摘要：本文對GPS系統(tǒng)及GPS變形監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行了全面的概述。包括GPS系統(tǒng)的組成、GPS衛(wèi)星的信號結(jié)構(gòu)、GPS定位原理、測量方式以及測量誤差等等。簡要論證了GPS變形監(jiān)測的可行性。并對變形監(jiān)測的方案實(shí)施進(jìn)行了總結(jié)，提供了一定的指導(dǎo)操作。
　　關(guān)鍵詞：GPS；測量；變形監(jiān)測
　　前言
　　GPS(全球定位系統(tǒng))測量技術(shù)是近十年發(fā)展起來的新興的測量手段，利用GPS測量技術(shù)，可以有效的實(shí)現(xiàn)對于建筑物變形的監(jiān)測，已經(jīng)在越來越多的測繪工程領(lǐng)域中得到了應(yīng)用，有著顯著的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。
　　1全球定位系統(tǒng)(GPS)介紹
　　全球定位系統(tǒng)(GPS)系統(tǒng)是由美國國防部陸海空三軍在70年代聯(lián)合研制的新型衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，它的英文名稱是“GlobalPositioningSystem"，簡稱GPS系統(tǒng)。
　　GPS系統(tǒng)研制歷時(shí)20年，耗資200億美元，于1994年全面建成，是具有在海、陸、空進(jìn)行全方位實(shí)時(shí)三維導(dǎo)航與定位能力的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)。目前，GPS作為新一代的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)已在軍事、交通運(yùn)輸、測繪、高精度授時(shí)及資源調(diào)查等領(lǐng)域中得到了廣泛的運(yùn)用。
　　1.1GPS系統(tǒng)組成
　　GPS系統(tǒng)主要包括三大組成部分，即空間星座部分、地面監(jiān)控部分和用戶設(shè)備部分。
　　1、空間星座部分
　　空間星座部分由21顆工作衛(wèi)星和3顆在軌備用衛(wèi)星組成。衛(wèi)星均勻分布在6個(gè)軌道平面內(nèi)，各個(gè)軌道平面之間交角60度。每個(gè)軌道平面內(nèi)的各衛(wèi)星之間的夾角為90度，任一軌道平面上的衛(wèi)星比西邊相鄰軌道平面上的相應(yīng)衛(wèi)星超前30度。GPS衛(wèi)星軌道平均高度約為202001cm運(yùn)行周期為11h58min。地球上同一點(diǎn)的GPS接收機(jī)的上空，每天出現(xiàn)的GPS衛(wèi)星分布圖形相同，只是每天提前約4min。同時(shí)，位于地平線以上的衛(wèi)星數(shù)目，隨時(shí)間和地點(diǎn)的不同而差異，一般情況下用戶能同時(shí)觀測到6-8顆衛(wèi)星，最少為4顆，最多為11顆。
　　GPS系統(tǒng)衛(wèi)星分布如圖1所示:
　　
　　圖1GPS系統(tǒng)衛(wèi)星分布圖
　　2、地面監(jiān)控部分
　　GPS工作衛(wèi)星的地面監(jiān)控系統(tǒng)目前主要由分布在全球的1個(gè)主控站、3個(gè)信息注入站和5個(gè)監(jiān)測站以及通信和輔助系統(tǒng)組成。每顆GPS衛(wèi)星所播發(fā)的星歷，是由地面監(jiān)控系統(tǒng)提供的。衛(wèi)星上的各種設(shè)備是否正常工作，以及衛(wèi)星是否一直沿著預(yù)定軌道運(yùn)行，都要由地面設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測和控制。
　　3、用戶設(shè)備部分
　　接收機(jī)硬件和機(jī)內(nèi)軟件以及GPS數(shù)據(jù)的后處理軟件包，構(gòu)成完整的GPS用戶設(shè)備。GPS信號接收機(jī)跟蹤衛(wèi)星信號，并進(jìn)行變換、放大和處理，實(shí)時(shí)地計(jì)算出觀測站的三維位置、速度和時(shí)間，最終實(shí)現(xiàn)利用GPS進(jìn)行導(dǎo)航和定位的目的。
