1、核准通过，归档资料。未经允许，请勿外传！GPS 原理及其在变形监测中的应用摘要全球定位系统GPS(Global Positioning System),以其连续、实时、高精度、全天候测量和自动化程度高等优点,对经典大地测量学以及地球动力学研究的诸多方面产生了极其深刻的影响。目前，GPS技术已经广泛应用于各类变形监测中，如城市地面沉降变形监测、大坝变形监测、桥梁变形监测、滑坡监测、高层建筑物变形监测、矿区变形监测等等。本文简要介绍了了全球定位系统（）的组成、定位的基本原理、变形监测网的设计、变形监测方案的实施和变形监测误差的消除方法。最后给出GPS技术在某大坝变形监测中的应用实例，充分说明了GP
2、S定位技术是一种很有前途的变形监测方法。关键词：全球定位系统(GPS)原理，变形监测，应用实例9JWKffwvG#tYM*Jg适用于不同的监测精度要求、不同形式的变形体和不同的监测环境；可以提供绝对变形信息。但外业工作量大, 布点受地形条件影响, 不易实现自动化监测。特殊测量手段包括应变测量、准直测量和倾斜测量, 它具有测量过程简单、可监测变形体内部的变形、容易实现自动化监测等优点, 但通常只能提供局部的和相对的变形信息。摄影测量技术包括地面摄影测量技术和航空摄影测量技术。近10余年来, 近景摄影测量在隧道、桥梁、大坝滑坡、结构工程及高层建筑变形监测等方面得到了应用,其监测精度可达到mm 级。
3、与其他变形监测技术相比较,近景摄影测量的优点是: 可在瞬间精确记录下被摄物体的、信息及点位关系；可用于规则、不规则或不可接触物体的变形监测；相片上的信息丰富、客观而又可长期保存,有利于进行变形的对比分析；监测工作简便、快速、安全。近几年发展起来的数字摄影测量技术, 也在建筑物及滑坡等变形监测中得到了成功的应用,并显示出良好的应用前景。此外, 空中摄影测量技术亦在较大范围的地面变形监测中得到了应用。但由于摄影距离不能过远, 且大多数的测量部门不具备摄影测量所需的仪器设备, 摄影测量技术在变形监测中的应用尚不普及。GPS技术的应用给测量技术带来了一场深刻的革命。据资料介绍, 国外从20世纪80 年
4、代开始用GPS进行变形监测。从90年代以来, 世界上许多国家纷纷布设地壳运动GPS监测网, 为地球动力学研究和地震与火山喷发预报服务。例如, 日本国土地理院从1993年开始了GPS 连续观测网的筹建工作, 到1994年日本列岛已建立由210个GPS连续观测站组成的连续监测系统( COSMOS), 目前的观测站总数已发展到1000多个。该系统于1994年10 月1日正式起用, 10月4日就监测到北海道东部近海8 1级大地震, 并清晰地记录了地震前后的地壳形变。此后 , 又成功地捕捉到三陆远海地震及兵库县南部地震的地壳形变。1995年1月17日, 在日本阪神7 2级大地震后, 该系统在进行快速、准
5、确、精细地监测与分析地壳运动方面起到了很大的作用。1.4 GPS在变形监测中的研究现状经过近十年的迅速发展,GPS观测边长相对精度已经能够达到 ,比传统大910地测量精度提高了3个量级。GPS技术在变形监测方面主要应用于以下领域:首先,利用GPS技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
6、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。基于GPS技术的变形监测理论与方法，是当前广泛采用的变形监测新方法、新技术之一。GPS卫星定位技术相比于传统的测绘作业方法与模式有着显著的特点和优越性，其优越的性能及广泛的适用性，是常规测量作业难以比拟的。GPS以其全天候、高精度、高效率、实时动态等优点，成为当今极为重要的监测手段之一。如今，GPS技术已广泛应用与地壳运动观测，区域地面沉降监测，矿区、坝区边坡稳定性监测，桥梁大坝及其他大型工程形变监测等诸多方面并取得了一系列成果，在实践中逐步发展、完善，积累了丰富的经验。将GPS技术应用
7、于桥梁工程的变形监测方面，国内外开展了广泛的研究和试验。80年代初，我国一些院校和科研单位已开始研究GPS技术。十多年来，我国的测绘工作者在GPS定为基础理论研究和应用开发方面作了大量工作。80年代中期，我国引进GPS接收机，并应用于各个领域。同时着手研究建立我国自己的卫星导航系统。至今十多年来，据有关人士估计，目前我国的GPS接收机拥有量约有10万台左右，其中测量类约800-1200台，航空类约几百台，航海类约6万多台，车载类约2万多台。而且以每年2万台地速度增加。足以说明GPS技术在我国各行业中应用的广泛性。在工程测量方面，应用 GPS 静态相对定位技术，布设精密工程控制网，用于城市和矿区
