毕业设计GPS在山体变形监测中的应用

1、GPSS山体变形监测中的应用姓 名：学 号：指导教师： 教师职称： 专业：系部：201 年 月i目 录目录2第1章概述51.1测区概述51.2任务51.3主要技术指标和成果规格5第2章准备工作82.1现场探查82.2方案设计82.3造点埋石92.4仪器的选用102.5研究目的和意义10第3章数据观测113.1变形监测的特点113.2水平位移监测121. 大地测量法122. 基准线法14操作简便163.3高程位移监测16（一） 精密水准测量161. 水准基点172. 工作基点173. 监测点174. 监测仪器175. 监测方法与技术要求186. 监测点的精度要求（mm 18（二） 精密三角高程测

2、量 191.各方法及其精度19192.提高三角高程测量精度的措施：20（三）液体静力水准测量201. 基本原理202. 仪器结构213. 液面高度测定方法214. 误差分析215. 液体静力水准观测技术要求（mm 223.4静态观测及注意事项22第4章GPS系统244.1.1 GPS的系统组成244.1.2 GPS定位基本原理 254.1.3 GPS 定位的误差源 264.1.6GPS技术设计的内容294.1.7 GPS测量中常用的坐标系统 304.1.8 GPS定位方法 31第5章参考文献 33摘要变形在一定范围内被认为是允许的，但如果变形超过允许值，则可能引 发灾害。因此，科学、准确、及时

3、地分析和预报自然物及工程建筑物的变形 状况，具有十分重要的意义。本文详细探讨了变形监测网中山体检测的应用，研究了 GP浏期性重复监测网数据处理的一般模型，重点研究 GPSS线向量网中粗差处理的理论和方法。关键词：平差基准，三维无约束平差，秩亏白由网平差第1章概述1.1测区概述*水利职业技术学院*山系人造假山，主要由下房土、建筑垃圾及其他废弃物组 成，山高约20米，占地8000余肘。后经改造成为集学生实习、参观、校园景观于一体 的水利枢纽模型山。该山南临光明湖、湖水波光荡漾；北临白亩梨园，活香宜人；西临 水利、土木实训馆，仿真教学栩栩有生；该山所处环境虽然优美，但地形、地物复杂， 给测量工作带来

4、一定难度。该山自建成以来，由于遭雨水侵蚀、水库蓄水和自重等因素 影响，部分山体出现滑坡、沉降、裂缝和倾斜现象。严重影响了山体的安全，为把握* 山的变形规律，加固除险、科学决策，特此进行该项目的变形监测。1.2任务(1)本次检测目标及任务：在雨季来临之前，完成项目的三次检测任务。(2)项目任务：1.现场勘查、方案设计；2布设变形监测控制网；3造点埋石；4数 据采集、数据处理；5山体变形数据分析；6撰写报告1.3主要技术指标和成果规格平面控制测量采用E级GP漩态定位测量进行。E级GP饥位测量的精度要求见表1-1 和 1-2。项目级别卫星截止高度 角（º）同时观测有效 卫星总数有效

5、观测卫星 总数观测时段数时段长度min快速静态AAABCDE101015151515>4>4>4>4>4>4> 200>2>9A 6>4>4> 10A 6>4>2.6>1.6>1静态>7>5>2A 6>42040400540双频0>1>5 c')200双频全波表1-1 GPS网定位测量精度级别相邻点基线分量中误差相邻点间平均距离/km水平分量/mm垂直分量/mmB51050C102020D20405E20403表1-2各级GPSW量基本技术要求规定单频或双

6、频半 波米样间隔s静态303030快速静态1510 30510 30510 301515时段中任意卫 星有效观测时间 min静态>1515快速静态双频+P(Y)双频全波一一一»3»3单频或双频半*»5»5»5波注1在时段中观测时间符合表7中第七项规定的卫星，为 有效观测卫星。2计算有效观测卫星总数时，应将个时段的有效观测卫 星数扣除其间的重复卫星数。3观测时段长度，应为开始记录数据到结束纪录的时间 段。观测时段数 1.6 ,指每站观测一时段，至少60%M站再 观测一时段第2章准备工作2.1现场探查所谓变形监测，就是利用测量仪器与专用仪器和

7、方法对变形体的变形现象进行监视 观测的工作。其任务是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。根据变形体的范围，可将变形监测对象划分为3类：全球性变形研究、区域性变化研究和工程和局部性变形研究2) GP折变形监测中的应用GPS作为一种全新的现代空间定位技术，以其高精度、高效率、高度自动化、全天候作业、操 作简单方便等诸多优点在各领域发挥了重要作用，例如，在航空中，GPSK术用于获取信息采样点的位置坐标、飞行时准确的导航定位等；在气象学研究中，利用地面GPSK探测大气，进行天气预报。与常规测量方法相比，GPSK术不仅可以满足变形监测工作的精度要求，而且有助于监

