对GPS测量的误差与在变形测量中的分析及讨论

中国地质大学（武汉）远程与继续教育学院毕业论文（设计）合肥函授站 教学站（点）2016 届测绘工程专业题 目 对 GPS 测量的误差与在变形测量中的分析及讨论班 号 学 生 吴恙 指导教师 高曼莉 2016 年 02 月 29 日中国地质大学（武汉）远程与继续教育学院毕业论文（设计）2论文原创性声明内容本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。毕业论文作者签名：吴恙 日期：2016 年 02 月 29 日中国地质大学（武汉）远程与继续教育学院毕业论文（设计）3摘 要GPS 空间定位技术是现代测量技术发展过程中的一个重要的里程碑，与常规光学和电子测量仪器相比，表现出了不可比拟的优越性。随着现代科学技术的发展和变形监测技术的进步，建筑物变形监测技术也在不断发展中日益完善和提高。GPS 定位技术以其实时、连续、高精度、速度快、自动化程度高和全天候观测等优势，在建筑物变形监测中发挥了极其重要的作用，得到了越来越广泛的应用。与此同时，GPS 定位技术在该领域的应用也存在一定的缺陷和局限性。因此本文通过搜集 GPS 技术及变形测量的相关文献资料并结合高层建筑基本状况，对课题展开论述。文章首先提出课题的研究背景和意义、文献研究综述、研究内容等基本情况；接着阐述 GPS 变形监测的优点、缺点等相关理论知识；最后从多路径效应和接收设备两大方面详细分析了高层建筑施工 GPS 测量的误差。关键词：变形测量；GPS 技术；误差分析；高层建筑中国地质大学（武汉）远程与继续教育学院毕业论文（设计）4AbstractThe body: Space of GPS positioning technology is the modern measuring technology in the development of an important milestone, compared with the conventional optical and electronic measuring instrument, show the incomparable superiority.With the development of modern science and technology and the progress of deformation monitoring technology, building deformation monitoring technology has been developing increasingly improve and improve.GPS positioning technology to real-time, continuous, high precision, fast speed, high degree of automation and the advantages of the all-weather observation, in the building deformation monitoring has played a very important role, has been more and more widely used.At the same time, the application of GPS technology in the field also exist some shortcomings and limitations.So in this paper, through collecting GPS technology and deformation measurement of related literature and combining the basic situation of high-rise buildings on the subject.This paper put forward the research background and significance, literature review, research content and so on basic situation;Then expounds the advantages and disadvantages of GPS deformation monitoring and related theoretical knowledge;The last two aspects from the multipath effect and receiving equipment of GPS measurement error of the high-rise building construction are analyzed in detail.Key words: deformation measurement;GPS technology;The error analysis.High-rise buildings中国地质大学（武汉）远程与继续教育学院毕业论文（设计）5目 录摘 要 .3一、 绪 论 .71.