1、成人高等教育学生毕业论文 存档编号： 武 汉 大 学毕 业 论 文题目_ GPS 在变形监测中的应用研究_专 业：_信息工程_学 院： 遥感信息工程学院_年 级： _学习形式： 函授 _学 号： _论文作者： _论文指导教师： _指导教师职称： _完成时间： 年 月 日目 录摘 要 .I第一章 GPS 原理 .11.1 GPS 系统概述 .11.2 GPS 基本原理及定位方法 .11.3 GPS 系统的特点 .31.4 GPS 测量的误差来源以及纠正 .4第二章 GPS 变形监测的数据处理 .72.1 变形监测概述 .72.2 GPS 在变形监测中的应用 .7第三章 数据处理及精度分析 .10
2、3.1 GPS 变形监测网的设计 .103.2 TGO 软件介绍 .123.3 数据处理及精度分析 .13第四章 总 结 .18结 束 语 .19附 录 .20参考文献 .22I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。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。本文为了验证 GPS 变形监测的精度，设计了一个方案，通过与全站仪精度的比较来检验 GPS 变
3、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1第一章 GPS 原理1.1 GPS 系 统 概 述全球定位系统（Global Positioning System - GPS）是美国从本世纪 70 年代开始研制，历时 20 年，耗资 200 亿美元，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。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、
4、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。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。 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 3
5、0 度。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。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
6、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，位置，甚至三维速度和时间。1.2 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 1 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2它数据可以确定如图 1 所示的四个方程式。图 1
7、 GPS 定位的基本原理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
8、(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
9、定位，如用于车船等概略3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。1.3 GP
10、S 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。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
11、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。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。4可提供三维坐标经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。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
12、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。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。47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。1.4 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。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
13、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，
14、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
15、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5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。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
16、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
17、。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)。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：6A 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
18、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。7第二章 GPS 变形监测的数据处理2.1 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
19、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
20、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。2.2 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
21、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