8、油田地面沉降监测、大坝变形监测、高层建筑变形监测、隧道贯通测量等精密工程。加密测图控制点，应用 GPS 实时动态定位技术（简称RTK）测绘各种比例尺地形图和用于工程建设中的施工放样。在大地测量方面，利用GPS技术开展国际联测，建立全球性大地控制网，提供高精度的地心坐标，测定和精化大地水准面。组织个部门参加1992年全国GPS定位大会战。经过数据处理，GPS网点地心坐标精度优于0.2m，点间位置精度优于10 -8。在我国建成了平均边长约100km 的 GPS A级网，提供了亚米级精度地心坐标基准。此后，在A级网的基础上，我国又布设了边长约30-100km的B级网，全国约2500个点。A、B级GP
9、S网点都联测了几何水准。这样，就为我国各部门的测绘工作，建立各级测量控制网，提供了高精度的平面和高程三维基准。我国已完成西沙、南沙群岛个岛屿与大陆的GPS联测，使海岛与全国大地网联结成一个整体。在地球动力学方面，GPS技术用于全球板块运动监测和区域板块运动监测。我国已开始运用GPS技术监测南极洲板块运动、青藏高原地壳运动、四川鲜水和地壳断裂运动，建立了中国地壳形变观测网、三峡库区形变观测网、首都圈GPS形变监测网等。GPS技术已经用于海洋测量、水下地形测绘。此外，在军事国防、智能交通、邮电通信，地矿、煤矿、石油、建筑以及农业、气象、土地管理、环境监测、金融、公安等部门和行业，在航空航天、测时授
10、时、物理探矿、姿态测定等领域，也都开展了GPS技术的研究和应用。在航空摄影测量方面，我国测绘工作者也应用 GPS 技术进行航测外业控制测量、航摄飞行导航、机载 GPS 航测等航测成图的各个阶段。在我国，也有许多将GPS技术成功运用于桥梁变形监测的案例。广东虎门大桥有限公司联合清华大学地球空间信息研究所于2000年5月建立了利用GPS RTK技术的虎门大桥实时动态三维位移监测系统，该系统包括1个GPS基准站、7个GPS监测站，光纤数据传输系统和中心计算机系统及相关的数据采集传输和数据处理软件。实现多测点的实时数据双向传输和远程系统管理。该系统能在各种条件下24小时运行，可以监测悬索桥在风荷载、温
11、度变化、地震和车辆等因素激励下的三维位移变化情况，并可分析箱梁振动频率，箱梁扭转和整桥变形。通过长期积累这些数据，可以分析悬索桥在实际运行状况下的规律及其安全特性规律，可做为安全监测的手段之一。该系统的建立，为悬索桥的科学管理提供强有力的手段，分析掌握所积累的数据，可以印证原设计的准确性，提高中国的悬索桥设计理论水平。该技术的开发应用有助于提高中国悬索桥等大型构筑物的安全监测水平。此外，天津永河大桥、江苏苏通大桥等大型桥梁也都采用GPS技术进行了监测。前人的研究为GPS技术在桥梁监测中的应用打下了基础，为后续研究提供了理论依据。GPS与其它传感器结合用于桥梁健康监测已形成了趋势。在数据处理方面
12、，基于GPS技术的变形监测数据处理主要包括GPS定位测量的数据处理及工程变形监测的数据处理、变形分析和预报两方面。GPS应用与在变形监测领域，多采用静态相对定位方式和实时动差分定位方式(GPS RTK模式)。在GPS静态相对定位中，一般采用载波相位差分技术。根据求差的方式可分为单差法、双差法及三差法。在GPS测量的数据处理中，整周未知数的求解以及周跳的探测与修复是GPS数据处理中的关键问题。此外，电离层延迟模型、对流层延迟模型的改进与完善、多路径效应影响等方面的研究也是GPS数据处理中的重要内容。2 GPS基本原理2.1 GPS全球定位系统概述卫星导航定位技术是现代新技术革命中电子技术与空间技
13、术相结合的重大成果, 是对传统的导航定位技术的重大突破和变革。全球定位定位系统(CPS)的英文名字为Global Positioning System，是“卫星测时测距导航全球定位系统”的简称。它的含义是利用导航卫星进行测时和测距以构成全球定位系统。它是由美国国防部主导开发的一套具有在海、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定位系统。GPS是以卫星为基础的无线电卫星导航定位系统, 它具有全能性、全球性、全天候、连续性和实时性的精密三维导航与定位功能, 而且具有良好的抗干扰性和保密性。经近10 年我国测绘、资源管理、勘测、设计等部门的使用表明, GPS以全天候、高精度、自动化、