8、测工作的自动化与实时化我们首先要做的工作是了解测区的自然地理情况。 我和我们班的十来个同学一块来 到*山进行实地勘察。我们要了解的是*山上的建筑物的情况，了解他们的位置，和 相应控制点的位置，确定布网方案。2.2方案设计平面控制测量采用E级GPS&态定位测量进行。用*山脚下的校园控制点为参考依据作为控制点。在*山上选择重要的特征点作为变形观测点，比如重力坝的坝轴线上选择两个变形监测点，土石坝的坝轴线上选择两个变形监测点，交通桥上选择两个变形监测点，在和*山下的校园控制点进行联测，组成边点混连式的同步变形监测网如图2-1国| 牌啰噌)0.1 日平星如 乍k* E4(fik iJlijj

9、|iy)Bnsj：! 4Hh j：律S3、 Hi* 冢酚言敏艮整璧申其中点 H041/H019/H048为校园控制点。Hoo1/H002为交通桥的变形监测点，H003/H004为土石坝变形监测点，H005/H006为堆石面板土石坝.H007/H008为重力坝坝 轴线变形监测点。2.3造点埋石在确定了 *山变形监测的控制点及其变形监测点之后就是造点埋石。我和我们同学一块去五金店买了钢钉。然后带着这些钢钉和锤子一块到山上去做变形监测点。第一 次由丁买的钉子质量不是很好。在往山上定的时候总是定不进去，然后我们放弃了，说 是用水笔在地上画，但一见不一致说是在地上画的容易被风化，不容易保存，然后我们 就

10、乂去了五金店， 买了更好的钉子去做变形监测点，就这样在两天的努力之下变形监测点弄好了。GPSfe志的埋设：GPS点一般应埋设在具有中心标志的标石，以精确标志点位置，点的标石和标志必须稳定坚固以利于长久的保存和使用，每个点位的标石埋设完成后, 应填写点之记记录表并提交以下资料：1点之记。2gps网图2.4仪器的选用当上面的准备工作做好了之后，就开始考虑变形监测的仪器设备了，我们的实习老 帅叫我们去实验室借华测 GPS 4台，用来进行*山变形监测静态观测。2.5研究目的和意义研究目的和意义 我国20世纪70年代河南板桥、石漫滩两座水库溃坝，给社会和 人民带来极大灾难；20世纪90年代宵海沟后水库溃

11、坝，再次造成巨大损失。这 3座水 库溃坝事件，留下了让人们永远难忘的深刻教训。多年来，我国大、中型水电站大坝虽 未发生溃坝失事，但重大工程事故却多次出现，个别装机容量较小的大坝，也曾溃决失 事。现将1961至1998年之间，水电站大坝发生的21起事故。前事不忘，后事之帅， 认真分析这些事故的原因，从中吸取深刻教训，无疑是非常必要的。大多数事故与设计 阶段的失误、施工过程遗留下的隐患、运行管理中的差错等因素有关。应强化设计、施工、运行全过程的风险意识和安全管理。对运行中的大坝要坚持实施定期检查，及时 维修加固和改造，认真进行安全注册，严密制定汛期和低水位时的防范措施，加大科研 力度和开展险情预计

12、，以防止重大事故的突然发生。GPSK术在变形监测方面主要应用于以下领域:首先，利用GP眼术解决了常规观测中需要多种观测的问题，观测结果能充 分反映滑坡的全方位活动性，是监测滑坡变形、掌握滑坡发育规律的切实可行的技术；其 次，该技术可对大型建筑物位移实时监测，具有受外界影响小、自动化程度高、速度快、精度较高等优点，可以全天候测量被测物体各测点的三维位移变化情况 ，找出被测物体 三维位移的特性规律，为大型建筑物的安全营运、维修养护提供重要的参数和指导 ；第 三，GPS精密定位技术不仅可以满足水库大坝外观变形监测工作的精度要求 ，而且有助于 实现监测工作的自动化。另外，GP S技术还应用于地面、海上

13、勘探平台及高层建筑物等的沉陷观测中。并实现在这些领域的中的实时监测，及时预报。第3章数据观测3.1变形监测的特点全球导航卫星系统(global navigation satellite system ,GNSS )是一种空间无 线电定位系统，包括一个或多个卫星星座，为支持预定的活动视需要而加以扩大，可为 地球表面、近地表和地球外空任意地点用户提供 24h三维位置、速率和时间信息。卫星 导航系统有两个核心组成部分：全球定位系统( GPS由美国运行掌管)和全球轨道导 航卫星系统也即轨道导航系统(GLONASSI俄罗斯联邦运行掌管)。全球卫星定位系统 GPS (global positioning

14、system )是由美国继阿波罗登 月计划和航天飞机之后的第三大空间工程。 从GPS勺提出到1993年建成，经历了 20年, 实践证明，GPS对人类活动影响极大，应用价值极高，所以得到美国政府的军队的高度 重视，不惜投资300亿美元来建设这一工程。它从根本上解决了人类在地球上的导航的 定位问题，可以满足各种不同用户的需要。由于GPSM有实时提供三维坐标的能力，因此在民用、商业、科学研究上也得到了 广泛应用。它不仅具有全球性、全天候、连续的精密三维导航与定位能力，而且具有良 好的抗十扰性和保密性。从静态定位到快速定位、动态定位，GPStfc术已广泛应用于测绘工作中。对于我们所熟知GPS可以说它是

