，则；r=h/sinZ限 式中：r抑径板的半径； h抑径板的高度。在高层建筑施工GPS测量时，若某一接收天线相位中心至抑径板的高度为70mm，截止高度角为10o，即当卫星的高度角小于10o时便不观测，则抑径板的半径必须大于或等于70mm/sin10o=40mm。（2）接收机天线对于极化特性不同的反射信号应该有较强的抑制作用。由于多路径误差是时间的函数，所在静态定位中经过较长时间的观测后，多路径误差的影响可大为削弱。四、高层建筑施工GPS测量接收设备误差分析在高层建筑施工GPS测量中，除了要考虑卫生系统误差和信号传播误差外，还应考虑接收设备误差。接收设备误差主要有接收机误差、接收机位置误差，天线相位中心位置误差等1.接收机钟误差分析1.1接收机钟误差原因分析GPS接收机一般采用高精度的石英钟，其稳定度约为1011。若接收机钟与卫星钟之间和同步差为1us，则由此引起的等效距离误差约为300m。1.2减少接收机钟误差的（1）把高层建筑施工GPS测量和每个观测时刻的接收机钟差当作一个独立的未知数，在数据处理时将其与观测站的位置参数一并求解。（2）认为各观测时刻的接收机钟差间是相关的，像卫星钟那样，将接收机钟差表示为时间的多项式，并在观测量的平差计算中求解多项式的系数。该方法可以大大减少未知数的个数，但这将涉及到在构成钟差模型时，对钟差特性所作假设的正确性。（3）在定位精度要求较高时，可以采用高精度的外接频标（即标准时间），如铷原子钟，可以提高接收机时间标准的精度。还可以利用观测值求差的方法有效地消除接收机钟差的影响13。2.接收机位置误差分析接收机天线相位中心相对测站标石中心位置的误差，叫做接收机位置误差。它包括天线置平和对中误差、时取天线訉钟差等。2.1 接收机位置误差原因分析在高层建筑施工GPS测量中，由于施工操作面存在许多干扰因素，如机械作业、人员走动等，会造成天线置平和对中不准；在新搭的模板等施工平台上进行楼板定位测量时，由于施工平台本身的刚度较差，这些都会对天线置平和对中产生影响，导致接收机位置详，且该误差往往是无法准确计算的。由于施工平台本身的刚度较差、风的扰动、施测人员视觉差异等均会造成量取天线高误差。2.2 减少接收机位置误差方法（1）在施工作业面上进行GPS测量时，接收机布设位置在满足测量要求的前提下，尽量布设在受施工影响小的部位，以免造成接收机位置误差。（2）施工单位应做好施工进度安排。统筹GPS测量与高层建筑结构施工的进度。尽量保证GPS测量时，施工作业层上无其他工种作业，与测量无关的机械设备禁止在施测区域运行，与测量无关的人员禁止进入施测区域。（3）若风力在六级以下时，应有防风措施；若风力超过六级时，应暂停GPS测量作业。（4）施测人员必须仔细操作，以尽量减少接收位置误差。（5）在进行变形监测时，应采用有强制对中装置的观测墎。3.天线相位中心位置的误差在测量中，观测值都是以接收机天线的相位中心位置为准的，而天线的相位中心与其几何中心，在理论上应保持一致。可是实际上天线的相位中心随着信号输入的强度和方向不同而有所变化，即观测时相位中心的瞬时位置与理论上的相位中心将有所不同，这种差别叫天线相位中心的位置偏差。这种偏差的影响，可达数毫米至数厘米。而如何减少相位中心的偏移是天线设计中的一个重要问题。在实际工作中，如果使用同一类型的天线，在相距不远的两个或多个观测站上同步观测了同一组卫星，那么，便可以通过观测值的求差来削弱相位中心偏移的影响。不过，这时各观测站的天线应按天线附有的方位标进行定向，使之根据罗盘指向磁北极。通常定向偏差应保持在3以内。4.GPS天线相位中心的偏差GPS天线相位中心偏差可分为水平偏差和垂直偏差两部分。目前，GPSR接收机天线相位中心误差的检测方法有两种。一种是用室内微波天线测量设备测定，即通过精密可控微波信号源测量天线接收信号的强度分布来确定天线电气中心，从而测定天线相位中心偏差。此种方法测定精度较高，但设备复杂昂贵，测量费用高，且一般测绘部门无此设备。另一种方法是在野外利用接收到的GPS卫星发播的信号，通过测定两天线间的基线向量来测定天线相位中心的偏差，即基线测量相对测定法，也称为旋转天线法。此种方法是我国行业标准CH8016-95规定所采用的方法，操作简单，方便，成本低，被广泛应用。但这种方法只能有效地检测出天线相位中心偏差水平分量，对于垂直偏差分量却不能精确测定出。就一般天线而言，其相位中心在垂直方向上的偏差远大于在水平方向上的偏差。5.与信号传播有关的误差与信号传播有关的误差有电离层折射误差,对流层折射误差及多路径效应误差(1)电离层及影响所谓电离层，指地球上空距地面高度在501000km之间的大气层。电离层中的气体分子由于受到太阳等天体各种射线辐射，产生强烈的电离形成大量的自由电子和正离子。当GPS信号通过电离层时，如同其他电磁波一样，信号的路径会发生弯曲，传播速度也会发生变化。所以用信号的传播时间乘以真空中光速面得到的距离就不会等于卫星至接收机间的几何距离，这种偏差叫电离层折射误差。（2）利用电离层改正模型加以修正为了高精度卫星导航和定位，目前普遍采用双频技术，可有效地减弱电离层折射的影响，但在电子含量很大，卫星的高度角又较小时求得电离层延迟改正中的误差有可能达几里米。为了满足更高精度测量的需要，ritzk、Brunner等人提出了电离层延迟改正模型。该模型考虑了折射率n中的高阶项影响以及地磁场的影响，并且是沿着信号传播路径来进行积分。计算结果表明，无论在何种情况下改进模型的精度均优于2mm。（3）利用同步观测值求差用两台接收机在基线的两端进行同步观测并取其观测量之差，可以减少弱电离层折射的影响。这是因为当两观测站相距不太远时，由卫星至两观测站电磁波传播路程上的大气状况甚为相似，因此大气状况的系统影响便可通过同步观测量求差而减弱。这种方法对于短基线的效果尤为明显，这时经电离层折射改正后基线长度的残差一般为110-6。所以在GPS测量中，对于短距离的相对定位，使用单频接收机也可达到相当高的精度。不过，随着基线长度的增加，其精度随之明显降低。结论GPS技术作为最具发展潜力的高新技术之一，与常规测量技术手段相比具有不可比拟的优越性，研究其定位原理及应用成为当前一个热门研究课题。利用全球卫星定位系统进行高层建筑施工测量，目前在我国尚处于探索阶段，将其基本原理应用于高层建筑施工领域，对于提高建筑业的高技术含量，提高工程经济效益及工程施工质量均具有重要意义。本文针对GPS在建筑物变形监测中的应用的相关内容进行了一系列的探讨和研究，具体内容和结论如下：（1）强调建筑物变形监测的重要意义，这也是本文的研究目的所在，全面概括了 GPS技术在建筑物变形监测中的应用及其发展；（2）通过分析GPS技术在建筑物变形监测中的优越性，充分证明了GPS技术相对于传统测量方法，具有高