14、高效益等显著特点, 赢得广大使用者的信赖, 并成功地应用于大地测量、工程测量、资源勘察、定位监测、航空摄影测量、导航和管理等, 给测绘及相关领域带来一场深刻的技术革命。全球定位系统是美国第二代卫星导航系统。是在子午仪卫星导航系统的基础上发展起来的, 它采纳了子午仪系统的成功经验。是迄今最好的导航定位系统。随着全球定位系统的不断改进, 硬、软件的不断完善, 应用领域正在不断的开拓, 已遍及国民经济各个部门, 并开始逐步深入人们的日常生活。目前, 范围上数公里至几千公里的控制网或定位监测网, 精度上从百米至毫米级的定位, 一般都将GPS 作为首选手段,随着RTK 技术的日趋成熟, GPS 已开始向
15、分米乃至厘米级的放样、高精度动态定位等领域渗透。2.2 GPS的特点GPS作为一种导航和定位系统，以其精度高、全天候、高效率、多功能、易操作应用广等特点著称。（1） 定位精度高 大量实践和研究表明，用载波相位观测量进行静态相对定位，在小于50km的基线上，精度可达1ppm，而在100500km的基线上可达0.1ppm。随着观测技术与数据处理方法的不断优化，在大于 1000 km 的距离上，相对定位精度可达到0.01ppm，其精度是惊人的。在3001500m 工程精密定位中，1h以上观测的解其平面位置误差小于1mm，与ME-5000电磁波测距仪测定的边长比较，其边长较差最大为0.5mm，较差中误
16、差为0.3mm。（2） 观测时间短随着GPS系统的不断完善，软件水平的不断提高，观测时间已由以前的几小时缩短至现在的几十分钟，甚至几分钟。目前，20km以内相对静态定位，仅需1520min；快速静态相对定位测量时，每个流动站与基准站相距在15km以内时，流动站观测时只需12min；动态相对定位测量时，流动站出发时观测12min，然后可以随时定位，每站观测只需几秒钟。（3） 测站间无需通视既要保持良好的通视条件，又要保障测量控制网的良好结构，这一直是经典测量技术在实践方面的难题之一。而GPS测量不需要观测站之间相互通视，只需测站上空开阔即可，因此可节省大量的测量经费和时间，同时也使点位的选择更加
17、灵活，经济效益不断提高。（4） 仪器操作简便随着GPS接收机的不断改进，自动化程度越来越高，有的已经达到“傻瓜化”的程度；接收机的体积越来越小，重量越来越轻，极大的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。（5） 全球全天候作业GPS测量工作，可以在任何地点任何时间连续进行，不受天气状况的影响。（6） 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，而GPS测量可同时精确测定观测站平面位置和大地高程。GPS定位是在全球统一的WGS-84坐标系统中计算的，因此全球不同地点的测量成果是相互关联的。（7） 功能多，应用广泛GPS系统不仅用于测量、导航，还可用于测时、
18、测速。测速的精度可达0.1ms，测时的精度可达几十毫微秒。其应用领域不断扩大2.3 GPS系统的组成GPS系统主要由三大部分组成，即空间部分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（如图1）。图1.GPS系统（一）空间部分GPS卫星星座GPS工作卫星及其星座由21颗工作卫星和3颗在轨道备用卫星组成GPS卫星星座,记( 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, 各个轨道平面之间相距60,卫星高约20200km。位于一地平线上的卫星颗数随着时间和地点的不同而不同,最少可见到4颗,最多可见到11颗。在用GPS信号导航定位时, 必须观