研究背景和意义 .72.文献研究综述 .73. 研究内容及方法 .8二、GPS 变形监测的特点 .81. 应用 GPS 进行变形监测的优点 .81.1 测站之间无需通视 .81.2 全天候观测 .81.3 自动化程度高 .81.4 高精度三维定位 .91.5 减少系统误差的影响 .91.6 抗干扰性能好、保密性强 .92.应用 GPS 进行变形监测存在的不足 .92.1 点位选择自由度相对较低 .92.2 变形监测条件差 .92.3 垂直位移监测精度不够 .102.4 函数关系复杂，误差来源多 .10三、高层建筑施工 GPS 测量多路径效应误差分析 .101.多路径效应误差 .101.1 反射波引起的多路径效应误差 .101.2 载波相位测量的多路径误差 .112.多路径效应误差的处理方法 .112.1 选择恰当测站点 .112.2 对接收机天线做适当处理 .11四、高层建筑施工 GPS 测量接收设备误差分析 .121.接收机钟误差分析 .121.1 接收机钟误差原因分析 .121.2 减少接收机钟误差的 .122.接收机位置误差分析 .122.1 接收机位置误差原因分析 .132.2 减少接收机位置误差方法 .133.天线相位中心位置的误差 .134.GPS 天线相位中心的偏差 .135.与信号传播有关的误差 .14结论 .15致谢 .16参考文献 .17中国地质大学（武汉）远程与继续教育学院毕业论文（设计）6对 GPS 测量的误差与在变形测量中的分析及讨论一、 绪 论1.研究背景和意义当今社会经济和科学技术发展日新月异，人们的生产和生活领域逐步扩大，各种高层建筑物、大型桥梁、地下建（构）筑物、水工建筑物等层出不穷，其安全问题受到政府和人民的普遍关注，变形监测更是一项必不可少的工作，因此，目前绝大部分的大型建筑物都实施了安全监测工作。变形监测的具体内容和方法，应根据建筑物或构筑物的性质以及地基基础的类型来确定。近年来，GPS 空间定位技术以其不可比拟的优越性在变形监测方面发挥了重要的作用，得到了广泛的应用，GPS 定位技术已逐步成为变形监测的新方式和有效手段，尤其在建筑物变形观测工作中发挥了重要作用。虽然 GPS 技术进行变形测量有许多优点，但也存在不少问题，因此本文对 GPS 变形监测其误差进行了探讨。2.文献研究综述国外利用 GPS 进行变形监测是从上个世纪 80 年代开始的，当时主要是进行地壳运动的 GPS 监测。Kijewski 等人进行了大量的静态试验，利用试验结果的统计特性来确定定位精度阀值 PQT，以此来区分动态情况下变形和内部噪声，随后又利用振动装置模拟动态情形，结果表明当变形在 2cm 以上时，GPS 就能够反应出变形特征，并且GPS 测量精度与振动频率无关。Park 等人利用 GPS 进行了超高层建筑水平位移、扭转位移的加速度计测量。首先利用固定点进行 GPS 水平测量精度测试，利用激光测距仪和加速度计进行对照，结果显示在振幅大于 1cm 时 GPS 测量结果与对照组结果非常吻合。我国在上个世纪 90 年代也开始布置 GPS 监测网进行地壳运动监测。随后由于 GPS 定位精度和接收机采样率的提高，人们开始将 GPS 应用到大型工程结构物的变形监测中，主要是针对大坝、大型桥梁和超高层建筑进行变形监测。李宏男等人利用采样率为 10Hz 的 RTK GPS 对一幢高 242m 的超高层大厦进行了动态监测，数据处理时采用三阶 Butterworth 高通滤波来降低观测噪声，利用频谱分析得到结构振动频率与采用有限元软件的计算结果非常接近。匡翠林等人利用 GPS 对香港一超高层建筑进行了长时间的动态监测，通过计算发现在位移较小的情况下，GPS 的测量结果受噪声影响大，利用小波分解可以很好的提取出大厦 2mm 的风致振动变形，并且利用GPS 提取出的建筑物动态响应与加速度计得到的动态响应一致。中国地质大学（武汉）远程与继续教育学院毕业论文（设计）73. 研究内容及方法本文主要运用文献资料的方法对课题展开论述，通过图书馆、互联网等渠道搜集GPS 技术及变形测量的相关文献资料并进行归纳整理，以此为论文的写作提供理论基础。主要内容包括四个部分：一是提出课题的研究背景和意义、文献研究综述、研究内容等基本情况；二是阐述 GPS 变形监测的优点、缺点、作业模式等相关理论知识；三是分析高层建筑施工 GPS 测量多路径效应的误差，四是分析高层建筑施工 GPS 测量接收设备误差。二、GPS 变形监测的特点1. 应用 GPS 进行变形监测的优点GPS 作为一种全新的、极具潜力的空间定位技术，在变形监测中得到了越来越广泛的应用和推广，与常规变形监测技术相比，其突出的优越性主要体现在以下几个方面：1.1 测站之间无需通视利用 GPS 进行定位时，对测站间的通视情况不作要求，只要测站信号接收良好、点位易于保存即可，因此 GPS 监测网在选点时更加灵活、方便，避免了常规测量中观测过渡点和转点的工作量1，减轻了劳动强度，提高了观测精度，测绘效益显著。1.2 全天候观测GPS 卫星星座由 24 颗卫星组成，均匀分布在 6 个轨道面上，在离地面 1 万 2 千公里的高空上，以 12 小时的周期环绕地球运行2。