丁銳　牛少儒

【摘 要】GPS技術(shù)在建筑物變形監(jiān)測(cè)方面具有全自動(dòng)化、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的優(yōu)點(diǎn)，本文介紹了GPS在建筑物變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用，分析了GPS用于變形監(jiān)測(cè)的模式、方法和GPS測(cè)量的誤差來(lái)源。最后指出了GPS技術(shù)在實(shí)時(shí)變形監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用前景。

【關(guān)鍵詞】GPS；建筑物；變形監(jiān)測(cè)

1.引言

作為現(xiàn)代化城市建設(shè)的標(biāo)志，高層建筑和高聳構(gòu)筑物（如超高層大樓、大跨度橋梁、大型水壩等）不僅越來(lái)越多，而且造型日趨復(fù)雜。為保證安全，我們必須時(shí)刻監(jiān)測(cè)這些建筑并分析、掌握這些變形信息，以此來(lái)評(píng)估這些大型建筑的健康和運(yùn)營(yíng)狀況。GPS定位技術(shù)是一種新的測(cè)量技術(shù)，已逐漸在越來(lái)越多的領(lǐng)域取代了常規(guī)測(cè)量?jī)x器。隨著GPS接收機(jī)技術(shù)和軟件處理技術(shù)尤其是GPS衛(wèi)星信號(hào)解算精度的提高，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、高動(dòng)態(tài)、高精度的位移測(cè)量，為建筑物實(shí)時(shí)安全性監(jiān)測(cè)提供了條件。由于GPS測(cè)量具有高精度的三維定位能力，在變形監(jiān)測(cè)方面，與傳統(tǒng)方法相比較，應(yīng)用GPS不僅具有精度高、速度快、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，而且利用GPS技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)據(jù)通訊技術(shù)及數(shù)據(jù)處理與分析技術(shù)進(jìn)行集成，可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的目的。

2.GPS應(yīng)用于變形監(jiān)測(cè)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

（1）測(cè)站間無(wú)需保持通視。由于GPS定位時(shí)測(cè)站間無(wú)需保持通視，從而可使變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)的布設(shè)更為自由、方便，并可省去不少中間傳遞過(guò)渡點(diǎn)，節(jié)省大量費(fèi)用。

（2）能同時(shí)測(cè)定點(diǎn)的三維位移。采用傳統(tǒng)方法進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)時(shí)，水平位移和垂直位移是分別測(cè)定的，這不僅增加了工作量，而且監(jiān)測(cè)的時(shí)間和點(diǎn)位也不一定一致，從而增加了變形分析的難度。

（3）全天候觀測(cè)。GPS測(cè)量不受氣候條件的限制，在風(fēng)雪雨霧中仍能進(jìn)行正常觀測(cè)。配備防雷電設(shè)施后變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)就能實(shí)現(xiàn)全天候觀測(cè)。這一點(diǎn)對(duì)于防汛抗洪、滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)等應(yīng)用領(lǐng)域來(lái)講顯得特別重要。

（4）易于實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)的自動(dòng)化。由于GPS接收機(jī)的數(shù)據(jù)采集工作是自動(dòng)進(jìn)行的，而且又為用戶預(yù)留了必要的接口，故用戶可以較為方便地把GPS變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建成無(wú)人值守的自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)從數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理、分析、報(bào)警到入庫(kù)的全自動(dòng)化。

（5）可消除或削弱系統(tǒng)誤差的影響。在變形監(jiān)測(cè)中，接收機(jī)天線的對(duì)中誤差、整平誤差、定向誤差、量取天線高的誤差等并不會(huì)影響變形監(jiān)測(cè)的結(jié)果，只要天線在監(jiān)測(cè)過(guò)程中能保持固定不動(dòng)即可。同樣GPS變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)中的起始坐標(biāo)的誤差，數(shù)據(jù)處理中所用的定位軟件本身的不完善以及衛(wèi)星信號(hào)在大氣層中的傳播誤差（電離層延遲、對(duì)流層延遲、多路徑誤差等）中的公共部分的影響也可得以消除或削弱。

（6）可直接用大地高進(jìn)行垂直變形測(cè)量。在GPS測(cè)量中高程系統(tǒng)一直是一個(gè)棘手的問(wèn)題。因?yàn)镚PS定位只能測(cè)定大地高，在垂直位移監(jiān)測(cè)中我們關(guān)心的只是高程的變化，因而完全可以在大地高系統(tǒng)中進(jìn)行監(jiān)測(cè)。目前IGS提供的精密星歷足以保證大地高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，從而避免在高程系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換過(guò)程中精度的損失。