19、测4颗GPS卫星,称为定位星座。（二）地面控制部分一地面监控系统GPS卫星的地面控制系统由分布在全球的一个主控站、三个注入站和五个监测站组成。主控站位于美国本土科罗拉多能够收集各监测站送来的跟踪数据，计算卫星轨道和钟差参数，并发送至注入站，由注入站转发至各卫星。主控站还起监控站的作用。并能够诊断卫星的工作状态，进行必要的调度。监测站跟踪视野内所有的CPS卫星。收集卫星测距信息，采集气象要素等数据，并将收集到的信息传送到主控站。注入站的主要作用是将主控站发来的导航电文注入到相应卫星的存储器。(三）用户设备部分GPS信号接收机GPS信号接收机能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号，并
20、跟踪这些卫星的运行，对所接收到的GPS信号进行交换，放大和处理，再通过计算机和相应的数据处理软件，经过基线解算，网平差等，求出测站点的三维坐标。2.4 GPS信号GPS卫星发射两种频率的载波信号, 即频率为1575.42MHz的L1载波和频率为1227.60HMz的L2载波,它们的频率分别是基本频率10.23MHz的154倍和120倍,它们的波长分别为19.03cm和24.42cm。L1载波：fl=15410.23=157542MHz，波长为入1=19.032cmL2载波：f2=12010.23=12276MHz波长为x 2=24.42cm(式中：10.23MHz为时钟基本频率)在L1和L2上
21、又分别调制着多种信号,这些信号主要有:(1) C/A码又被称为粗捕获码,它被调制在L1载波上,是1MHz的伪随机噪声码( PRN码) ,其码长为1023位(周期为1m s)。由于每颗卫星的C/A码都不一样,因此, 我们经常用它们的PRN号来区分它们。C /A 码是普通用户用以测定测站到卫星间的距离的一种主要的信号。(2) P码又被称为精码,它被调制在L1 和L2载波上,是10MH z的伪随机噪声码, 其周期为七天在实施AS时, P码与W码进行模二相加生成保密的Y码,此时,一般用户无法利用P码来进行导航定位。(3)导航信息: 导航信息被调制在L1 载波上, 其信号频率为50H z, 包含有GPS
22、卫星的轨道参数、卫星钟改正数和其它一些系统参数。用户一般需要利用此导航信息来计算某一时刻GPS卫星在地球轨道上的位置, 导航信息也被称为广播星历。2.5 GPS定位原理GPS定位是根据测量中的距离交会定点原理实现的。如图2所示, 在待测点Q设置GPS接收机, 在某一时刻 同时接收到3颗(或3颗以上)卫星 、 、 kt 1S23所发出的信号。通过数据处理和计算, 可求得该时刻接收机天线中心(测站点) 至卫星的距离 、 、 。根据卫星星历可查到该时刻3颗卫星的三维坐标( 12, , ) , j= 1, 2, 3, 从而由下式解算出Q 点的三维坐标( , , jXjYjZ XY): 21212121
23、 ZYX23232323图2.定位测量原理根据接收到的不同卫星信号和处理方法不同，GPS卫星定位的主要方式可分为伪距测量定位、载波相位测量定位和差分GPS定位。对于待定点，根据运动状态可分为静态定位和动态定位。单台GPS接收机进行的定位成为单点定位或绝对定位；两台或两台以上接收机分别安置在不同的待测点上，通过同步观测卫星信号，确定待测点的相对位置，成为相对定位。（一）伪距测量：（1）卫星依据自己时钟（钟脉冲）发出某一结构的测距码，经过t时的传播到达GPS接收机。（2）接收机在自己钟脉冲驱动下，产生一组结构完全相同的复制码。（3）通过时延器使之延迟时间T，对两码进相关比较。（4）直至两码完全对齐
24、，相关系数R（t）= max =1，则该时间延迟T即为传播时间t( T = t )。（5）距离=ct=cT 。由于实际中卫星钟和接收机钟存在着误差，所以上述方法求出的距离将受到两台钟不同步的误差影响。此外，卫星信号还需要穿过电离层和对流层到达地面观测站，在电离层和对流层中信号传播的速度 V 不等于 C ，所以上述公式求得的距离不是真实的距离，称为伪距。当对伪距进行各项误差纠正，精确计算时，卫星信号由卫星到达测站的钟面传播时间：ttGPSttt jijijiji 在不顾及大气折射等误差影响的情况下，由钟面传播时间乘以光速，就得到卫星至测站的伪距。现顾及大气折射影响为理想距离。电 离 层 延 迟
