收藏︱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（ＧＰＳ）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GPS定位技术是一种很有前途的变形监测方法。
关键词：变形监测，全球定位系统(GPS)原理，应用实例
1 绪论
1.1概述
现实世界中许多灾害的发生与变形有着极为密切的联系, 例如地震、溃坝、滑坡以及桥梁的垮塌等等, 都是典型的变形破坏现象。因而, 变形监测研究在国内外受到了广泛的重视。随着各种大型建筑的大量涌现以及滑坡等地质灾害的频繁发生, 变形监测研究的重要性更加突出, 推动着变形监测理论和技术方法的迅发展。目前, 变形监测正向多门学科交叉联合的边缘学科方向发展, 成为相关学科的研究人员合作研究的领域。已有的研究工作涉及地壳形变、滑坡、大坝、桥梁、隧道、高层建筑、结构工程及矿区地面变形等。
近年来．随着科学技术的发展和人民生活水平的提高．人们对生产安全、生产效率的要求也越来越高。如果仍然使用传统测量方法，不仅工作量大。而且定位精度也很难达到要求。GPS全球定位系统作为一种全新的现代空间定位技术，逐渐取代了常规的光学和电子测量仪器。它以全天候、全球性、高精度、高速度、实时三维定位、误差不随定位时间而积累等优点博得了人们的青睐。目前．动态差分定位技术实现了实时导航和定位功能，高精密定位的相对精度可达10的负9次方。使得GPS的应用更加广泛。
1.2 研究意义
我国20世纪70年代河南板桥、石漫滩两座水库溃坝，给社会和人民带来极大灾难；20世纪90年代青海沟后水库溃坝，再次造成巨大损失。这3座水库溃坝事件，留下了让人们永远难忘的深刻教训。多年来，我国大、中型水电站大坝虽未发生溃坝失事，但重大工程事故却多次出现，个别装机容量较小的大坝，也曾溃决失事。现将1961至1998年之间，水电站大坝发生的21起事故。前事不忘，后事之师，认真分析这些事故的原因，从中吸取深刻教训，无疑是非常必要的。大多数事故与设计阶段的失误、施工过程遗留下的隐患、运行管理中的差错等因素有关。应强化设计、施工、运行全过程的风险意识和安全管理。对运行中的大坝要坚持实施定期检查，及时维修加固和改造，认真进行安全注册，严密制定汛期和低水位时的防范措施，加大科研力度和开展险情预计，以防止重大事故的突然发生。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导；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。另外，GPS技术还应用于地面、海上勘探平台及高层建筑物等的沉陷观测中。并实现在这些领域的中的实时监测，及时预报。
1.3 GPS变形监测技术背景
变形监测技术包括常规大地测量技术、特殊变形测量技术、摄影测量技术和GPS技术。在20世纪80年代以前,变形监测主要是采用常规大地测量和某些特殊测量技术。常规大地测量, 是采用经纬仪、水准仪、测距仪、全站仪等常规测量仪器测定点的变形值, 其优点是: 能够提供变形体整体的变形状态;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。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、准确、精细地监测与分析地壳运动方面起到了很大的作用。
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、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100～500km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300～1500m 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15～20min；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1～2min；动态相对定位测量时，流动站出发时观测1～2min，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、测速。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
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=154×10.23=157542MHz，波长为入1=19.032cm
L2载波：f2=120×10.23=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S1、S2、S3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p1、p2、p3。根据卫星星历可查到该时刻3颗卫星的三维坐标( Xj,Xj,Xj) , j= 1, 2, 3, 从而由下式解算出Q 点的三维坐标(X,Y,Z):
