安徽理工大学毕业论文
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：全球定位系统(GPS)原理，变形监测，应用实例
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GPS DEFORMATION MONITORING PRINCIPLE AND
ITS APPLICATION
Abstract
Global Positioning System (GPS) has made a strong impact on many aspects of traditional geodesy and geodynamics due to its 24 hours availability, real-time, high precision, operability under all weather conditions and automation. At present, the GPS technology has been applied to varieties of deformation monitoring, such as subsiding of the earth’s surface in urban areas, deformation monitoring of the dams, deformation monitoring of bridges, monitoring for sliding slopes, tall buildings, mining areas, and so on. This article briefly describes the Global Positioning System (GPS) is composed of the basic principles of positioning, deformation monitoring network design, implementation and monitoring programs deformation monitoring error elimination methods. Finally, a GPS technology in dam deformation monitoring application example, the full description of the GPS positioning technology is a promising method for deformation monitoring.
KEYWORDS：Global Positioning System (GPS) principle，Deformation Monitoring，Application Examples
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目录
1 绪论.............................................................. 4
1.1概述......................................................... 4 1.2 研究意义 .................................................... 4 1.3 GPS变形监测技术背景......................................... 5 1.4 GPS在变形监测中的研究现状................................... 5 2 GPS基本原理 ...................................................... 8
2.1 GPS全球定位系统概述......................................... 8 2.2 GPS的特点................................................... 8 2.3 GPS系统的组成............................................... 9 2.4 GPS信号.................................................... 11 2.5 GPS定位原理................................................ 11 3.GPS在变形监测中的应用 ........................................... 16
3.1 变形监测 ................................................... 16 3.2 应用GPS进行变形监测的优缺点 ............................... 17 3.3 GPS变形监测模式............................................ 18 3.4 GPS变形监测网.............................................. 20 3.5 GPS应用于变形监测的发展趋势................................ 22 4. GPS变形监测数据分析原理 ........................................ 23
4.1 数据处理过程 ............................................... 23 4.2 大坝自动化监测模型 ......................................... 24 4.3 GPS变形监测实例............................................ 25 4.4数据处理.................................................... 27 参考文献........................................................... 33 谢辞............................................................... 34
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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?9。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
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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。 1.4 GPS在变形监测中的研究现状
