浅谈全球定位系统(GPS)测量技术

　　摘要：本文对GPS系统及GPS变形进行了全面的概述。包括GPS系统的组成、GPS卫星的信号结构、GPS定位原理、测量方式以及测量误差等等。简要论证了GPS变形监测的可行性。并对变形监测的方案实施进行了总结，提供了一定的指导操作。
　　关键词：GPS；测量；变形监测
　　前言
　　GPS(全球定位系统)测量技术是近十年发展起来的新兴的测量手段，利用GPS测量技术，可以有效的实现对于建筑物变形的监测，已经在越来越多的测绘工程领域中得到了应用，有着显著的社会效益和经济效益。
　　1全球定位系统(GPS)介绍
　　全球定位系统(GPS)系统是由美国国防部陆海空三军在70年代联合研制的新型卫星导航系统，它的英文名称是“GlobalPositioningSystem"，简称GPS系统。
　　GPS系统研制历时20年，耗资200亿美元，于1994年全面建成，是具有在海、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。目前，GPS作为新一代的卫星导航定位系统已在军事、交通运输、测绘、高精度授时及资源调查等领域中得到了广泛的运用。
　　1.1GPS系统组成
　　GPS系统主要包括三大组成部分，即空间星座部分、地面监控部分和用户设备部分。
　　1、空间星座部分
　　空间星座部分由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成。卫星均匀分布在6个轨道平面内，各个轨道平面之间交角60度。每个轨道平面内的各卫星之间的夹角为90度，任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30度。GPS卫星轨道平均高度约为202001cm运行周期为11h58min。地球上同一点的GPS接收机的上空，每天出现的GPS卫星分布图形相同，只是每天提前约4min。同时，位于地平线以上的卫星数目，随时间和地点的不同而差异，一般情况下用户能同时观测到6-8颗卫星，最少为4颗，最多为11颗。
　　GPS系统卫星分布如图1所示:
　　
　　图1GPS系统卫星分布图
　　2、地面监控部分
　　GPS工作卫星的地面监控系统目前主要由分布在全球的1个主控站、3个信息注入站和5个监测站以及通信和辅助系统组成。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。
　　3、用户设备部分
　　接收机硬件和机内软件以及GPS数据的后处理软件包，构成完整的GPS用户设备。GPS信号接收机跟踪卫星信号，并进行变换、放大和处理，实时地计算出观测站的三维位置、速度和时间，最终实现利用GPS进行导航和定位的目的。
　　研究GPS在定位中的应用主要是该系统的用户设备部分。
　　1.2GPS卫星信号结构
　　GPS卫星发射两种频率的载波信号，频率为1575.42MHz的L1载波和频率为1227.60MHz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。在L1和L2上分别调制着多种信息。
　　这些信息主要有:
　　1、C/A码:
　　C/A码又被称为粗捕获码，它被调制在L1载波上。由于每颗卫星的C/A码都不一样，因此，经常用它们来区分每颗卫星。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:
　　P码又被称为精码，它同时被调制在L1和L2载波上，是l0MHz的伪随机噪声码，其周期为七天，一般用户无法利用P码来进行导航定位，多用于军事导航领域。
　　3、导航信息:
　　导航信息被调制在L1载波上，其信号频率为50Hz，包含有GPS卫星的轨道参数、卫星钟改正数和其它一些系统参数。用户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。
　　1.3GPS系统应用
　　GPS系统的建立本意在于解决全球范围的导航定位问题，主要用于航海与军事方面。其优点是能实时提供点位坐标数据。在实际应用中，发现GPS存在巨大的潜力，促使人们进行了多方研究探索，围绕着精度、速度与实时性上，不断开拓、改进、完善。至今，GPS应用已进入了比较成熟的阶段。
　　GPS技术应用可以概括为以下两方面:
　　1、导航。
　　2、定位，包括变形监测。
　　2GPS测量方式
　　GPS定位的方法是多种多样的，用户可以根据不同的用途采用不同的定位方法。GPS定位方法可依据不同的分类标准，作如下划分:
　　1、根据定位所采用的观测量分为伪距定位和载波相位定位;
　　2、根据定位的模式分为绝对定位(单点定位)和相对定位(差分定位);
　　3、根据获取定位结果的时间分为实时定位和非实时定位;
　　4、根据定位时接收机的运动状态分为动态定位和静态定位。
　　对于GPS用于变形监测，为了获得高精度的测量结果，一般采取测相伪距静态相对定位，同时按照工程建筑物的重要性，确定是否需要进行实时的测量。
　　3GPS用于建筑物的变形监测
　　利用GPS进行建筑物的变形监测，还有两方面的问题鱼待确定:
　　1,GPS是否能够满足变形监测对于测量高精度的要求;
　　2、如果能够使用GPS对建筑物变形进行观测，监测方案如何实施。
　　以下就这两个问题进行说明。
　　3.1GPS用于建筑物变形的可行性