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，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ρ=c·△t=c·T 。
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：
（二）载波相位观测
GPS载波信号存在着两种频率的正弦波：
对卫星信号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）。
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，只能测到不足一整周的相位，因为载波是
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：
载波相位观测示意图（图5）：
图5：载波相位信号传播图
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。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外研究热点，并得到广泛应用。
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。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：
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200m～400m），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。
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4～5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。
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GPS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阶段。“3S”技术集成,可为分析、研究包括变形信息在内的各种灾变信息之间的相互关系提供技术支撑,特别是时态GIS(Temporal GIS，简称TGIS)技术的应用, 它可以描述四维空间的地质现象，除具有一般 GIS 的功能外，还能够记载研究区域内各种地质现象随时间的演绎过程，这对滑坡等地质灾害的监测预报具有非常重要的作用。因此，研究“3S”(集成变形监测系统, 也是变形监测技术的重要发展趋势之一。
（3）建立GPS与其他变形监测技术集成组合的综合变形监测系统
为克服GPS技术用于变形监测的不足和局限性, 根据变形监测的对象和目的, 将GPS与其他变形监测技术(如IN﹣SAR、摄影测量和特殊变形测量技术等) 集成组合形成综合变形监测系统，可实现不同监测技术之间的优势互补。例如，将GPS 与INSAR 集成组合成GPS/INS变形监测系统,可从离散点位测定进入到四维形变场( x, y, z, t) 的整体动态精确测定, 使GPS变形监测技术应用范围更加广阔。现在GPS等空间测地技术不仅可以应用于水库大坝及各种滑坡的精密外观形变监测, 而且已经用于研究板块运动、亚板块运动等问题, 这在过去是不敢想象的。GPS 等空间测地技术集成组合应用于大范围、整体性的地壳运动监测, 将使地壳形变观测在空间域的控制能力和分辨能力方面得到极大的提高, 这也为GPS等空间测地技术用于大型工程的变形监测带来了新的机遇, 为推进高精度变形监测的研究注入新的活力。
（4) 将小波分析理论用于GPS动态变形分析
为了克服经典Fourier分析不能描述信号时频特征的缺陷，可将小波变换用于GPS动态变形分析, 即利用小波变换的多分辨率特性，实现GPS动态监测数据的滤波、变形特征信息的提取以及不同变形频率的分离。通过小波变换提取变
形特征的研究工作已经起步，但尚未取得实质性的研究成果。在第21届国际大地测量与地球物理联合会( IUGG )大会上，国际大地测量协会( IAG )将小波理论及其应用（确定为大地测量新理论的研究方向之一。在1999年召开的第22届IUGG大会上，小波理论及其在大地测量和地球动力学中的应用（再次被IAG确定为GIV 分会(大地测量理论与方法)的新的研究课题。由此可见开展小波理论及其应用研究的重要性。小波分析为高精度变形特征提取提供了一种数学工具, 可解决其他方法无法解决的难题, 对非平稳信号消噪有着其他方法无法比拟的优点。因此, 小波分析理论在GPS动态变形监测的数据处理与分析方面将可发挥重要作用。