15、测量史上的一次变革，它为我们提供了全天候、 高精度、高效率的测量方法。变形监测与常规的测量工作相比较，它们既有相同点，乂有各自不同的特点和要求。 具体来说，变形监测具有：周期性重复观测：变形观测的主要任务是周期性地对观测点进行重复观测，以求得 其在观测周期内的变化量。为了最大限度地测量出建筑物的变形特征数据，减小测量仪 器、外界条件等引起的系统性误差影响，每次观测时，测量的人员、仪器、作业条件等 都应相对固定。精度要求高：在通常情况下，为了准确地了解变形体的变形特征和变形过程，需要 精确地测量变形体特征点的空间位置，因此，变形监测的精度要求一般比常规工程测量 的精度要求高。例如，在大坝变形监测

16、中，坝体的水平位移监测精度一般要求达到土 lmm 的精度，对于坝基等特殊部位的监测精度甚至更高。因此，高精度的测量要求对测量的 仪器和作业方法提出了更高的要求。多种观测技术的综合应用：随着科学技术的发展和进步，变形监测技术也在不断丰 富和提高。相对而言，变形监测的技术和方法较常规大地测量的技术方法更为丰富。监测网着重丁研究点位的变化：变形监测工作主要关心的是测点的点位变化情况, 而对测点的绝对位置并不过分关注，因此，在变形监测中，常采用独立的坐标系统。虽 然坐标系统可以根据工程需要灵活建立，但坐标系统一经建立一般不允许更改，否则, 监测资料的正确性和完整性就得不到保证。3.2水平位移监测1.大

17、地测量法大地测量方法是水平位移监测的传统方法，主要包括：交会法、三角网测量法、精 密导线测量法等。大地测量法的基本原理是利用三角测量、交会等方法多次测量变形监 测点的平面坐标，再将坐标与起始值相比较，从而得到水平位移量。该方法通常需人工 观测，劳动强度高，速度慢；特别是交会法受图形强度、观测条件等影响明显，精度较 低。(1) 交会法主要包括测角交会、测边交会和后方交会三种方法。它是利用2个或3个已知坐标的工作基点，测定位移标点的坐标变化，从而确定其变形情况的一种测量方法。在进行交会法观测时，首先应设置工作基点。工作基点应尽量选在地质条件良好的 基岩上，并尽可能离开承压区，且不受人为的碰撞或震动

18、。工作基点应定期与基准点联 测，校核其是否发生变动。工作基点上应设强制对中装置，以减小仪器对中误差的影响。 工作基点到位移监测点的边长不能相差太大，应大致相等，且与监测点大致同高，以免 视线倾角过大，影响测量的精度。为减小大气折光的影响，交会边的视线应离地面或障 碍物在1.2m以上，并应尽量避免视线贴近水面。在利用边长交会法时，还应避免周围 强磁场的干扰影响。该方法具有观测方便、测量费用低、不需要特殊仪器等优点，特别适用丁人难以到 达的变形体的监测工作，如：滑坡体、悬崖、坝坡、塔顶、烟囱等。该方法的主要缺点 是测量的精度和可靠性较低，高精度的变形监测一般不采用此方法。1) 前方交会法在变形点上

19、不便丁架设仪器时，多采用前方交会法, 如右图所示，A,B点为平面基准点，P点位变形点，由丁点_cot /? + JV春 cot" + (】、一Ya )Lp A,B的左边为已知，在观测了水平角a , 6后，即可求算P点的坐标。对丁不同的周期, 点P纵横坐标变化量就是点P的水平位移。点坐标可按下式计算：cot ct + cot Bcot cr + cot p_ rcot + T5 <cotcr + (A -A) 1 p点P位中误差的估算公式为:* D I；m = ± / vsnr a + sur /3 p snr /式中m 6为测角中误差，p ' ' =2

20、06265 , D为A、B间距离。对该式的进一步分析表明： 当丫 =90 时，点位中误差不随 a邛的变化而变化；当 丫 > 90°时，对称交会时的点位中误差最小，精度最高；当 丫 V 90°时，对称交会时点位中误差最大，对精度不利。2）测边交会法如右图所示，仪器架设在 A,B点上，通过测定位丁变形区影响范围之外两个固 定已知目标，即测站P到两个已知点A,B之间的火角和距离值a, b,即可计算测站坐标, 进而推出个监测点的坐标。A,B之间的距离和方位角可由坐标反算算出，其计算公式如 下：sin；m2m23）后方交会法如果变形点上可以假设仪器，且与 3 个平面基准点通视，

21、可采用后方交会法。如右 图所示，A,B,C为基准点，P为变形监测点， 当观测水平角a, 6后，计算点P的坐标：Xp = XbXbp-yp = Yb k *-后方交会法S2msi、2"=.,()/ sin() b1尝2（2）精密导线测量法：在混凝土拱坝廊道内布置折线形导线，以导线端点的倒垂线作基准，用以测量坝内 导线点的水平位移只适用丁大型混凝土厚拱坝或曲线形重力坝。如重力拱坝、曲线型桥梁以及一些高层建筑物的位移观测就不如导线测量法、前方 交会法以及地面摄影（见第十四章）等方法有利；这些方法可以同时测定建筑物上某观 测点在两个方向的位移（即在水平面内的位移）。与一般测量工作相比，由丁变

