GPS定位技术在变形监测中的应用吴勇

GPS定位技术在变形监测中的应用吴勇

吴勇

安徽省煤田地质局第一勘探队安徽淮南232052

摘要：GPS定位技术为变形监测提供一种新的手段,由于GPS具有自动化程度高、速度快、同时测定点等监测优势,被广泛应用于各种精密工程,通常GPS技术应用采用定期复测与长期连续监测模式,用户设备只需要接收卫星信号,就可以获取精准的定位信息和导航数据。本文以下主要通过GPS定位技术的探讨,提出了在变形监测中的应用参考。

关键词：GPS技术；变形监测；定位系统引

引言

目前，在许多领域，如经济建设和科学技术等，GPS精密定位技术已经广泛应用。它在大地测量学及其相关学科领域，如地球动力学、海洋大地测量、地球物理探测、资源勘探、航空与卫星遥感、工程变形监测、运动目标的测速以及精密时间传递等方面的广泛应用，充分显示了卫星定位技术的高精度与高效益。随着社会和生产的飞速发展，各种大型的工程建筑物越来越多，所以其变形监测的工作也变得越来越重要。但是若用传统的测量方法不仅工作量大，而且其精度也很难达到，而GPS定位技术此时在变形监测中以其显示出传统监测技术所无法取代的重要作用.

1.GPS测量的基本原理以及测量方法

1.1GPS定位原理

严格来说就是空间后方交会。在GPS定位中，GPS卫星是高速运动的卫星，其坐标值随时间在快速变化着。本次实例分析用到是GPS的静态定位。就是通过对变形点周期性观测，得到变形点的变化情况。

1.2GPS定位技术系统组成部分

GBS全球定位技术,可以为用户提供精准的速度、时间、三维坐标等精准信息,具有实时性、全球性、连续性等监测优点,被广泛应用于各种大型工程监测。GPS定位技术主要由空间技术、控制系统、用户部分组成。GPS空间技术由多颗卫星组成,卫星均匀分布于55°的轨道,运行周期约为12恒星时,为地球表面、任一地点,提供实时和全球性导航定位;控制系统是由全球地面跟踪站组成的监控系统,提供GPS卫星播发的星历,控制卫星的轨道运行,向卫星传输信息资料以及卫星设备运转等工作;用户部分主要包括数据接收机、数据处理软件等设备,主要负责接收、转换、测量卫星传输的GPS信号,完成导航和定位。

1.3GPS定位技术在变形监测中的测量方法

①由于GPS监测对象与要求均各不相同，所以其测量方法可以归纳为三种：静态、快速静态以及动态测量。静态测量法与动态测量法均有着各自的优点与缺点，在实际测量当中应根据具体需求来选择最佳的测量方法。通常情况下，监测网、基准网边长＜10km时应选用静态测量法，设置GPS接收机≥3台，进行同步观测，测量时间控制1~2h内，每隔10s进行一次采样，其水平精度＜3mm，垂直精度小于5mm；测量监测网，应选用快速静态测量法，设置GPS接收机2台，进行同步观测，时间＞5min且＜10min，每2s进行一次采样，其水平精度＜5mm，垂直精度＜8mm；监测桥梁或进行低精度监测时，可选用动态测量法，设GPS接收机置1台，于各个监测点进行流动观测，每1S采样一次，其精度可达1~2cm。

1.4GPS定位技术在变形监测中的应用特点

GPS定位技术作为一种全新的空间定位技术,在变形监测中具有以下优势特点:测站之间无需通视,GPS技术监测只要在保证良好的信号接收基础上,即可灵活选择监测,提高监测精度;全天候检测,GPS卫星均匀分布在6个轨道环绕地球运行,用户可以随时随地展开GPS定位测量;自动化程度高,GPS接收可以自动接收数据,跟踪卫星信号,结合计算机技术可以在无人值守的情况下,实现采集、分析、处理、传输长期连续的自动化变形检测;高精度三维定位,GPS技术在变形检测中能同时精确测定大地高和平面位置,一次性获取高精度的三维坐标;抗干扰性能好、隐蔽性强,用户设备只需要单一接收GPS卫星信号即可获取定位信息和导航数据。

