1、变形监测中的 GPS 定位技术应用研究摘要：当前的变形监测中，因工程项目种类、项目规模和观测方法不同，监测目的和条件的多样性，以及其精度要求不断提高，使得在变形监测中的 GPS 定位技术的应用要求也相应有所改变。本文笔者就变形监测中 GPS 定位技术的特点进行研究和分析，结合相关工程的实例，提出一些自己的看法。 关键词：变形监测；测量；GPS 定位技术；应用 中图分类号：TB22 文献标识码：A 文章编号： 一、变形监测的技术特性 （一）精度要求高 随着城市中楼层越来越高，变形监测网测量的精度要求随之增高，绝对精度要达到毫米量级，其相对测量的精度必须要达到 10m。不管什么样的等级控制点之间的
2、绝对空间的定位精度，均满足不了变形监测测量精度达到毫米级的需求，因此，变形监测控制网通常不具有上级网控制下级网的需求以及意义，其高精度的要求也仅仅只是指满足该工程项目要求的相对精度。由于起始数据自身的要求，一般主要考虑的是该工程项目点位的合理性以及其相对精度条件是否符合工程的需求等，其选择的原则为符合工程需求便于技术的实现以及效率成本比高等为主，具有一定的灵活性。根据各工程在三维变形精度的具体要求，必须利用先进的技术手段、设备以及仪器来实施测量工作，其基本的特点就是三维空间定位的高精度特性。 （二）观测数据的连续性、周期重复性 由于变形监测的特殊要求，必须对同一个观测点进行连续、反复观测。传统
3、意义上的测量，受到时间、通视等条件的限制，无法满足变形监测中对观测点测量工作的要求，引进 GPS 高精度测量是适应新形势下变形监测的需要和手段。 （三）控制网相对独立性 监测网着重于研究点位的变化，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，应此，在变形监测中，常采用独立的坐标系统。其坐标系统应该为平面的直角坐标，同时其投影平面应该为工程抵偿高程面，其投影的方式为一种高斯正形投影，其中中央子午线的位置应该在工程所在区域的中心位置，其高程系统应该采用国家的统一高程基准，具有一定的独立性。 （四）起算点分布不均匀性 在变形监测过程中，由于对起算数据误差的要求较高，就
4、其方案的选择大多采用属于本工程的相对独立坐标系统。通常情况下，不可将原坐标中的这些已知控制点来作为其起算点，而这一要求也使得变形监测控制网中的起算点分布不均匀。 （五）变形监测控制网图形条件多变性 变形监测控制点设置的图形条件主要取决于工程场地的条件以及工程任务的需求，通常是由中点多边形、基准线、大地四边形、GPS 面传递或者边传递、三角网所构建的图形，对于构成图形的角度条件与边长条件并没有具体的要求，这一点和普通大地控制网或者常规的测量控制网有着一定的差别。 二、GPS 定位技术的特性 GPS 定位技术作为当前最新的空间定位技术，在变形监测网中其技术特性主要体现在以下几个方面：第一，网中的基
5、线边较短，其区域的范围较小，通常情况下不会大于 5km，并且在工作的 GPS 接收机卫星信号具有相同误差的特性，比如电离层与对流层的折射误差等，经过差分来进行结算，在一定程度上这些公共的误差可以抵消。在应用过程中，只需要通过合理、科学的观测方案设计，就可获得高精度观测成果。第二，利用精密卫星星历。在观测点定位中应用精密卫星星历是其基础，在一定程度上能够使被调制在 L1 载波中所包括卫星轨道信息和 GPS 卫星轨道参数等多种不同信号进行分量，可以获取更加准确地观测值，降低其测量的误差。第三，容易获得较高的相对精度。在 WGS84 的坐标下，GPS的测量能够获得很高的相对精度，同时其基线向量自身的
6、相对精度能够达到 10-510-8，若其观测方式得当，再加上相应的数据处理方式，通过网平差后，其 GPS 点自身的相对定位技能达到毫米级，甚者还会达到亚毫米级，符合变形监测的精度需求。第四，不需要通视，其工作点的选择较为灵活，在常规的测量方法中，一般要求相邻的观测工作点间应该相互通视，而这种做法不仅容易使工作点的选择受到工程条件的制约以及限制。相反，有时还会不得不增加一些连接点来实现通视，一定程度上加大了其测量的工作量，降低了测量的精度。而在 GPS 测量中，则不需要考虑工作站点之间的互相通视，加强了工作点选择的灵活性。第五，自动化的程度较高，能够实现全天的自动观测。GPS 系统属于一种单程的