22、形观测是通过重复观测，由不同周期观测成果的比较 中确定观测点的位移；因此这种导线在布设、观测以及计算诸方面都具有其自身的特点， 网中各点观测方向较少，除节点外只有两个方向，因而受通视要求的限制较小，易丁选 点和降低觇标的高度，甚至不需要造标；图形灵活，选点的时候可根据具体情况随时变 化，网中边长可以直接测定，因此边长精度较均匀。但导线网中的多余观测数较少，有 时不易直接发现观测值中的粗差，因此可靠性不高。2.基准线法基准线法是变形监测的常用方法，该方法特别适用丁直线型建筑物的水平位移监测 （如直线形大坝等），其类型主要包括：视准线法、引张线法、激光准直法和垂线法等。（1）视准线法：原理：如图所

23、示：HelirrdrA123图为视准线法点A、B是视准线的两个基准点（端点）， di、d2、d3为水平位移监测点。观测时将经纬仪置于A点，将仪器照准 B点，将水平制动装置制动。竖直方向转动经纬仪望远镜，分别转至di、d2、d3三个点附近，用小钢尺等工具分别量取水平位移监测点di、d2、d3至A B这条视准线的距离。根据前后两次量取的距离，得出这段时间内水平位移量。(2)引张线法：利用张紧在两工作基点之间的不锈钢丝作为基准线，测量沿线测点和钢丝之间的相对位移，以确定该点的水平位移。设引张线第i个监测点的首次的读数为L0,本次观测的读数为L,若不考虑端点的位移，则观测点的位移值为：i =Lto引张

24、线测量系统的误差主要包括观测误差和外界条件的影响两个方面。观测误差与 所用的观测仪器、作业方法、观测人员的熟练程度等因素有关。除测点观测误差外，还取决丁它的复位误差。在引张线观测时，由丁风的作用，可能会使测线产生明显的偏离， 从而产生明显的观测误差。因此，在观测时，应关闭廊道及通风口门，观测点保护箱应 盖严。适用丁大型直线形混凝土的廊道内测点的水平位移观测。主要用丁测定混凝土建筑物垂直丁轴线方向的(顺水流方向)水平位移。(3) 激光准直法：利用激光束代替视线进行照准的准直方法，使用的仪器有激光准直仪，波带板激光 准直系统和真空管道激光准直系统等。适用丁大型直线形混凝土坝观测。对丁布设在直线型的

25、土石坝或混凝土坝顶上观测点的水平位移，主要是采用视准线法和激光准直方法观测。因为它们速度快，精度较高，计算工作也较简单。当采用这一 方法时，主要的是要求它们的端点稳定，所以必须要作适当的布置，采用适当的方法来 检核这一要求是否满足。采用波带板激光准直法观测水平位移，是将激光器和接收靶分别安置在两端固定工 作基点上，波带板安置在位移标点上，并要求点光源、波带板中心和接收靶中心三点基 本上同在一高度上，这在埋设工作基点和位移标点时应考虑满足此条件。当激光器发出的激光束照准波带板后，在接收靶上形成一个亮点或“ + ”字亮线，按照三点准直法，在接收靶上测定亮点或十字亮线的中心位置，即可决定位移标 点的

26、位置，从而求出其偏离值。(4) 垂线法:以坝体或坝基的铅垂线作为基准线，采用坐标仪测定沿线点位和铅垂线之间的相对 水平位移。这种方法适用于各种形式的混凝土坝。垂线由不锈钢丝制成，钢丝下部吊重锤，悬挂点在上部的称为正垂线；锚固点在基岩深处，依靠顶部浮筒的浮力将钢丝张紧的称为 倒垂线。前者可测相对于悬挂点的相对水平位移，后者可测相对于锚固点的绝对水平位 移。3. 专用测量法即采用专门的仪器和方法测量两点之间的水平位移，如多点位移计、光钎等。4. GP S测量法利用GPS自动化、全天候观测的特点，在工程的外部布设监测点，可实现高精度、 全自动的水平位移监测，该技术已经在我国的部分水利工程中得到应用。

27、GPS进行变形监测有以下特点：测站问无需通视、可同时提供测点三维位移信息可以全天候监测操作简便3.3高程位移监测沉降变形监测是采用重复精密水准测量的方法进行的，为此应建立高度的水准测量控制网。其具体办法是：在建筑物的外围布设成一条闭合水准环形路线，再由水准环中 的固定基准点测定各监测点的高程，这样每隔一定的周期进行一次精密水准测量，将测 量的外业成果用严密平差方法，求出各水准点和沉降监测点的高程的最或然值。 其包括: 精密水准测量、三角高程测量、液体静力水准测量。（一）精密水准测量精密水准测量精度高，方法简便，是垂直位移监测最常用的方法。垂直位移监测的测量点分为水准基点、工作基点和监测点三种。

28、地面岩石标点，形或在变也可普通井式1.水准基点水准基点是垂直位移监测的基准 般34个点构成一组，形成近似正三角 正方形，为保证其坚固与稳定，应选埋 形区以外的岩石上或深埋丁原状土上， 以选埋在稳固的建构筑物上。其包括： 混凝土标、地面岩石标、浅埋钢管标、 混凝土标、深埋钢管标、深埋双金届标2.工作基点工作基点是用丁直接测定监测点的起点或终点。工作基点应布置在变形区附近相对稳定的地方，其高程尽可能接近监测点的高程。工作基点一般采用地表岩石标，当建筑物附近的覆盖层较深时，可采用浅埋标志,区附近，应经常与水准基点进行联测，通过联测结果在被当新建建筑物附近有基础稳定的建筑物时，也可设置在该建筑物上。因