因此 GPS 用户可在一天内在任意时刻、在地面上的任意一点都可以同时观测到 4 颗以上的卫星，可全天候连续进行GPS 定位测量，不受气候条件的影响，即使在风雪雨雾的天气中也能进行正常工作，大大提高了监测效率，减少了外业工作强度，尤其对于滑坡、泥石流、防讯抗洪等自然地质灾害的监测工作，显示出了不可比拟的优越性。1.3 自动化程度高GPS 接收机能自动跟踪锁定卫星信号，自动实时地接收数据，而且还为用户预留了必要的接口，便于结合计算机技术建立形成无人值守的自动化监测系统，从而实现数据从采集、传输、处理、分析、报警到入库的自动化和实时化，这对于长期连续运行的变形监测系统具有十分重要的意义，缩短了观测周期，大大降低了监测成本，提高监测资料的可靠性以及用户对变形的响应能力。中国地质大学（武汉）远程与继续教育学院毕业论文（设计）81.4 高精度三维定位采用传统测量方法进行变形监测时，平面位移和垂直位移需分别处理，且监测的点位和时间也可能不一致，从而增加了工作量，加大了变形分析的难度。而 GPS 可同时精确测定测站点的平面位置和大地高，即一次性获得高精度的测站点的三维坐标，实现了监测时域、空域的严格统一，对进一步数据处理和变形分析具有重要作用3。1.5 减少系统误差的影响变形监测主要是根据大量长期变形监测的观测数据，计算出变形监测点在不同周期中坐标数据之间的差值，即形变量，而对于变形监测点的三维坐标不做要求。在监测数据处理与分析过程中，某些共同系统误差可能会直接影响到不同周期变形监测点的坐标值，但对形变量的影响却不大。因此在变形监测中，可以采用一定的方法对系统误差进行消除或削弱，就能保证变形监测的精度，减少各种因素对变形监测结果的影响4 。目前主要的系统误差来源及其消除方法，会在第二章中作详细的介绍。1.6 抗干扰性能好、保密性强利用 GPS 进行定位监测，实质是一种被动式导航定位，即用户设备不需要发射任何信号，只需单一地接收 GPS 卫星信号即可得到定位信息和导航数据。这种定位形式不仅可容纳用户数量多，而且隐蔽性好。此外，伪噪声码技术的应用使得数据的保密性和抗干扰性特别好5 。2.应用 GPS 进行变形监测存在的不足采用 GPS 技术进行变形监测工作，虽然具有不可比拟的优越性，但也存在一定的缺陷和局限性，其不足之处主要包括以下几个方面：2.1 点位选择自由度相对较低为保证 GPS 测量的正常进行和定位精度的需要，要求测站上空视野开阔且信号不受干扰，而监测点的位置通常是根据监测物的建筑结构和受力情况，或根据地质构造，通常布设在变形体中最能体现变形特征的位置上，从而根据变形数据的积累和变化，可直接反应变形体的形态特征及变形规律6，因此 GPS 监测点位选、择和变动的余地较小，为了兼顾数据采集和工程性质的需要，GPS 监测点所处的位置往往都不太理想。2.2 变形监测条件差在利用 GPS 进行工程变形监测时，监测环境通常都比较差，比如部分卫星同一被遮挡，视场过于狭窄，多路径误差影响较大等。例如在大现变形监测中，大现两侧的自然地理条件往往存在明显差异，从而导致大坝两侧的湿度、温度等大气状况差异中国地质大学（武汉）远程与继续教育学院毕业论文（设计）9较大，就会直接影响到对流层延迟改正的精度7。2.3 垂直位移监测精度不够根据部分 GPS 监测资料的分析结果表明，对于水平位移的监测精度比较高，但对于垂直位移的监测精度较低8，一般要比水平位移的监测精度低出两倍之多，因此在高精度的变形监测中，利用 GPS 很难同时精确测定变形体的水平位移和垂直位移。2.4 函数关系复杂，误差来源多GPS 系统中的基准站和监测站间的坐标差，是根据两站的卫星星历和载波相位观测值求得旳，函数关系复杂，计算量非常大，数据处理的难度较高9。在 GPS 变形监测过程中，误差种类非常多，对定位结果产生不同程度的影响，如时钟误差、星历误差、多路径效应、对流层和电离层延迟误差等10。在 GPS 数据处理过程中，还涉及整周模糊度的确定、选择合适的数据处理模型和周跳的探测及修复等诸多问题。其中任何一个环节处理不好，都将影响最终的监测精度。三、高层建筑施工 GPS 测量多路径效应误差分析在高层建筑施工 GPS 测量中，如果测站周围的反射物质所反射的卫星信号（反射波）进入接收机天线，便将与直接来自卫星的信号（直接波）产生干涉，从而使观测值偏离真值产生多路径误差。1.多路径效应误差1.1 反射波引起的多路径效应误差在工程测量中 GPS 天线接收到的信号是直射波和反射波产生干涉后的组合信号。反射物可以是地面、山坡、所施工的高层建筑及其临近的建筑物等。如图 1 所示，天线 A 同时收到来自卫星的直接信号 S 和经地面反射后的反射信号 S。显然这两种信号所经过的路径长度是不同的，反射信号多经过的路径长度称为程差，用表示，则：2Hsinz式中：H天线离反射面的高度；Z反射波与反射面间的夹角。反射波与直射波之间的相位延迟 为： /sin4z式中： 载波波长中国地质大学（武汉）远程与继续教育学院毕业论文（设计）10由于反射波一部分能量被反射面吸收，GPS 接收天线为右旋圆极化结构，也能抑制反射波，因此，反射波除了存在相位延迟外，信号强度一般也会减少。1.2 载波相位测量的多路径误差在 GPS 载波相位测量中，反射信号与直接信号经叠加后进入接收机，天线的