25、改 正:)(tIji 对 流 层 延 迟 改 正:)(tTji显然，伪距观测方程中是非线性项，表示测站与卫星之间的几何距离：由于方程为非线性方程，需要对上述方程进行线性化，线性化后的方程为： A000000()()()Z()()()()()()()()()jjjj jjjiiiiiiiiijj jii i ij jjiiiij jjii iDttktmtctItTtNInFrtttNt有三个测站未知数 以及一个钟差未知数 电离层和对流层改正一般通过专门的数学模型另行处理。这样，接收机至少需要跟踪4颗卫星，才能求解。（二）载波相位观测GPS 载波信号存在着两种频率的正弦波：L1：L2：对卫星信号
26、进行调制和解调后被 GPS 接收机接受，载波相位的测量原理为（图 3）卫星信号传至接收机的过程（图 4） 。()()()()() )( (jij ijji ij iDtcctt Dttttc()()()()()() ij j j ji i i ij j ji i ij jitItTtctctDt )j jiicGPS2221()()()()jj j ji i i itXtYttZ,iiXYZ ()jit1 157.43MHz,9cmf2 2.60,图 3：载波相位观测原理 图 4：信号传播示意图在实际进行载波相位测量的时候，当接收机跟踪上卫星信号，并在起始历元瞬间 进行首次载波相位测量时，只能
27、测到不足一整周的相位，因为载波是0t一种单纯的正弦， 没有任何标志，不能测得第几周，于是出现了整周模糊度，相位差公式应为：A00()()()jj jii i itNtttInFrAj jjiiiiN0000()()()()()j jjii ittttrSR()tR ()tS接 收 机 根 据 自 身的 钟 在 时 刻 复制 信 号 的 相 位tR接 收 机 根 据 自 身的 钟 在 时 刻 所接 收 到 卫 星 在时 刻 所 发 送 信 号的 相 位 tR tStRtS载波相位观测示意图（图 5）：图 5：载波相位信号传播图由于接收机的频率漂移比较小，一般可以忽略，即： jiff考虑到接收机钟
28、差，相位观测方程可表示为： 00()()()()()j j jjii i ijji itftGPSftftNtftN而 电流层和对流层都会对传播相位产生影响，载波相位观测方程可表示为：0()()()()()()()jjjj jjiiiii iftDtItTtftftNtc式子两边都乘以 可转化为：1()jitf 0()()()()()()()jjjj jjiiiii ittIttcttt载波相位观测方程：测向距离形式的观测方程：根据上述式子，可进行对接收机钟差、卫星钟差、卫星轨道误差、多路径效应、电离层误差、对流层误差进行改正，并通过最小二乘原理或者卡拉曼滤波算法对数据进行实时或者后处理的解算
29、。其中某一时刻接收机钟差可视为常数，多路径效应是随机误差，电离层和对流层均可以根据前期观测值总结出其随时间变化的模型，进行对观测数据进行改正。3.GPS 在变形监测中的应用3.1 变形监测变形是自然界普遍存在的现象，它是指在各种载荷作用下，变形体的形状、大小及位置在时间域和空间域中的变化。它的范畴十分广泛，从全球板块运动、地级运动、地球自转率变化等全球性变形，到地壳变形、地壳相对运动等区域变形，再到工程建筑物沉降和倾斜、滑坡体滑动、地下开采引起地标移动和下沉、工业设备或构件挠曲偏移等工程和局部性变形，变形现象几乎无处不在。变形监测就是利用测量仪器对选定的具有代表性的特征点进行实时或者周期性的监
30、测，以确定变形体在时空中的变化，变形的类型可分为静态观测和动态观测，静态观测是变形体随时间的变化而发生缓慢的变形，需要长时间多周期的监测才能发现其变形规律；动态变形主要是变形体在外界负荷压力的作用下而发生的变形，一般这种变形是在瞬间压力的作用下很快的发生。变形监测的方法：大地测量方法中，常用的大地测量方法主要是通过测角、测边、水准等方法测定变形，此类传统的方法费用低、精度可靠、劳动强度大等特点。GPS 已经随着卫星大地测量技术的发展在变形监测领域的应用越来越广泛，具有着传统大地测量方法不可比拟的优点；变形监测的新技术中合成孔径雷达干涉技术、激光扫描技术、计算机层析成像技术等变形监测技术成为国内
31、外研究热点，并得到广泛应用。00()()()()()()()ij j j j jji i i i i ij j j jji i i iftDtItTtftftNtcftIttftt （ ）（ ） 0()()()()jj j j jjii i i i iDttItTtctctNt （ ）3.2 应用 GPS 进行变形监测的优缺点利用 GPS 定位技术进行变形监测具有下列优点，因而得到了广泛应用，成为变形监测中的一种新的有效手段。（1）测站间无需保持通视。由于 GPS 定位时测站间无需保持通视，从而可使变形监测的布设更为自由、方便，并可省去不少中间传递过度点，节省大量费用。（2）能同时测定点的三维