29、工作基点位丁测判断其稳定状况，保证监测成果的正确可靠。监测点是垂直位移监测点的简称，布设3.监测点监测建（构）筑物上。布设时，要使其位丁建（构）筑物的特征点 充分反映建（构）筑物的沉降变形情况，点位应 开障碍物，便丁观测和长期保护，标志应稳固， 响建构筑物的美观和使用，还要考虑建筑物基础地质、建筑结构、应力分布等，对重要 和薄弱部位应该适当增加监测点的数目。4.监测仪器不同类型的建筑物，其垂直位移监测的精度要求不尽相同。同一种建筑物在不 同的施工阶段，如公路基础和路面施工阶段，其垂直位移监测的精度要求也不相同；针 对具体的监测工程，应当使用满足精度要求的水准仪，采用正确的测量方法；对特级、 一

30、级垂直位移监测，应使用 DSZ0戚DS0狒水准仪配和因瓦合金标尺；对二级垂直位移监测，应使用DS1或DS0狒水准仪和因瓦合金标尺；对三级垂直位移监测，应使用DS3水准仪和区格式木质标尺或 DS1型水准仪和因瓦合金标尺。仪器的检验： 论使用何种仪器，开 工作前，应该按照测 规范要求对仪器进行 验；水准仪的i角误 是最重要的检验项精密水准测量前，还应按规范要求对水准标尺进行检验，其中标尺的每米真长偏差 是最重要的检验项目，一般送专门的检定部门进行检验。5.监测方法与技术要求采用精密水准测量方法进行垂直位移监测时， 从工作基点开始经过若干监测点, 形成一个或多个闭合或附合路线，其中以闭合路线为佳，特

31、别困难的监测点可以采用支 水准路线往返测量。规定，测量中应遵照执行。严格控制前后视距差和前后视距累积差，也可有效地减弱磁 场和大气垂直折光的影响。水准测量规范对观测程序有明确的要求，往测时，奇数站的 观测顺序为 “后前前后”；偶数站的观测顺序为“前后后前”。返测时，奇、偶数站的观测顺序与往测偶、奇数站相同。标尺的每米真长偏差应在测前进行检验，当超过一定 误差时应进行相应改正。6.监测点的精度要求（mm等级往返较差、附合 或环线闭合差高程中 误差相邻点高差中 误差特级0. 15 Vn0,30. 2 Jn一级0.3Jn0.50, 5 Vn二级0. 6 J nL00. 8 Jn三级L 4 J a2.

32、02. 0 Vn注：n为测段的测站数（二）精密三角高程测量精密水准测量因受观测环境影响小，观测精度高，仍然是沉降监测的主要方法；如 果水准路线线况差，水准测量实施将很困难。高精度全站仪的发展，使得电磁波测距三角高程测量在工程测量中的应用更加广 泛；电磁波测距三角高程测量代替水准测量进行沉降监测，将极大地降低劳动强度，提 高工作效率。1. 各方法及其精度 1）单向观测及其精度1 - K 2h = D tan ： D I - v (u1 - um) D2R2)m2 = tan 2 ：mDD2 sec4中间法及其精度m2*D4项F京忒D2K2 - T Ki TV2 - vQ2Rh = ( D2 ta

33、n 工2 - D1 tan 一%)b = D)(tan ： 2tan ： 1) Kv2R4嘉mK2m23)对向观测及其精度1,、h = ' D (tan :12 - tan ： 21)K 21 ,、D2 Ri - i2)4R1 ,、-(vV2)2 m2 = (tan ： 2 一 tan ： 1)2 mloD/(sec 4 ： 2 sec4 ： 12242 m：222mm)22、22 D24吧=1 tan ：mD sec :2. 提高三角高程测量精度的措施：1）缩短视线。当视线长1000米时，折光角通常只是2或3。在这样的距离上进行 对向三角高程测量，其精度同普通水准测量相当；2）对向观

34、测垂直角；3）选择有利的观测时间。一般情况下，中午前后观测垂直角最有利；4）提高视线高度。（三）液体静力水准测量液体静力水准测量也称为连通管测量，是利用相互连通的且静力平衡时的液面进行 高程传递的测量方法。1.基本原理连通器内洒体的平衡液体楠力水准珈量原理 h = a - b在两个完全相同的连通容器中充满液体，当液体完全静止后，两个连通管容器内的 液面位丁同一大地水准面上。P01*gh1 = P02gh?由丁制造的容器不完全一致，探测液面高度的零点位置（起始读数位置）不可能完 全相同，为求出两容器的零位差，可将两容器互换位置，求得A、B两点的新的高差h为：h = H 一 H2 = a2 一 a