2.GPS定位技术在变形监测中的具体应用

采用传统方法进行变形监测时，平面位移和垂直位移是采用不同方法分别进行监测的，这样不仅监测的周期长，工作量大，而且监测的时间和点位很难保持一致，为变性分析增加了难度。采用GPS可同时精确测定监测点的三维位移信息。

2.1周期性变形监测

该监测模式的使用频率极高，对测点相对位置进行周期性测量，并对两个测量周期的位置变化情况进行计算从而达到测定变形的目的。通常情况下，采取静态相对定位的方法来取得基线向量，接着通过网平差来控制与分析观测的质量，从而得到监测点准确坐标，最终通过统计检验方法来判定这两个周期测量所得坐标差是不是变形量。

2.2连续性变形监测

该方式是通过固定预期来长期地收集数据，以形成变形数据序列。虽然该方式是重复对测点进行观测，但该方式观测到的数据具有连续、高时间分辨率的特点。其可依据变形体特点，来选用动态相对定位或静态相对定位的数据处理方式来观测变形体。

2.3动态监测

在传统的变形监测中，多数是采用激光干涉仪、加速度计来对建筑结构的振动特性进行测定。但随着建筑高度逐渐上升，其对变形监测工作也有了更大地挑战。GPS定位技术凭借其优秀的软硬件功能成为了动态变形监测的重要手段。尤其是GPS接收机具有极高的采样率，在监测大型结构的动态特性中已获得了卓越的成效，并逐渐得到普及使用。例如，于强风状态中，选用GPS技术测量加拿大Calgary塔结构动态变形、选用GPS来测量深圳地王大厦风力振动特性等。

3.GPS定位技术变形监测中误差来源及注意事项

3.1GPS定位技术变形监测中误差来源

GPS定位技术在变形检测中,受地球潮汐、轨道、钟差等多种因素的影响,在高精度监测中存在一定的误差影响,主要误差来源体现在以下几个方面:第一卫星轨道偏差,指卫星真实轨道与卫星星历真实轨道间的差异,是影响定位精度的关键因素,可采用全球GPS跟踪网获取精度为2CM的精密卫星轨道;第二卫星信号的传播误差,GPS信号受电离层折射和对流层折射影响,经过距地面高度在50-1000千米之间的大气层时,大量自由电子和正离子会造成信号路径弯曲,对流层是高度40千米下的大气底层,GPS信号受大气温度和压力的影响也会导致信号路径偏差;第三接收设备误差,卫星轨道的卫星质点坐标与测站中心不一致对定位精准度产生影响,在实际变形监测过程中,可通过观测值求差调整相位中心变化对定向的影响。

3.2GPS定位技术变形监测应用注意事项

GPS定位技术在变形监测过程中,各项精密工程对水平精度的要求非常高,由于GPS技术会受到多种客观因素的影响和条件制约,对测设产生影响。因此,为了保证GPS的三维测量,消除和减弱GPS定位技术误差,用户需要在变形测量中充分考虑地球潮汐、负荷潮及相对论效应,建立系统误差模型,对观测量进行修正,同时引入相应未知参数,求解并处理未知参数数据,并对卫星和观测站实施同步观测值求差。主要方法为以下几个方面:第一修正电离层模型调整观测时段,应用双频观测、同步观测值求差减弱电离层产生的误差影响;第二修正对流层折射模型应用同步观测量求差,在数据处理中求得对流层影响附加待估参数;第三观察站要选取合理位置,在变形监测中应用同一类型天线,通过观察观测值的求差,消除和减弱相位中心偏移的影响。

结语

GPS技术在变形监测方面的应用，具有高精度、高效率、不受环境条件影响等优点。通过GPS的数据分析，可以清楚的看到坐标的变化，对于大坝的变形有一定的预测作用。GPS接收机还有一个特点，就是可以自动观测。利用GPS技术进行定位时测站之间无需通视,不仅减轻了劳动强度,还提高了观测的精度,由于GPS自动化程度高,实际应用过程中减少了外业工作强度,尤其对于泥石流和防洪防汛等地质灾害监测,抗干扰性能好、保密性强极大的提高了监测效率。

参考文献

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