4. GPS变形监测数据分析原理
4.1 数据处理过程
GPS接受机接受到的大坝数据需要通过数据传输系统传输到软件部分进行预处理、基线解算和平差，其示意图如下(图6)：
图中第一步数据采集的是GPS接收机野外观测记录的原始观测数据，野外观测记录的同时用随机阮籍解算出测站点的位置和运动速度，提供导航服务。数据传输至基线解算一般是用随机软件（后处理软件）将接收机记录的数据传输到计算机，在计算机上进行预处理和基线解算。GPS网平差包括GPS基线向量网平差、GPS网与地面网联合平差等内容。整个数据处理过程可以建立数据库管理系统。
大多数的GPS接收机，采集的数据记录在接收机的内存模块上。数据传输是用专用电缆将接收机与计算机连接，并在后处理软件的菜单中选择传输数据选项后，便将观测数据传输至计算机，书记传输的同时进行数据分流，生成四个数据文件：载波相位和伪距观测值文件、星历参数文件、电离层参数和UTC参数文件、测站信息文件。
4.2 大坝自动化监测模型
针对高边坡在大型工程建设中的重要性和常规GPS监测方法在高边坡监测中无法克服的弱点问题，从系统的投入成本、自动化及可靠性角度考虑，提出了基于GPS技术、GPRS无线通讯与控制等技术的远程自动化高边坡安全监测系统。该系统实现了高危边坡现场监测数据的自动采集与无线传送至远程监控中心，并在远程监控中心自动完成数据的解算与分析。对于自然或人工边坡的形变监测，通常有常规监测和GPS监测两种方法。常由于高坝修筑在山区峡谷地带，范围大，气候复杂多变，每到雨季更有湿度大、雾气大的特点，使得常规的监测方法在雨季这样监测的重要时期不具备时效性。
根据上述，以大坝GPS自动化变形监测系统模型的建立作为例子来简要说明数据的采集和处理方法流程。
4.3 GPS变形监测实例
(一)概况
某大坝的现场分布情况：CG06、CG11是两个基准点，OP03、OP04、OP05是大坝体上的三个监测点。要在这座大坝上建立一个GPS网络系统，其实是组建一个小型局域网。其网络中心要设在电厂办公楼，具体流程是：每台工作站与GPS接收机相连，以便实时地将GPS接收机的观测数据实时地传到工作站上，然后经传输设备进入网络服务器，最后对实时观测的原始数据进行解算、分析。
（二）控制网的布设：
（1）了解控制测量的目的和收集资料
主要了解测区的地理位置、形状大小，今后发展远景，测量成果使用的精度要求，完成任务的期限以及生产上对控制点位置、密度的要求等。大坝变形测绘人员应到有关测绘业务及管理部门收集有关资料。如设计时需用的地形图(比例尺为1／1000～1／50000)，测区已有的控制成果，并到测区踏勘了解旧标石标架的保存情况，为确定布网方案、设计和施测做好一切准备工作。
（2）确定布网方案
根据控制成果今后的使用要求和已收集到的测量资料及拥有的仪器设备、技术力量等条件，确定布设控制网的方案。由于仅仅是对大坝所在区域相对于大坝外控制点的变形，因此布设成独立网；测量方法是GPS相对定位测量；是一次全面布设；是采用三度带投影。
图上设计宜在1:10000或1:25000的地形图上进行:首先展绘已知点、网；按照已定的布网方案从图上判断点与点之间是否彼此通视，由各点组成的图形能满足规范所规定的精度和其他要求，布在位置也应能满足使用要求。图上选点后，须到实地确定，是否切实可行，为了保证控制网精度和避免返工浪费，还应该估算控制网中推算元素的精度。
（3）编写技术设计说明书
编写技术设计的目的在于拟定大坝监测控制测量的实施计划，从整体规划上、技术上、组织上作出说明。
（4）造标埋石
确定了控制点的位置以后，须着手进行造标埋石工作，埋设的标石作为点的标志，建造的觇标作为观测时照准的目标，一切观测成果和点的坐标都归算到标石中心上。因此，标志点的选取一定要坚固，有效反应大坝的变形情况，并且还要选取大坝外的基准点，作为对大坝上标志点的对照。
（三）投影带的选取
此次控制网点均分布在101°~104°之间，靠近101°，选取3°带作为投影带。
为了避免投影误差，还可在WGS—84坐标系下进行测量、计算、比较和评定。
（四）测量规范
一般传统的监测网中需要分别设置平面控制网和高程控制网，但是有时测图网的精度和密度要求，需要同时获取标志点的三维坐标，观测要满足国家规范要求，一般是距离丈量相对误差不超过1/10000，测角误差不超过10分。为了保证整个建筑场地各部分高程的统一和精度要求以及高程测设的便利，采用GPS进行观测实施监测，
此大坝的点位分布图9：
此大坝共有5个标志点GC06、OP05、OP04、OP03、GC11，其中GC06、GC11两个基准点位于坝体之外，可认为是固定的，在没有较大的运动情况下，基本上可视为是坝体运动的参考点。OP05、OP04、OP03位于坝体上的特征点，通过监测这三个点的运动，可分析坝体的大致运动趋势。
4.4数据处理