3.GPS應(yīng)用于變形監(jiān)測(cè)的模式和方法

GPS用于變形監(jiān)測(cè)的作業(yè)方式可劃分為周期性和連續(xù)性（Episodic and Continuous Mode）兩種模式。周期性變形監(jiān)測(cè)一般采用GPS靜態(tài)相對(duì)定位法進(jìn)行測(cè)量，數(shù)據(jù)處理與分析一般都是事后進(jìn)行的。GPS靜態(tài)相對(duì)定位數(shù)據(jù)處理技術(shù)目前已基本成熟。在周期性監(jiān)測(cè)方面，利用GPS技術(shù)的最大屏障還是變形基準(zhǔn)的選擇與確定，它已成為近幾年研究的熱點(diǎn)。

連續(xù)性變形監(jiān)測(cè)是指采用固定儀器進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的數(shù)據(jù)采集，獲得變形數(shù)據(jù)序列。根據(jù)變形體的不同特征，GPS連續(xù)性監(jiān)測(cè)可采用靜態(tài)相對(duì)定位和動(dòng)態(tài)相對(duì)定位兩種數(shù)據(jù)處理方法進(jìn)行觀測(cè)，一般要求變形響應(yīng)的實(shí)時(shí)性，它為數(shù)據(jù)解算和分析提出了更高的要求。比如，大壩在超水位蓄洪時(shí)就必須時(shí)刻監(jiān)視其變形狀況，要求監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)處理與分析能力。當(dāng)然，有的監(jiān)測(cè)對(duì)象雖然要求較高的時(shí)間采樣率，但是數(shù)據(jù)解算和分析可以是事后的。比如，橋梁的靜荷載、動(dòng)荷載試驗(yàn)和高層建筑物的振動(dòng)測(cè)量，其監(jiān)測(cè)的目的在于獲取變形信息，數(shù)據(jù)處理與分析可以是事后進(jìn)行的。

按監(jiān)測(cè)對(duì)象及要求不同， GPS在變形監(jiān)測(cè)中可選擇靜態(tài)測(cè)量法，快速靜態(tài)測(cè)量法和動(dòng)態(tài)測(cè)量法三種。

（1）靜態(tài)測(cè)量法：靜態(tài)測(cè)量法，就是把多于3臺(tái)GPS接收機(jī)同時(shí)安置在觀測(cè)點(diǎn)上同步觀測(cè)一定時(shí)段，一般為1小時(shí)至2小時(shí)不等，用邊連接方法構(gòu)網(wǎng)，用后處理軟件解算基線，經(jīng)平差計(jì)算求定觀測(cè)點(diǎn)三維坐標(biāo)。這種方法定位精度高，適用于長(zhǎng)邊，測(cè)邊相對(duì)精度可達(dá)10-9。

（2）快速靜態(tài)測(cè)量法：這種方法尤其適用于對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的觀測(cè)。其工作原理是：把兩臺(tái)GPS接收機(jī)安置在基準(zhǔn)點(diǎn)上固定不動(dòng)連續(xù)觀測(cè)，另1～4臺(tái)接收機(jī)在監(jiān)測(cè)點(diǎn)上移動(dòng)，每次觀測(cè)5～10分鐘（采樣間隔為2秒），經(jīng)事后處理，解算出各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，根據(jù)各次觀測(cè)解算出的三維坐標(biāo)精度為：水平位移±3～±5mm，垂直位移±5～±8mm。

（3）動(dòng)態(tài)測(cè)量法：該方法又分準(zhǔn)動(dòng)態(tài)測(cè)量方法和實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量法。實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量方法又叫RTK方法（Real Time Kinematics），是以載波相位觀測(cè)量為根據(jù)的實(shí)時(shí)差分GPS測(cè)量技術(shù)。其原理是：在基準(zhǔn)站上安置一臺(tái)GPS接收機(jī)，對(duì)所有可見(jiàn)GPS衛(wèi)星進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)，并將觀測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線電傳輸設(shè)備，實(shí)時(shí)地發(fā)送給在各監(jiān)測(cè)點(diǎn)上移動(dòng)觀測(cè)（1～3秒鐘）的GPS接收機(jī)，移動(dòng)GPS接收機(jī)在接收GPS信號(hào)的同時(shí)，通過(guò)無(wú)線電接收設(shè)備基準(zhǔn)的觀測(cè)數(shù)據(jù)，再根據(jù)差分定位原理，實(shí)時(shí)計(jì)算出監(jiān)測(cè)點(diǎn)三維坐標(biāo)及精度，精度可達(dá)2～5cm。