　　研究GPS在定位中的應(yīng)用主要是該系統(tǒng)的用戶設(shè)備部分。
　　1.2GPS衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)
　　GPS衛(wèi)星發(fā)射兩種頻率的載波信號，頻率為1575.42MHz的L1載波和頻率為1227.60MHz的L2載波，它們的頻率分別是基本頻率10.23MHz的154倍和120倍，它們的波長分別為19.03cm和24.42cm。在L1和L2上分別調(diào)制著多種信息。
　　這些信息主要有:
　　1、C/A碼:
　　C/A碼又被稱為粗捕獲碼，它被調(diào)制在L1載波上。由于每顆衛(wèi)星的C/A碼都不一樣，因此，經(jīng)常用它們來區(qū)分每顆衛(wèi)星。C/A碼是普通用戶用以測定測站到衛(wèi)星間的距離的一種主要的信號。
　　2、P碼:
　　P碼又被稱為精碼，它同時(shí)被調(diào)制在L1和L2載波上，是l0MHz的偽隨機(jī)噪聲碼，其周期為七天，一般用戶無法利用P碼來進(jìn)行導(dǎo)航定位，多用于軍事導(dǎo)航領(lǐng)域。
　　3、導(dǎo)航信息:
　　導(dǎo)航信息被調(diào)制在L1載波上，其信號頻率為50Hz，包含有GPS衛(wèi)星的軌道參數(shù)、衛(wèi)星鐘改正數(shù)和其它一些系統(tǒng)參數(shù)。用戶利用此導(dǎo)航信息來計(jì)算某一時(shí)刻GPS衛(wèi)星在地球軌道上的位置，導(dǎo)航信息也被稱為廣播星歷。
　　1.3GPS系統(tǒng)應(yīng)用
　　GPS系統(tǒng)的建立本意在于解決全球范圍的導(dǎo)航定位問題，主要用于航海與軍事方面。其優(yōu)點(diǎn)是能實(shí)時(shí)提供點(diǎn)位坐標(biāo)數(shù)據(jù)。在實(shí)際應(yīng)用中，發(fā)現(xiàn)GPS存在巨大的潛力，促使人們進(jìn)行了多方研究探索，圍繞著精度、速度與實(shí)時(shí)性上，不斷開拓、改進(jìn)、完善。至今，GPS應(yīng)用已進(jìn)入了比較成熟的階段。
　　GPS技術(shù)應(yīng)用可以概括為以下兩方面:
　　1、導(dǎo)航。
　　2、定位，包括變形監(jiān)測。
　　2GPS測量方式
　　GPS定位的方法是多種多樣的，用戶可以根據(jù)不同的用途采用不同的定位方法。GPS定位方法可依據(jù)不同的分類標(biāo)準(zhǔn)，作如下劃分:
　　1、根據(jù)定位所采用的觀測量分為偽距定位和載波相位定位;
　　2、根據(jù)定位的模式分為絕對定位(單點(diǎn)定位)和相對定位(差分定位);
　　3、根據(jù)獲取定位結(jié)果的時(shí)間分為實(shí)時(shí)定位和非實(shí)時(shí)定位;
　　4、根據(jù)定位時(shí)接收機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分為動(dòng)態(tài)定位和靜態(tài)定位。
　　對于GPS用于變形監(jiān)測，為了獲得高精度的測量結(jié)果，一般采取測相偽距靜態(tài)相對定位，同時(shí)按照工程建筑物的重要性，確定是否需要進(jìn)行實(shí)時(shí)的測量。
　　3GPS用于建筑物的變形監(jiān)測
　　利用GPS進(jìn)行建筑物的變形監(jiān)測，還有兩方面的問題魚待確定:
　　1,GPS是否能夠滿足變形監(jiān)測對于測量高精度的要求;
　　2、如果能夠使用GPS對建筑物變形進(jìn)行觀測，監(jiān)測方案如何實(shí)施。
　　以下就這兩個(gè)問題進(jìn)行說明。
　　3.1GPS用于建筑物變形的可行性
　　GPS測量能否用于變形監(jiān)測，關(guān)鍵看它的測量精度是否能夠達(dá)到對變形監(jiān)測的要求。不同類型的工程建筑物，變形觀測的精度要求差別也較大。典型的建筑物變形監(jiān)測精度為lmm至l0mm。比如大壩變形觀測精度，對于混凝土壩，水平位移為2mm，土壩則要大些，可以達(dá)到l0mm。這也就是說，只有GPS測量也能達(dá)到此精度，才能應(yīng)用于實(shí)際的變形觀測中。