处理数据的思路：总有两期对大坝的监测数据，在大坝整体位移不大、主要研究大坝控制网内标志点变化的情况下，可将坝体外的两个点视为基准点，对整个网进行整体基线解算和网平差，输出各个点的坐标及精度评定结果；然后以第一期观测的基准点GC06、GC11为固定点，利用第二期数据进基线解算和网平差，并对各个点的精度进行检核是否在控制的范围内，如果超出限差，需要对数据进行进一步的处理，然后同比第一期处理的OP05、OP04、OP03点的坐标进行对比，比较两期观测中，大坝总体的结构位移，从而对其稳定性进行分析。
每个观测时刻的观测卫星大于4颗，仪器采样间隔统一设置为10妙，天线采用脚架安置在点位垂线方向上，对中误差小于3mm，基座均整平，居中。接收机采集数据后转换为国际标准rinex格式，运行ashtech solutions后处理软件，建立新项目，定义坐标系统，输入中央子午线137°，比例因子是1，椭球是1984北京坐标系，导入renix格式数据，点击计算机键盘F5键，软件默认处理所以基线，共有10条基线，处理后的基线标准差值均小于限差，然后进行最小约束平差，平差后的基线向量的径向残差均小于限差，Network rel. Accuracy 显示通过。处理结果均小于限差。
（一）数据观测要求
外业观测作业中，为提高观测精度，采取了如下几个具体的措施：
1）卫星选择。同步观测的卫星不少于4 颗，且均匀分布在四个象限；
2）图形强度因子GDOP 值的选择。较小的GDOP值表明卫星星座与测站构成的几何图形较好， GDOP值越佳则意味着越能获得良好的观测成果，所以观测中选择的GDOP 值均在6以下；
3）量取天线高时，用三角板直接丈量到天线相位中心的参考点（ARP）。由于GPS 接收机自动化程度较高，且各测站间无需通视，在数据采集过程中，完全无需人员看守，所以大大减轻了监测人员的工作量。
（二）数据处理过程
安装ashtech solutions后处理软件包，双击图标打开软件，首先建立一个工程，显示出如下界面（图10）：
解算完毕，从网精度图上分析基线的精度，对精度较差的基线进行处理。以基线OP05—GC06为例，查看OP05—GC06基线的载波相位双差残差（carrier phase double differenced residuals），从中找出误差较大的时间段，进行有效的筛除，从而进一步提高GPS监测数据的高精度。其他残差图曲线基本平滑连续而且数值比较小，说明观测数据质量比较好，符合高精度滑坡变形监测的要求。
对第二期数据进行相同的方式进行处理：
将第一期观测的两基准点作为第二期观测的控制点，1954坐标系中平差结果如下（图12）：
(三）数据处理分析
经过ashtech solutions软件处理，可到两期观测的平差网点图和分别在WGS—84坐坐标系和1954北京坐标系下的包含基线向量、各点坐标及精度的报告，并对其进行对比，从而分析大坝变形。将两组数据用1954北京坐标系下的坐标表格对比：（注：差值是第一期与第二期之差）
将两组数据在WGS—84坐标系下进行比较：
（注：其差值是第一期和第二期之差）
通过上述两个图可分析得：两期观测中，第一期为自由控制网，第二期在第一期在北京1954坐标系中网平差结果的基础上以GC06、GC11为基准点进行约束控制网平差，可得两次观测中最大点的坐标差值不小于3mm，说明两次观测中，大坝标志点没有发生明显的变化，3mm是在对大坝进行采取一定救护措施的限差之内。
之所以在WGS—84坐标系中GC06、GC11两点的两期观测差值不为0，是因为标志点在WGS—84坐标系中向北京1954坐标系的投影过程中产生了误差，使得差值出现了不同程度的大小，此例也说明，在各坐标之间转换的时候，投影误差不可以忽略，由此而知，精度分析的时候，为减小误差，最好统一在WGS—84坐标系下进行解算、分析。
4.5结论
GPS技术以其全天候、高精度、高速度、实时三维定位、误差不随定位时间而积累、高动化等特点优于传统的测量技术,对于变形监测是一种非常有效的方法。特别是在大型工程中应用一机多天线监测系统,不但能大幅度降低成本,而且其精度不会降低,既提高了工作效率,又节省了大量的人力和物力。水电站大坝安全责任重于泰山。通过对以往事故的回顾和分析，说明在大坝设计、施工和运行过程中，任何失误和疏忽都将影响到大坝的风险度，都有可能铸成大祸，造成巨大损失，必须加强大坝设计、施工、运行全过程的安全管理。本文重点针对运行中大坝的安全问题，在总结10多年工作的基础上，运用GPS观测技术，作为确保大坝安全行之有效的重要措施，要坚定不移地继续贯彻下去，在本文研究基础上，还有很多需要研究的问题：
（1）对于使用GPS技术动态性监测的大坝，还需要更更多的监测内容，考虑的因素还要包括：水流、季节变化、重荷情况下的位移变化。
（2）必要时候，GPS技术中还需要进行实时观测，建立实时监测系统，通过对标志点的多次监测，来预测大坝的位移趋势，更加准确的预测。
通过广大运行管理和科技人员的不懈努力，来解决目前GPS技术监测大坝变形的过程中出现的各种关键性难题，逐步完善，逐步提升总体的发展水平，在未来我相信我国必将迅速成为坝工建设和运行管理最先进的国家之一。
（END）