4.GPS變形監(jiān)測(cè)的誤差分析

影響GPS基線處理的因素有很多，比如衛(wèi)星星歷、對(duì)流層折射、電離層折射、多路徑效應(yīng)、基準(zhǔn)站坐標(biāo)、解算軟件、數(shù)學(xué)模型等。如果不能正確處理這些因素，將造成基線解算結(jié)果含有系統(tǒng)誤差，影響結(jié)果的精度。

（1）與衛(wèi)星有關(guān)的誤差。衛(wèi)星鐘的誤差會(huì)對(duì)偽碼測(cè)距和載波相位測(cè)量產(chǎn)生誤差，衛(wèi)星鐘偏差總量達(dá)lms，產(chǎn)生的等效距離誤差可達(dá)300km，因此必須對(duì)GPS衛(wèi)星鐘進(jìn)行鐘差改正。通過(guò)對(duì)觀測(cè)量的差分技術(shù)來(lái)進(jìn)行處理或是在相對(duì)定位中通過(guò)求取觀測(cè)量的單差來(lái)消除。

星歷誤差的大小主要取決于衛(wèi)星跟蹤系統(tǒng)的質(zhì)量，如跟蹤站的數(shù)量及空間分布，觀測(cè)值的數(shù)量及精度，軌道計(jì)算時(shí)所用的軌道模型及定軌軟件的完善程度等。對(duì)于基線不很長(zhǎng)，采用同步觀測(cè)求差，就可減弱衛(wèi)星軌道誤差的影響。對(duì)于長(zhǎng)基線、高精度相對(duì)定位，需要用精密星歷。

（2）與傳播路徑有關(guān)的誤差。電離層折射的影響。電磁波傳播延遲與傳播路徑上的電子總量有關(guān)，還與電磁波傳播到GPS天線的方位有關(guān)。水平方向比天頂方向延遲量最大可差3倍。

對(duì)流層折射的影響。對(duì)流層延遲主要與氣候、氣壓、溫度、濕度、和衛(wèi)星仰角有關(guān)。對(duì)于低仰角衛(wèi)星，對(duì)流層總延遲最大可達(dá)30m。

多路徑效應(yīng)影響。多路徑效應(yīng)的大小主要取決于反射物距測(cè)站的距離和反射物光滑程度及GPS衛(wèi)星信號(hào)的性質(zhì)等多種因素。選擇測(cè)站時(shí)，應(yīng)避免選擇在光滑物體較近的地點(diǎn)，如平靜水面，高層建筑附近，也避免在山坡、電磁場(chǎng)嚴(yán)重的地點(diǎn)。

（3）與接收機(jī)有關(guān)的誤差。觀測(cè)誤差主要與儀器的軟硬件有關(guān)，還跟天線的安置精度有關(guān)，即天線對(duì)中誤差、天線整半誤差及量取天線高誤差。所以在精密定位中，應(yīng)注意整平天線，仔細(xì)對(duì)中，最好采用強(qiáng)制對(duì)中。

接收機(jī)鐘差。如果衛(wèi)星鐘與地面接收機(jī)鐘同步誤差為l?s，引起的等效距離誤差為300m，這個(gè)誤差很大。

天線相位中心的位置偏差。GPS觀測(cè)時(shí)，相位中心的瞬時(shí)位置與理論上的相應(yīng)的相位中心是不一致的。天線相位中心的偏差對(duì)相對(duì)定位結(jié)果的影響，根據(jù)天線性能的好壞，可達(dá)數(shù)毫米甚至數(shù)厘米。所以對(duì)精密相對(duì)定位而言，這種影響是不容忽視的。

5.結(jié)語(yǔ)

雖說(shuō)GPS定位技術(shù)還有一些問(wèn)題需要解決，但是其應(yīng)用在在建筑物變形監(jiān)測(cè)中的還是具有明顯優(yōu)勢(shì)，它能準(zhǔn)確測(cè)定建筑物的日照變形、動(dòng)態(tài)變形和垂直度、高程偏差等，為建筑的變形觀測(cè)提供了一種全新的技術(shù)手段。隨著GPS技術(shù)的不斷提高，其在高層建筑、大橋、大壩等大型建筑實(shí)時(shí)變形監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用前景必將更加廣闊。

參考文獻(xiàn)：

[1]黃丁發(fā)，熊永良，袁林果. 全球定位系統(tǒng)（GPS）理論與實(shí)踐[M].南昌：西南交通大學(xué)出版社，2006.

[2]黃德武. GPS變形監(jiān)測(cè)中多路徑效應(yīng)影響研究[D].四川：西南交通大學(xué)，2005.

[3]趙宜行. GPS在高層建筑變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J].技術(shù)創(chuàng)新與管理，2009.