　　實(shí)踐證明，通過一定的技術(shù)手段，改進(jìn)各類誤差的模型，對監(jiān)測點(diǎn)實(shí)行連續(xù)不斷幾個(gè)小時(shí)的載波相位相對定位觀測，同時(shí)利用已經(jīng)成熟的處理軟件和IGS精密星歷，可以使觀測精度達(dá)到毫米級的要求。滿足了對于變形監(jiān)測的高精度要求。袁林果等人對高精度GPS變形監(jiān)測中基線解算的精度分析研究表明：對于短基線(<1km)，其6-8小時(shí)解可達(dá)到約0.6mm（N），0.5mm（E)，1.8mm(U)的精度;在約5km的基線上，6-8小時(shí)解的定位精度可達(dá)1.6mm（N），1.0mm(E)，4.0mm（U）。其平面精度好于垂直精度，與通常認(rèn)為的垂直精度一般為平面精度的2-3倍的結(jié)論一致。
　　黃人堂等人利用GPS在應(yīng)縣木塔變形監(jiān)測網(wǎng)中的應(yīng)用研究表明:通過內(nèi)符合精度評定和外符合精度評定的結(jié)果說明，GPS成果按上述的技術(shù)指標(biāo)實(shí)施監(jiān)測，網(wǎng)平面點(diǎn)位誤差可達(dá)到控制網(wǎng)設(shè)計(jì)精度±1.88mm的要求，高程監(jiān)測精度可達(dá)±4mm。
　　加拿大的Libby水電站大壩上安裝了一套3Dtracker實(shí)時(shí)GPS監(jiān)測系統(tǒng)。這個(gè)監(jiān)側(cè)系統(tǒng)GPS實(shí)時(shí)觀測得到的數(shù)據(jù)觀測精度能達(dá)到lmm-2mm。這些數(shù)據(jù)與通過其它技術(shù)(包括鉛垂線和裂縫計(jì))觀測得到的數(shù)據(jù)吻合得都非常好。
　　通過國內(nèi)外目前對GPS系統(tǒng)的研究和應(yīng)用，已知了可以通過相關(guān)軟件的處理，使GPS系統(tǒng)測量的精度達(dá)到mm級，滿足了對變形觀測精度的要求。GPS可以應(yīng)用于建筑物的變形監(jiān)測。
　　3.2變形監(jiān)測方案的實(shí)施
　　為了更好的完成變形監(jiān)測任務(wù)，必須要有一個(gè)周詳?shù)淖冃伪O(jiān)測方案。一般變形監(jiān)測方案制定的主要內(nèi)容有:監(jiān)測內(nèi)容的確定、監(jiān)測精度的確定、監(jiān)測部位和測點(diǎn)布置的確定以及監(jiān)測周期的確定。
　　1.監(jiān)測內(nèi)容的確定。
　　根據(jù)不同監(jiān)測工程的需要以及監(jiān)測時(shí)間的不同，監(jiān)測內(nèi)容也不一樣，必須具體問題具體分析。如對于橋梁變形監(jiān)測，主要考慮的是其橋墩基礎(chǔ)沉降、橋面水平位移和振動(dòng)情況;對于水工建筑物中大壩的監(jiān)測，如為土壩，則主要考慮的是其垂直位移;對于高層建筑物，在早期主要考慮的是其垂直位移，而在后期則主要考慮的是其水平位移;對于滑坡變形監(jiān)測，則要考慮其在三維坐標(biāo)上的位移。
　　2.監(jiān)測精度的確定。
　　監(jiān)測精度依據(jù)所監(jiān)測的建筑物重要級別，參照相關(guān)規(guī)范來確定。
　　3.監(jiān)測部位和監(jiān)測點(diǎn)布置。
　　變形監(jiān)測控制網(wǎng)包括平面控制網(wǎng)和高程控制網(wǎng)。由于變形監(jiān)測的精度要求很高，須達(dá)到毫米級，所以控制點(diǎn)的建設(shè)也必須嚴(yán)格要求，否則測量出來的變形監(jiān)測數(shù)據(jù)將沒有任何意義。控制點(diǎn)包括兩種，控制點(diǎn)和變形監(jiān)測點(diǎn)。
　　控制點(diǎn)和監(jiān)測點(diǎn)的選擇，應(yīng)顧全大局，保證整個(gè)網(wǎng)形的最優(yōu)化設(shè)計(jì)。具體的布設(shè)控制網(wǎng)時(shí)，還應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況。基準(zhǔn)點(diǎn)的多少則由監(jiān)測的精度，必要性以及監(jiān)測資金等決定。