32、位移。采用传统方法进行变形监测时，平面位移通常是采用正锤线、倒锤线、边角导线、方向交会、距离交会和全站仪极坐标法等方法来测定的，而垂直位移则一般采用精密水准测量、液体静力水准测量、倾斜仪等手段来测定。水平位移和垂直位移的分别测定不仅增加了工作量，而且监测的时间和点位也不一定一致，从而增加了变形分析的难度。（3）全天候观测。GPS 测量不受气候条件的限制，在风雪雨雾中仍能进行正常观测。配备防雷电设施后变形监测系统就能实现全天候观测。这一点对于防汛抗洪、滑坡、泥石流等地质灾害监测等应用领域来讲显得特别重要。（4）易于实现全系统的自动化。由于 GPS 接收机的数据采集工作是自动进行的，而且又为用户预
33、留了必要的接口，故用户可以较为方便的把 GPS 变形监测系统建成无人值守的自动监测系统，实现从数据采集、传输、处理、分析、报警到入库的全自动化。有必要时，用户可以很方便的从控制中心的办公室来观看每台 GPS 接收机的板面信息，也可以在办公室中发布命令来更改数据采样率、时段长度和截至高度角等设置。这对于长期连续运行的监测系统是很重要的，可降低监测成本，提高监测资料的可靠性。（5）可消除或削减系统误差的影响。在变形监测中我们关心的是在两期变形监测中所求的的变形监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，但却不会影响所求的的变形量
34、。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。（6）可直接用大地高进行垂直变形测量。在 GPS 测量中高程系统一直是一个棘手的问题。以为 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和正高，它们之间有下列关系：-大 地 高正 常 高 Hh NHh-大 地 高正 高
35、 式中的高程异常 和大地水准面差距 N 可从高程异常图或大地水准面图中查得，也可据地球重力场模型求得，但精度偏低，从而导致转换后的正常高或正高的精度下降。在垂直位移的监测中我们关心的是高程的变化，因而完全可以在大地高系统中进行监测。目前 IGS 提供的精密星历足以保证大地高系统的稳定性，从而避免在高程系统的转换过程中的精度损失。正因为如此, GPS 定位技术在变形监测中迅速得到了推广, 成为一种新的很有前途的变形监测方法。当然, 利用GPS 定位技术进行变形监测时, 也存在某些不足之处, 主要表现在以下几个方面:(1)点位选择的自由度较低。为保证GPS测量的正常进行和定位精度，在GPS测量规范
36、中对测站的选择作出了一系列的规定，如测站周围高度角15以上不允许存在成片的障碍物，测站离大型发电机、变压器、高压线及微波信号发射台、转播台等有一定的距离（例如200m400m），测站周围也不允许有房屋、围墙、广告牌、大面积水域等反射信号物，以避免多路径误差等。但在变形监测中上述要求往往难以满足, 因为监测点的位置通常是由业主单位依据大坝、桥梁、大型厂房等监测物的建筑结构和受力情况而确定的, 或由地质人员依据滑坡、断层等地质构造而定的, 变动的余地很小。(2)从整体上讲观测条件往往较差。如在长江三峡进行滑坡监测时，视场往往很狭窄，大量卫星被遮挡，切多路径误差严重。如在大坝上进行监测时，由于大坝的
37、一侧为大水库而另一侧则为山地等，自然地理环境和植被的明显差别往往会导致大坝两侧的大气状况（温度、湿度等）产生明显的差异，从而影响对流层延迟改正的精度。（3）函数关系过于复杂，误差源多。与正倒锤等变形监测手段相比，GPS定位的函数关系要复杂的多，涉及的误差源也要多得多。在GPS定位中基准站和变形监测点间的坐标差是依据两站的载波相位观测值和卫星星历经过复杂的计算后得到的。定位结果受卫星星历误差、卫星钟误差和接收机钟钟误差、对流层延迟、电离层延迟、多路径误差、接收机测量噪声以及数据处理软件本身的质量等多种因素的影响。在数据处理过程中，还将涉及周跳的探测及修复、整周模糊度的确定等一系列问题。其中任一环