35、） ib2 一 b11h =-场 一 bi 一 b2 - bi 1-1C = a2 一 a1 = l.b2 一 b1 l b2 - b1 I2. 仪器结构液体静力水准仪种类较多，但总体上由三部分组成，即液体容器及其外壳、液面高 度量测设备和沟通容器的连通管。根据不同的仪器及其结构，液面高度测定方法有目视法、接触法、传感器测量法和 光电机械法等，前两种方法精度较低，后两种方法精度较高且利丁自动化测量。3. 液面高度测定方法1）目视接触法也可利用转动的测微圆环带动水中的触针上下运动，根据光学折射原理，在观 测窗口可以观测到触针尖端的实像和虚像，当两像尖端接触时，在测微圆环上可读出触 针接触水面时的

36、高度。2）电子传感器法通过电子（电感式、光电式或电容式）传感器不仅可以提高静力水准的读数精 度，而且可实现测量的自动化。4. 误差分析1）连通管中液体不能残存气泡，否则测量结果将有粗差2）如几何水准测量一样，液体静力水准仪也存在零点差，交换两台液体静力水准仪的 位置可以消除其影响3）温度差影响4）气压差影响5）液面到标志高度量测误差6）液体蒸发影响7）液体弄脏影响8）仪器搁置误差9）仪器倾斜误差影响10）仪器结构变化影响等5.液体静力水准观测技术要求（mm等级仪器类型读数方式一次观测高差较差环线或附合 路线闭合差特级封闭式接触式±0. 1±0. 1 Vn一级封闭式、敞口式接

37、触式±0. 3±0. 3 J n二级敞口式目视式±1.0± L 0 J a三级敞口式目视式土 3. 0± 3. 0 J n注：n为测段的测站数3.4静态观测及注意事项GPS态观测，我们一共有四台仪器，平均两人一台，开始观测，我们做了调度手 薄，在同一时间开机、关机听从队长的安排调度，我们的观测时间是一个小时。点位应设在便丁安装接收设备，视野开阔的较高点上。点位目标要显著，视线周围15度以上不应有障碍物的遮挡，以减少信号被遮挡或者障碍物吸收地位应远离大功率的无线电发射装置，其距离不应小于200米，以避免电磁场对GPS 信号的十扰点位附近不应有大面

38、积水或者强烈十扰卫星信号接收的物体，已减弱多路径效应的影响点位应选在交通方便，有利于其他观测手段扩展和联测的地方地面基础要稳定，易于点的保存接收机开始记录数据后，应注意检查有关卫星数量、卫星信号、相位测量残差、实 时定位结果及变化、存储介质记录等情况。一个时段观测过程中，不允许进行以下操作：关闭重新启动，进行自测试，改变卫 星高度角，改变天线位置，改变数据采样间隔，按动关闭文件和删除文件等功能键。每一观测时间段，气象元素一般应在始、终、末各观测一次，当时段较长时可以适 当增加观测次数。在观测过程中要特别注意供电情况， 除了在初测前认真检查电池容量是否完全充满 电量外，作业中观测人员不要远离接收

39、机，听到仪器的低电压报警要及时处理，否则可 能造成仪器内部数据的破坏或者丢失。对观测时段较长的观测工作，建议尽量采用太阳能电池板或者汽车点评进行充电。仪器高一定要按规定始末各量一次，并及时输入仪器及挤入手薄之中。接收机在观测过程中不要靠近接收机使用对讲机，雷雨季节假设天线要防止雷击，雷雨 过境时要关闭GPSft收机，并且卸下天线。观测站的全部预定作业项目，经检查均已按规定完成，且记录与资料完整无误后方可迁站第4章 GPS系统4.1 GPS的简介4.1.1 GPS的系统组成GP瀛统是由24颗高度为两万公里的卫星组成，它们以6个不同的运动轨迹运行。可 提供全球范围从地面到9000里高空之间任一载体

40、的高精度的三维位置、三维速度和精度的时间信息。安装在车辆上的车载单元只能收到来自三颗卫星的定位信号，就可定出 该辆车的经、纬度位置和时间信息。GPS勺控制部分由分布在全球的由若十个跟踪站所组成的监控系统所构成，根据其作用的不同，这些跟踪站乂被分为主控站、监控站和注 入站。主控站有一个，位于美国克罗拉多(Colorado )的法尔孔(Falcon)空军基地，它 的作用是根据各监控站对GPS勺观测数据，计算出卫星的星历和卫星钟的改正参数等， 并将这些数据通过注入站注入到卫星中去；同时，它还对卫星进行控制，向卫星发布指 令，当工作卫星出现故障时，调度备用卫星，替代失效的工作卫星工作；另外，主控站 也

41、具有监控站的功能。监控站与注入站：监控站有五个，除了主控站外，其它四个分别位于夏威夷(Hawaii)、阿松森群岛(Ascencion )、迭哥伽西业(Diego Garcia )、卡瓦加兰 (Kwajalein ),监控站的作用是接收卫星信号，监测卫星的工作状态；注入站有三个， 它们分别位于阿松森群岛(Ascencion )、迭哥伽西业(Diego Garcia )、卡瓦加兰 (Kwajalein ),注入站的作用是将主控站计算出的卫星星历和卫星钟的改正数等注入 24到卫星中去用户部分：GPS勺用户部分由GPS收机、数据处理软件及相应的用户设备如计算 机气象仪器等所组成。它的作用是接收 GPS