　　控制點(diǎn)和監(jiān)測點(diǎn)的布設(shè)，應(yīng)按照所監(jiān)測的主要內(nèi)容來定，一般都設(shè)在變形比較有特征的位置上。控制點(diǎn)應(yīng)布置在非常穩(wěn)定基本沒有變形的巖石上，而監(jiān)測點(diǎn)則布置在變形量最突出的位置。如高層建筑物的變形監(jiān)測，監(jiān)測點(diǎn)一般布設(shè)在建筑物的最頂端;水工建筑中的大壩變形監(jiān)測，如果比較關(guān)心的是壩體的水平位移和沉降，則可以把監(jiān)測點(diǎn)設(shè)在壩體中段;如果比較關(guān)心的是壩體和兩岸巖體的相對變形，則可以把監(jiān)測點(diǎn)設(shè)在距離壩端較近的位置處;對于橋梁變形監(jiān)測，如果關(guān)心的是垂直沉降位移，則可以把監(jiān)測點(diǎn)設(shè)在橋墩的位置處;如果關(guān)心的是橋面的變形，則可以把監(jiān)測點(diǎn)設(shè)在跨度最大的兩個(gè)橋墩之間。2006年5月，我們利用GPS接收機(jī)對某市內(nèi)的八一大橋橋面振動(dòng)頻率進(jìn)行測量時(shí)，基準(zhǔn)點(diǎn)的位置就設(shè)在兩岸，監(jiān)測點(diǎn)則設(shè)在斜拉橋上兩個(gè)橋墩的中間。
　　4.監(jiān)測周期的確定。
　　變形監(jiān)測反映的是建筑物的變形趨勢，而建筑物本身的變形趨勢又是不斷變化的，隨著時(shí)間的推移，變化趨勢也會(huì)不斷改變。則希望在變化比較快的時(shí)候，進(jìn)行高頻率密集的變形監(jiān)測;而在建筑物比較穩(wěn)定的時(shí)候，只進(jìn)行非常少的監(jiān)測。通常在工程建筑物建成初期，變形的速度比較快，因此觀測頻率要大些;經(jīng)過一段時(shí)間后，建筑物趨于穩(wěn)定，就可以減小觀測頻率。
　　如水工建筑物中大壩的變形趨勢，在早期，由于巖體受壓而急劇變化，垂直位移和水平位移變化都比較快，對大壩的監(jiān)測周期則較短，如半個(gè)月或幾天;在后期，巖體基本趨于穩(wěn)定，其監(jiān)測的次數(shù)就可以減少，達(dá)到半年一次或一年一次;當(dāng)然，變形監(jiān)測周期的確定也受環(huán)境因素的影響，比如在枯水季節(jié)，水位變化慢，一般不會(huì)有問題發(fā)生，則可以減少測量次數(shù);在豐水季節(jié)，庫區(qū)內(nèi)的水位變化很快，其安全監(jiān)測的頻率則應(yīng)相應(yīng)增大;有時(shí)為了防洪的需要，監(jiān)測周期還會(huì)更短，甚至為幾個(gè)小時(shí)。某大壩在1998年洪水季節(jié)對大壩進(jìn)行了實(shí)時(shí)變形監(jiān)測，監(jiān)測周期為一小時(shí)，實(shí)時(shí)有效的為決策者提供了決策依據(jù)，使得荊江大堤不至于分洪，保住了大量的資金、人力和財(cái)力。有時(shí)為了符合某些特定要求，監(jiān)測周期應(yīng)做相應(yīng)改變。如對于某大橋振動(dòng)狀態(tài)的監(jiān)測，由于只需要了解橋面的振動(dòng)情況，所以只做一次連續(xù)觀測就可以達(dá)到觀測要求。
　　結(jié)束語
　　本文首先對GPS進(jìn)行了全面的概述，通過介紹，對GPS系統(tǒng)的組成、GPS衛(wèi)星的信號結(jié)構(gòu)以及系統(tǒng)的應(yīng)用有了大致的了解。同時(shí)介紹了GPS測量方式。最后對對變形監(jiān)測方案實(shí)施提出了一定的指導(dǎo)操作，包括監(jiān)測內(nèi)容的確定、監(jiān)測精度的確定、監(jiān)測點(diǎn)位置的確定以及變形觀測頻率的確定，使實(shí)際工作更加明確具體容易操作，解決了GPS系統(tǒng)用于變形監(jiān)測會(huì)碰到的一些實(shí)際問題。
　　參考文獻(xiàn)
　　[1].李征航.黃勁松.GPS測量與數(shù)據(jù)處理.武漢:武漢大學(xué)出版社.2005:17-25.
　　[2].郭晨.李光宗.大氣激光準(zhǔn)直自動(dòng)化系統(tǒng)在監(jiān)測大壩變形中的應(yīng)用.大壩觀測與土工測試.1999.34-37.
　　[3].于成新等.數(shù)字?jǐn)z影技術(shù)測量結(jié)構(gòu)變形的應(yīng)用探索.勘察科學(xué)技術(shù).2001:49-53.
　　[5].高軍.趙運(yùn)臣.隧道變形檢測新技術(shù)的應(yīng)用研究.西部探礦工程.2001.74-76.