38、节处理不好就将影响最终的监测精度。此外接收机天线相位中心的不稳定也是影响GPS 定位精度的一个重要因素。目前利用GPS 进行变形监测的最好精度约为0. 5 mm 左右。这一精度还难以满足特种工程测量的精度要求。3.3 GPS变形监测模式GPS定位技术进行变形监测作业可采用两种模式：连续性监测模式和周期性重复测量监测模式。（一）连续性变形监测模式：连续性变形监测指的是采用固定检测仪器进行长时间的数据采集，获得变形数据系列，此时监测数据是连续的，具有较高的时间分辨率。根据变形体的不同特征，GPS连续性监测可采用静态相对定位和动态相对定位两种数据处理方法进行观测，一般要求变形响应的实时性。例如，大坝
39、在超水位蓄洪时，必须时刻监视其变形状况，要求监测系统具有实时的数据传输和数据处理与分析能力。对于桥梁的静动载实验和高层建筑物的振动测量等，其监测的主要目的在于获取变形信息及其特征，数据处理及分析可以在事后进行。对于建在活动的滑坡体上的城区、厂房，需要实时了解其变化状态，以便及时采取措施，保证人民生命财产的安全，可以用全天候实时监测方法，即建立GPS自动化监测系统。系统的精度可按要求设定, 目前最高监测精度可达到亚毫米级。系统的响应速度快, 从控制中心敲击键盘开始,几分钟内可以了解到监测点位置的实时变化情况。在动态监测方面，过去一般采用加速度计算、激光干涉仪等测量设备测定建筑结构的振动特性，但是
40、随着建筑物高度的增加和对监测工作的连续性、实时性和自动化程度的要求的提高，常规的测量技术已经越来越受到局限。GPS作为一种新方法，随着其硬件和软件的发展与完善，在大型结构物动态特征和变形监测方面已3显示出独特的优越性。近几年来，国内外利用GPS 在这方面进行了一些试验研究工作。例如, 利用GPS 技术对加拿大卡尔加里( Calgary )塔在强风作用下的结构动态变形进行了测定；国内对一些大跨度悬索桥和斜拉桥( 如广东虎门大桥) 已尝试安装GPS 实时动态监测系统, 深圳帝王大厦的风力振动特性采用了GPS 进行测量。为了获得监测对象的动态特征, 需要进行连续的、高频率的数据采样。高采样率卫星接收
41、机( 20Hz、10Hz、5Hz) 的出现,使之成为研究各种工程建(构)筑物的动态变形特征的新方法。长期连续监测模式具有下列优点：a.可以较完善地消除接收机天线的安置误差-如对中误差)整平误差)定向误差)量测天线高的误差等“的影响.b.由于数据量特别多，故可通过滤波和平滑等技术来消除噪声，提取大坝变形信息，获得高精度的结果。c.易于实现系统全自动化，提高系统的响应速度和作业效率。长期连续性检测模式的缺点是：a. 每个变形监测点上均需长期安置一台GPS接收机，监测成本昂贵。b.在野外仪器设备的安全问题较难解决。c.需要提供长期稳定的电源，这个问题也不容易解决。（二）周期性测量变形监测模式当形变体
42、的变形速率相当缓慢( 如地壳运动,处于缓慢变形阶段的滑坡体位移等) , 在局部时间域和空间域内可以认为稳定不动时, 可利用GPS进行周期性变形监测, 监测频率视具体情况可为数月、一年或甚至数年之久。此时采用GPS 静态相对定位方法测量, 将2 台以上GPS 接收机安置在观测点上同步观测一段时间, 观测时段长度和时段个数依监测精度的要求而定。一般采用边连接方式构成监测网, 数据处理与分析在事后进行,用后处理软件进行基线解算, 经过平差计算求得观测点的三维坐标。这种方法尤其适用于长边监测网, 边长相对精度可高达 。910周期性监测模式的优点为：a.不必长期占用GPS接收机，在周期性复测期外接收机可
43、用于其他用途，利用率高。b.仪器设备的安全问题和供电问题很容易解决。周期性监测模式的缺点是：a.接收机天线的安置误差难以完全消除，加之数据量又较少，因而监测的精度较低。要达到亚毫米级监测精度有相当大的难度，尤其是高程。b.劳动强度特别大，响应的速度也特别慢。3.4 GPS变形监测网运用GPS技术进行工程建筑物、构筑物的变形监测时，通常在距离变形区较远的稳定地方选择基准点，作为GPS观测的基准站。在变形体上选择若干监测点，一般设置强制对中装置，作为GPS观测的流动站。如果采用适当的数据传输技术，实时地将测量数据自动传送到数据处理中心，并进行保存、处理、分析和显示，即可以进行连续地自动变形监测。为