42、1星所发出的信号，利用这些信号进行导航 定位等工作。 以上这三个部分共同组成了一个完整的 GPS统。4.1.2 GPS定位基本原理测量学中的交会法测量里有一种测距交会确定点位的方法。与其相似，GPS的定位原理就是利用空间分布的卫星以及卫星与地面点的距离交会得出地面点位置。简言之,GPSt位原理是一种空间的距离交会原理设想在地面待定位置上安置GP皈收机，同一时刻接收4颗以上GPSS星发射的信号。通过一定的方法测定这4颗以上卫星在此瞬间的位置以及它们分别至该接收机的距离，据此利用距离交会法解算出测站p的位置及接收机钟差a t。GPS接收机Y图2.1 GPS定位原理如图2,设时刻ti在测站点P用GP

43、皴收机同时测得P点至四颗GP甲星S、S、S3、S 的距离P、P2、P3、P4,通过GP政文解译出四颗GPSS星的三维坐标(Xj,Yj,Zj )j =1,2,3,4,用距离交会的方法求解P点的三维坐标(X,Y,Z )的观测方程为:式中的c为光速，a t为接收机钟差。25 P12 = （X X 1 E +（Y<P 顶=（X一X2）2+（YP； =（X-X3）2+（Y。"X-X42Y 一 Y1）2+（Z z1：2 + c&t 一 Y 2 ）2 + J 一 z 2 ）2 + c 51 一Y3" +（Z z3）2 + c& t Y4十（Z Z4）2+c&

44、t由此可见,GP饥位中,要解决的问题就是两个：是观测瞬间GPsrn星的位置。上一章中，我们知道 GPsrn星发射的导航电文中含 有GPsrn星星历，可以实时的确定卫星的位置信息。是观测瞬间测站点至GPSffi星之间的距离。站星之间的距离是通过测定GPS卫星 信号在卫星和测站点之间的传播时间来确定的。本意在讲述定位原理的同时，将解决距 离测定的问题。4.1.3 GPS定位的误差源我们在利用GPffi行定位时，会受到各种各样因素的影响。影响 GPJSe位精度的因素 可分为以下四大类：与GP甲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其它因素SA (Selective availabilit

45、y)美国政府从其国家利益出发，通过降低广播星历精度技术、在GPSS准信号中加入高频抖动(技术)等方法，人为降低普通用户利用 GPiffi行导航定位时的精度。(C/A码定位精度从20n#100n)(1) 卫星星历误差在进行GP症位时，计算在某时刻GP甲星位置所需的卫星轨道参数是通过各种类型 的星历7提供的，但不论采用哪种类型的星历，所计算出的卫星位置都会与其真实位 置有所差异，这就是所谓的星历误差。(2) 卫星钟差卫星钟差是GP甲星上所安装的原子钟的钟面时与GP际准时间之间的误差。卫星信号发射天线相位中心偏差卫星信号发射天线相位中心偏差是GP甲星上信号发射天线的标称相位中心与其真 实相位中心之间

46、的差异。(3) 电离层延迟由于地球周围的电离层对电磁波的折射效应，使得 GPSF号的传播速度发生变化, 这种变化称为电离层延迟。电磁波所受电离层折射的影响与电磁波的频率以及电磁波传 播途径上电子总含量有关。(4) 对流层延迟由于地球周围的对流层对电磁波的折射效应，使得 GPS&号的传播速度发生变化, 这种变化称为对流层延迟。电磁波所受对流层折射的影响与电磁波传播途径上的温度、 湿度和气压有关。(5) 多路径效应由于接收机周围环境的影响，使得接收机所接收到的卫星信号中还包含有各种反射 和折射信号的影响，这就是所谓的多路径效应。(6) 接收机钟差接收机钟差是GPS收机所使用的钟的钟面时与G

47、P际准时之间的差异。(7) 接收机天线相位中心偏差接收机天线相位中心偏差是GPS收机天线的标称相位中心与其真实的相位中心之 间的差异。(8) 接收机软件和硬件造成的误差在进行GPSL位时，定位结果还会受到诸如处理与控制软件和硬件等的影响。(9) GP窿制部分人为或计算机造成的影响由于GP®制部分的问题或用户在进行数据处理时引入的误差等。(10) 数据处理软件的影响数据处理软件的算法不完善对定位结果的影响。4.1.4 GPS的主要特点定位精度高。单击定位精度优于10m采用差分定位，精度可达厘米级和毫米级'功能多，应用广。GPSC统的特点：高精度、全天候、高效率、多功能、操作简

48、便、应用广泛等。定位精度高。应用实践已经证明，GPS目对定位精度在50KW内可达10-6,100-500K则达10-7, 1000KM达10-9。在300-1500" 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-5000fe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观测时间短。随着GP凛统的不断完善，软件的不断更新，目前，20KMW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 15K佩内时，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。4.1.5 GPS的作业过