　　GPS测量能否用于变形监测，关键看它的测量精度是否能够达到对变形监测的要求。不同类型的工程建筑物，变形观测的精度要求差别也较大。典型的建筑物变形监测精度为lmm至l0mm。比如大坝变形观测精度，对于混凝土坝，水平位移为2mm，土坝则要大些，可以达到l0mm。这也就是说，只有GPS测量也能达到此精度，才能应用于实际的变形观测中。
　　实践证明，通过一定的技术手段，改进各类误差的模型，对监测点实行连续不断几个小时的载波相位相对定位观测，同时利用已经成熟的处理软件和IGS精密星历，可以使观测精度达到毫米级的要求。满足了对于变形监测的高精度要求。袁林果等人对高精度GPS变形监测中基线解算的精度分析研究表明：对于短基线(<1km)，其6-8小时解可达到约0.6mm（N），0.5mm（E)，1.8mm(U)的精度;在约5km的基线上，6-8小时解的定位精度可达1.6mm（N），1.0mm(E)，4.0mm（U）。其平面精度好于垂直精度，与通常认为的垂直精度一般为平面精度的2-3倍的结论一致。
　　黄人堂等人利用GPS在应县木塔变形监测网中的应用研究表明:通过内符合精度评定和外符合精度评定的结果说明，GPS成果按上述的技术指标实施监测，网平面点位误差可达到控制网设计精度±1.88mm的要求，高程监测精度可达±4mm。
　　加拿大的Libby水电站大坝上安装了一套3Dtracker实时GPS监测系统。这个监侧系统GPS实时观测得到的数据观测精度能达到lmm-2mm。这些数据与通过其它技术(包括铅垂线和裂缝计)观测得到的数据吻合得都非常好。
　　通过国内外目前对GPS系统的研究和应用，已知了可以通过相关软件的处理，使GPS系统测量的精度达到mm级，满足了对变形观测精度的要求。GPS可以应用于建筑物的变形监测。
　　3.2变形监测方案的实施
　　为了更好的完成变形监测任务，必须要有一个周详的变形监测方案。一般变形监测方案制定的主要内容有:监测内容的确定、监测精度的确定、监测部位和测点布置的确定以及监测周期的确定。
　　1.监测内容的确定。
　　根据不同监测工程的需要以及监测时间的不同，监测内容也不一样，必须具体问题具体分析。如对于桥梁变形监测，主要考虑的是其桥墩基础沉降、桥面水平位移和振动情况;对于水工建筑物中大坝的监测，如为土坝，则主要考虑的是其垂直位移;对于高层建筑物，在早期主要考虑的是其垂直位移，而在后期则主要考虑的是其水平位移;对于滑坡变形监测，则要考虑其在三维坐标上的位移。
　　2.监测精度的确定。
　　监测精度依据所监测的建筑物重要级别，参照相关规范来确定。
　　3.监测部位和监测点布置。
　　变形监测控制网包括平面控制网和高程控制网。由于变形监测的精度要求很高，须达到毫米级，所以控制点的建设也必须严格要求，否则测量出来的变形监测数据将没有任何意义。控制点包括两种，控制点和变形监测点。
　　控制点和监测点的选择，应顾全大局，保证整个网形的最优化设计。具体的布设控制网时，还应结合实际情况。基准点的多少则由监测的精度，必要性以及监测资金等决定。
　　控制点和监测点的布设，应按照所监测的主要内容来定，一般都设在变形比较有特征的位置上。控制点应布置在非常稳定基本没有变形的岩石上，而监测点则布置在变形量最突出的位置。如高层建筑物的变形监测，监测点一般布设在建筑物的最顶端;水工建筑中的大坝变形监测，如果比较关心的是坝体的水平位移和沉降，则可以把监测点设在坝体中段;如果比较关心的是坝体和两岸岩体的相对变形，则可以把监测点设在距离坝端较近的位置处;对于桥梁变形监测，如果关心的是垂直沉降位移，则可以把监测点设在桥墩的位置处;如果关心的是桥面的变形，则可以把监测点设在跨度最大的两个桥墩之间。2006年5月，我们利用GPS接收机对某市内的八一大桥桥面振动频率进行测量时，基准点的位置就设在两岸，监测点则设在斜拉桥上两个桥墩的中间。
　　4.监测周期的确定。
　　变形监测反映的是建筑物的变形趋势，而建筑物本身的变形趋势又是不断变化的，随着时间的推移，变化趋势也会不断改变。则希望在变化比较快的时候，进行高频率密集的变形监测;而在建筑物比较稳定的时候，只进行非常少的监测。通常在工程建筑物建成初期，变形的速度比较快，因此观测频率要大些;经过一段时间后，建筑物趋于稳定，就可以减小观测频率。
　　如水工建筑物中大坝的变形趋势，在早期，由于岩体受压而急剧变化，垂直位移和水平位移变化都比较快，对大坝的监测周期则较短，如半个月或几天;在后期，岩体基本趋于稳定，其监测的次数就可以减少，达到半年一次或一年一次;当然，变形监测周期的确定也受环境因素的影响，比如在枯水季节，水位变化慢，一般不会有问题发生，则可以减少测量次数;在丰水季节，库区内的水位变化很快，其安全监测的频率则应相应增大;有时为了防洪的需要，监测周期还会更短，甚至为几个小时。某大坝在1998年洪水季节对大坝进行了实时变形监测，监测周期为一小时，实时有效的为决策者提供了决策依据，使得荆江大堤不至于分洪，保住了大量的资金、人力和财力。有时为了符合某些特定要求，监测周期应做相应改变。如对于某大桥振动状态的监测，由于只需要了解桥面的振动情况，所以只做一次连续观测就可以达到观测要求。
　　结束语
　　本文首先对GPS进行了全面的概述，通过介绍，对GPS系统的组成、GPS卫星的信号结构以及系统的应用有了大致的了解。同时介绍了GPS测量方式。最后对对变形监测方案实施提出了一定的指导操作，包括监测内容的确定、监测精度的确定、监测点位置的确定以及变形观测频率的确定，使实际工作更加明确具体容易操作，解决了GPS系统用于变形监测会碰到的一些实际问题。
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