44、了提高GPS观测精度，应从GPS变形监测网基准点的影响、观测误差与形变信息的分离、周跳的探测与复测、整周模糊度的确定等方面进行深入而详尽的研究，下面简要说明GPS变形监测网的基准设计问题与网形设计问题。（一）基准设计GPS技术用于变形测量，所解算出的基线向量是属于WGS-84坐标系的三维坐标差。实际需要的点位坐标可以是WGS-84坐标系的坐标，也可能是国家坐标系或地方独立坐标系的坐标。所以，在GPS变形监测网的基准设计时，必须明确GPS成果所采用的坐标系统和起算数据，即明确GPS变形监测网所采用的基准。GPS网的基准与常规测量的基准一样包括位置基准、方位基准和尺度基准。位置基准由起算的GPS点
45、的坐标确定，而方位基准和尺度基准分别由GPS基线向量的方位和距离确定。GPS测量的结果是三维坐标，位置基准有3个，方为基准有3个，尺度基准一个。如果以固定的基准点作为GPS网的起算数据，则在基准设计时，至少应当选择3个稳定的基准点。为了增加GPS变形监测网的可靠性，一般应选择45个稳定的基准点。对于GPS变形监测网坐标系的选择，如果选择WGS-84坐标系，在进行GPS网设计时，最好能联测附近的高精度的国家GPS点。如果附近没有高精度的国家GPS点，则每期的GPS观测结果进行数据处理时，都应以第一期的基准点的坐标为基准。如果选择国家坐标系或地方独立坐标系，则基准点应同时具有国家坐标系或地方独立坐
46、标系的坐标值，以便将GPS观测结果进行坐标转换，将各点的WGS-84坐标转换为国家坐标系或地方独立坐标系。GPS测量所得的高程为WGS-84坐标系中的大地高。在实际变形监测工作中可以按大地高进行变形分析。如果实际应用中采用水准高程，在GPS网的基准点应同时测定其水准高程，以便将GPS高程通过曲面拟合转换为水准高程。（二）网形设计由于GPS同步观测不要求点间通视，故GPS网形设计具有较大的灵活性。根据不同的精度要求，GPS网的网形布设通常有点连式、边连式及边点混合连接等几种基本方式。GPS观测中，3台或3台以上接收机同步观测获得的基线向量构成同步环。故所谓点连接、边连接等方式都是指同步环之间的连
47、接。点连式是指相邻同步图形之间仅有一个公共点的连接，而边连式的同步图形之间由一条公共基线连接。显然，边连式有较多的重复边和非同步图形闭合条件（异步环），网形几何强度和可靠性比点连式要高，故GPS变形监测网多采用边连式的网形。例如，对某地面变形监测网，将三角点（A、B、C、D）作为基准点与变形监测点一同进行GPS网的网形设计。用3台接收机进行观测的网形设计如图5-a所示，若用4台接收机进行观测，则网形设计如图5-b所示。当然，还可以设计出不同的网形，以便选出最佳的布网方案。(a)3 台接收机观测网形 （b）4 台接收机观测网形对于3台接收机组成的监测网，基准网点4个，需观测3个时段。基准点与变形
48、监测点连成16个三角形，观测16个时段。而应用4台接收计时，4个基准网点观测一个时段，基准点与网形监测点连成8个大地四边形，观测8个时段。显然，用4台接收机观测比用3台接收机观测时段少了一半。两种网形的多余观测都比较多，属于可靠性较强、精度较高的网形。对于设计出的GPS网形，要依据接收机的观测精度和网形结构，进行精度预计，同时给出该网的可靠性指标，求出最弱点点位中误差。考虑到观测时段数，最后优化出精度能满足要求、工作量最省的方案。3.5 GPS应用于变形监测的发展趋势根据对国内外GPS变形监测的现状分析和对变形监测的客观要求, 可将GPS 变形监测的发展趋势概括为以下几个方面:（1) 建立GP
49、S变形监控在线实时分析系统对于大坝、大型桥梁、高层建(构)筑物、滑坡和地区性地壳变形监测，研究建立技术先进而又实用的GPS变形监控在线实时分析系统是一个重要的发展趋势。这种系统由数据采集、数据传输和数据处理与分析等几个主要部分组成，可以使监测数据得到及时地分析和处理，从而实时地评价变形的现状和预测其发展趋势，为灾害发生的可能性分析与预报提供科学依据，这对处于活跃阶段的滑坡体变形及断层的相对运动监测具有特别重要的意义。由于建立连续运行的GPS网络系统进行大坝和滑坡等变形监测, 成本较为昂贵。因此，研究低成本的GPS一机多天线变形在线实时监测分析系统也一个颇有实际意义的研究方向。（2) 建立“3S”(GPS、GIS、RS) 集成变形监测系统随着计算机技术、无线电通讯技术、空间技术及地球科学的迅猛发展，“3S”(GPS、GIS、RS) 技术已从各自独立发展进入相互集成融合的