49、程4.1.5.1在正常点位，天线应架设在三角架上，并安装在标志中心的上方直接对中， 天线基座上的圆水准气泡必须整平；4.1.5.2在特殊点位，当天线需要安置在三角点觇标的观测台或回光台上时，应先 将觇标顶部拆除，以防止对 GPS言号的遮挡。这时可将标志中心反投影到观测台或回光 台上，作为安置天线的依据。如果觇标顶部无法拆除，接受天线若安置在标架内观测， 就会造成卫星信号中断，影响 GPSW量精度。在这种情况下，可进行偏心观测。偏心点 应选在离三角点100m以内的地方，归心元素应以解析法精密测定；4.1.5.3天线的定向标志线应指向正北，并顾及当地地磁偏角的影响，以减弱相位 中心偏差的影响。天线

50、定向误差依定向精度不同而异，一般不应超过土3o5o；4.1.5.4刮风天气安置天线时，应将天线进行三方向固定，以防倒地碰坏。雷雨天 气安置天线时，应注意将其底盘接地，以防雷击天线；4.1.5.5架设天线不宜过低，一般应距地面1m以上，天线架设好后，在圆盘天线问 隔120o的三个方向分别量取天线高，三次测量结果只差不应超过 3mm取其三次结果的 平均值记入测量手簿中,天线高记录取值 0.001m；4.1.5.6测量气象参数：在高精度 GPSM量中，要求测定气象元素，每时段气象观 测应不小于3次（时段开始、中间、结束）。气压读至0.1mbar，气温读至0.1 oC,对一 股城市及工程测量只记录天气

51、状况；4.1.5.7复查点名并记入测量手簿中，将天线电缆与仪器进行连接，经检查无误后， 方能通电启动仪器。4.1.6GPS技术设计的内容4.1.6.1项目来源介绍项目的来源、性质；4.1.6.2测区概况介绍测区的地理位置、气候、人文、经济发展状况、交通条件、通讯条件等；4.1.6.3工程概况介绍工程的目的、作用、要求、GP割等级（精度）、完成时间等；4.1.6.4技术依据介绍作业所依据的测量规范、工程规范、行业标准等；4.1.6.5施测方案介绍测量所采用的仪器、采取的布网方法等；4.1.6.6作业要求介绍外业观测时的具体操作规程、技术要求等，包括仪器参数的设置（如采样率、 截止高度角等）、对中

52、精度、整平精度、天线高的量测方法及精度要求等。4.1.6.7观测质量控制介绍外业观测的质量要求，包括质量控制方法及各项限差要求等；4.1.6.8数据处理方案详细的数据处理方案，包括基线解算和网平差处理所采用的软件和处理方法等内容；4.1.6.9GPS基线向量网的等级根据我国1992年所颁布的全球定位系统测量规范，GP塞线向量网被分成了 A、8C 口 EE个级别。表2.1 GPS基线向量网测量分类固正误差（mm）比例误差（ppm）相邻点距离（km）A< 5< 0.11002000B< 8< 115 250C< 10< 5540D< 10< 1021

53、5E< 10< 201104.1.7 GPS测量中常用的坐标系统4.1.7.1WGS-84WGS-84标系是目前GP新采用的坐标系统，GPSf发布的星历参数就是基于此坐标 系统的。WGS-8花标系统的全称是 World Geodical System-84（世界大地坐标系-84）,它是一个地心地固坐标系统。WGS-84标系统由美国国防部制图局建立，于1987年取代了当时GPSf采用的坐标 系统一WGS-7筮标系统而成为GPS勺所使用的坐标系统。WGS-84标系的坐标原点位于地球的质心，Z轴指向BIH1984.0定义的协议地球极方 向，X轴指向BIH1984.0的启始子午面和赤道的交

54、点， 洛由与X轴和Z轴构1954年北京 坐标系。1954年北京坐标系是我国目前广泛采用的大地测量坐标系。该坐标系源自于原苏联采用过的1942年普尔科夫坐标系。建国前，我国没有统一的大地坐标系统，建国初期，在苏联专家的建议下，我国根 据当时的具体情况，建立起了全国统一的1954年北京坐标系。该坐标系采用的参考椭球 是克拉索夫斯基椭球，该椭球并未依据当时我国的天文观测资料进行重新定位，而是由 前苏联西伯利业地区的一等锁，经我国的东北地区传算过来的，该坐标系的高程异常是 以前苏联1955年大地水准面重新平差的结果为起算值，按我国天文水准路线推算出来 的，而高程乂是以1956年宵岛验潮站的黄海平均海水

55、面为基准。由于当时条件的限制，1954年北京坐标系存在着很多缺点，主要表现在以下几个方 面：克拉索夫斯基椭球参数同现代精确的椭球参数的差异较大，并且不包含表示地球物理特性的参数，因而给理论和实际工作带来了许多不便；椭球定向不十分明确，椭球的短半轴既不指向国际通用的CIO极，也不指向目前我国使用的JYDK。参考椭球面与我国大地水准面呈西高东低的系统性倾斜，东部高程 异常达6馀米，最大达67米；该坐标系统的大地点坐标是经过局部分区平差得到的，因此，全国的天文大地控 制点实际上不能形成一个整体，区与区之间有较大的隙距，如在有的接合部中，同一点 在不同区的坐标值相差1-2米，不同分区的尺度差异也很大，而且坐标传递是从东北到西北和西南，后一区是以前一区的最弱部作为坐标起算点，因而一等锁具有明显的坐标 积累误差；1980西安大