7、系统，通常情况下，用户只需要接收 GPS 卫星所发射的信号，其信号接收能够昼夜观测，在遇到小雨或者雾等常规中不能观测的条件也不会受到影响。此外，GPS 外业观测的操作较为简单，其信号内业处理主要是通过计算机来自动地完成，具有自动化、成本低和高效率等优势。 三、GPS 变形测量误差的来源以及相关的应对措施 （一）误差的来源 通常来讲，GPS 定位误差主要可分为三种：第一种是与卫星信号相关的误差，其主要是指卫星钟差与轨道偏差；第二种和卫星信号传播相关的误差，其主要有多路径效应、电离层、载波相位周跳和对流层折射的影响误差；第三种是和接收设备相关的误差，其主要接收机钟差、接收天线相位中心位置的偏差以及
8、观测信号分辨误差。 （二）减少误差的应对措施 1.对多台接收机同步观测值进行差值计算，通过这种方法能够抵消具有相似或者相同误差特性的误差，尤其在基线边比较短的变形观测时，其消除效果更加的明显，比如卫星和接收机之间的钟差，对流层和电离层的折射影响以及卫星自身的轨道误差等。 2.构建观测值的相关改正模型，对部分的观测实行误差修正，这种改正模型一般有对流层模型、电离层模型、接收机钟差的改正模型以及表征卫星轨道偏差改正模型等。同时还可以利用双频观测，使用不同频率电磁波信号来进行观测，根据其具体的影响，及时修正其观测值。 3.利用精密的卫星星历，选择卫星条件比较好的观测时段和较好的观测方案，尽量减少 P
9、DOP 值与 GDOP 值，减少其电离折射、载波相位周跳以及卫星信号误差等各种误差造成的影响。此外，还可在多时段或者较长的时间段内进行观测，从而削弱或者消除不同多种路径效应、载波相位周跳以及观测信号所产生的分辨误差等。 4.观测点的选择必须要慎重，确保其具有良好的卫星观测条件，做好数据的处理与检核工作。其观测点最好要防止信号的噪声、多路径效应以及信号遮挡的影响，在初算基线向量以后，应该将相位双残差曲线图调出，对其发生的变化进行仔细地研究，如其波动起伏超过可限差的要求，应该重新进行观测，若在个别卫星某个时段出现失常，应该及时采取相应的处理措施，待其处理结束以后才能解算基线向量，同时还应该再次将重
10、算后所对应的双残差曲线调出来，并对其进行相应的分析和研究，以此确保其基线向量中的各项指标满足要求。 四、工程实例 比如在应县木塔的变形监测网中 GPS 定位技术的应用，在该监测网中，GPS 平差以后，平面点位中的误差为1.8mm，高程点的精度是4mm，其应用方案中的相关要点主要如下：第一，通过一个已知的控制点以及该点至另外一点已知方位角，再高精度测距仪器测量的基线边来实行联合约束自由网平差，确保其坐标系统能够作为工程的平面直角坐标系，其长度比和测区平均面统一，在一定程度上排除这些已知数据误差对于监测网精度造成的影响。第二，利用五台性能稳定且精确度高的GPS 单频静态接收机来分测量载波相位的相对
11、静态差，分为两个时段来进行观测，每一个观测的时段不能小于 90min，在观测的时候 PDOP 应该小于 5，其中异步环采用的是面连接方式。同时由于该测区的范围较小，其中最长的基线边应该小于 1Km。第三，根据工程的实际情况以及 GPS 观测特点，重点处理主要误差源多路径效应以及测站误差，利用强制对中或者优化选点的方式来消除这两种误差的影响。此外，还应该严格处理与检核观测值数据。 应用结论：第一，在变形监测中，GPS 静态相对定位的测量具有很重要的现实意义，只要根据工程自身的条件以及目的，选用合理、科学的观测方案，其测量的精度能够满足大多数变形监测的要求，具有自动化程度高、低成本和高效率等优势。
12、第二，在变形监测中，若其区域范围比较小，在选择方案的时候，应该重点考虑以下几个方面的因素：整周未知数解；多路径效应的影响；接收机天线误差；星历与参考点的质量；观测结果的精度检核；对流层的影响。 参考文献： 1 柳光魁,杜明成,王进等.GPS 定位技术在核电站精密工程水平控制网测量中的应用、研究J.现代测绘,2008,31(1):3-7. 2 袁修孝,付建红,楼益栋等.基于精密单点定位技术的 GPS 辅助空中三角测量J.测绘学报,2007,36(3):251-255. 3 张葆,姚俊峰,高利民等.机载 GPS 测量定位技术研究J.光学精密工程,2009,17(1):172-178. 4 李黎,匡翠林,朱建军等.基于实时精密单点定位技术的暴雨短临预报J.地球物理学报,2012,55(4):1129-1136. 5 彭明祥,张琨,肖南等.CCTV 主楼异形悬臂空间合龙精密测量技术J.施工技术,2010,39(7):19-23. 6 李浩军,王解先,陈俊平等.基于 GNSS 网络的实时精密单点定位及精度分析J.地球物理学报,2010,53(6):1302-1307.
