摘要：本文對GPS系統及GPS變形監測技術進行了全面的概述。包括GPS系統的組成、GPS衛星的信號結構、GPS定位原理、測量方式以及測量誤差等等。簡要論證了GPS變形監測的可行性。并對變形監測的方案實施進行了總結，提供了一定的指導操作。
　　關鍵詞：GPS；測量；變形監測
　　前言
　　GPS(全球定位系統)測量技術是近十年發展起來的新興的測量手段，利用GPS測量技術，可以有效的實現對于建筑物變形的監測，已經在越來越多的測繪工程領域中得到了應用，有著顯著的社會效益和經濟效益。
　　1全球定位系統(GPS)介紹
　　全球定位系統(GPS)系統是由美國國防部陸海空三軍在70年代聯合研制的新型衛星導航系統，它的英文名稱是“GlobalPositioningSystem"，簡稱GPS系統。
　　GPS系統研制歷時20年，耗資200億美元，于1994年全面建成，是具有在海、陸、空進行全方位實時三維導航與定位能力的新一代衛星導航與定位系統。目前，GPS作為新一代的衛星導航定位系統已在軍事、交通運輸、測繪、高精度授時及資源調查等領域中得到了廣泛的運用。
　　1.1GPS系統組成
　　GPS系統主要包括三大組成部分，即空間星座部分、地面監控部分和用戶設備部分。
　　1、空間星座部分
　　空間星座部分由21顆工作衛星和3顆在軌備用衛星組成。衛星均勻分布在6個軌道平面內，各個軌道平面之間交角60度。每個軌道平面內的各衛星之間的夾角為90度，任一軌道平面上的衛星比西邊相鄰軌道平面上的相應衛星超前30度。GPS衛星軌道平均高度約為202001cm運行周期為11h58min。地球上同一點的GPS接收機的上空，每天出現的GPS衛星分布圖形相同，只是每天提前約4min。同時，位于地平線以上的衛星數目，隨時間和地點的不同而差異，一般情況下用戶能同時觀測到6-8顆衛星，最少為4顆，最多為11顆。
　　GPS系統衛星分布如圖1所示:
　　
　　圖1GPS系統衛星分布圖
　　2、地面監控部分
　　GPS工作衛星的地面監控系統目前主要由分布在全球的1個主控站、3個信息注入站和5個監測站以及通信和輔助系統組成。每顆GPS衛星所播發的星歷，是由地面監控系統提供的。衛星上的各種設備是否正常工作，以及衛星是否一直沿著預定軌道運行，都要由地面設備進行監測和控制。
　　3、用戶設備部分
　　接收機硬件和機內軟件以及GPS數據的后處理軟件包，構成完整的GPS用戶設備。GPS信號接收機跟蹤衛星信號，并進行變換、放大和處理，實時地計算出觀測站的三維位置、速度和時間，最終實現利用GPS進行導航和定位的目的。
　　研究GPS在定位中的應用主要是該系統的用戶設備部分。
　　1.2GPS衛星信號結構
　　GPS衛星發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，它被調制在L1載波上。由于每顆衛星的C/A碼都不一樣，因此，經常用它們來區分每顆衛星。C/A碼是普通用戶用以測定測站到衛星間的距離的一種主要的信號。
　　2、P碼:
　　P碼又被稱為精碼，它同時被調制在L1和L2載波上，是l0MHz的偽隨機噪聲碼，其周期為七天，一般用戶無法利用P碼來進行導航定位，多用于軍事導航領域。
　　3、導航信息:
　　導航信息被調制在L1載波上，其信號頻率為50Hz，包含有GPS衛星的軌道參數、衛星鐘改正數和其它一些系統參數。用戶利用此導航信息來計算某一時刻GPS衛星在地球軌道上的位置，導航信息也被稱為廣播星歷。
　　1.3GPS系統應用
　　GPS系統的建立本意在于解決全球范圍的導航定位問題，主要用于航海與軍事方面。其優點是能實時提供點位坐標數據。在實際應用中，發現GPS存在巨大的潛力，促使人們進行了多方研究探索，圍繞著精度、速度與實時性上，不斷開拓、改進、完善。至今，GPS應用已進入了比較成熟的階段。
　　GPS技術應用可以概括為以下兩方面:
　　1、導航。
　　2、定位，包括變形監測。
　　2GPS測量方式
　　GPS定位的方法是多種多樣的，用戶可以根據不同的用途采用不同的定位方法。GPS定位方法可依據不同的分類標準，作如下劃分:
　　1、根據定位所采用的觀測量分為偽距定位和載波相位定位;
　　2、根據定位的模式分為絕對定位(單點定位)和相對定位(差分定位);
　　3、根據獲取定位結果的時間分為實時定位和非實時定位;
　　4、根據定位時接收機的運動狀態分為動態定位和靜態定位。
　　對于GPS用于變形監測，為了獲得高精度的測量結果，一般采取測相偽距靜態相對定位，同時按照工程建筑物的重要性，確定是否需要進行實時的測量。
　　3GPS用于建筑物的變形監測
　　利用GPS進行建筑物的變形監測，還有兩方面的問題魚待確定:
　　1,GPS是否能夠滿足變形監測對于測量高精度的要求;
　　2、如果能夠使用GPS對建筑物變形進行觀測，監測方案如何實施。
　　以下就這兩個問題進行說明。
　　3.1GPS用于建筑物變形的可行性
　　GPS測量能否用于變形監測，關鍵看它的測量精度是否能夠達到對變形監測的要求。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，可以達到l0mm。這也就是說，只有GPS測量也能達到此精度，才能應用于實際的變形觀測中。
　　實踐證明，通過一定的技術手段，改進各類誤差的模型，對監測點實行連續不斷幾個小時的載波相位相對定位觀測，同時利用已經成熟的處理軟件和IGS精密星歷，可以使觀測精度達到毫米級的要求。滿足了對于變形監測的高精度要求。袁林果等人對高精度GPS變形監測中基線解算的精度分析研究表明：對于短基線(<1km)，其6-8小時解可達到約0.6mm（N），0.5mm（E)，1.8mm(U)的精度;在約5km的基線上，6-8小時解的定位精度可達1.6mm（N），1.0mm(E)，4.0mm（U）。其平面精度好于垂直精度，與通常認為的垂直精度一般為平面精度的2-3倍的結論一致。
　　黃人堂等人利用GPS在應縣木塔變形監測網中的應用研究表明:通過內符合精度評定和外符合精度評定的結果說明，GPS成果按上述的技術指標實施監測，網平面點位誤差可達到控制網設計精度±1.88mm的要求，高程監測精度可達±4mm。
　　加拿大的Libby水電站大壩上安裝了一套3Dtracker實時GPS監測系統。這個監側系統GPS實時觀測得到的數據觀測精度能達到lmm-2mm。這些數據與通過其它技術(包括鉛垂線和裂縫計)觀測得到的數據吻合得都非常好。
　　通過國內外目前對GPS系統的研究和應用，已知了可以通過相關軟件的處理，使GPS系統測量的精度達到mm級，滿足了對變形觀測精度的要求。GPS可以應用于建筑物的變形監測。
　　3.2變形監測方案的實施
　　為了更好的完成變形監測任務，必須要有一個周詳的變形監測方案。一般變形監測方案制定的主要內容有:監測內容的確定、監測精度的確定、監測部位和測點布置的確定以及監測周期的確定。
　　1.監測內容的確定。
　　根據不同監測工程的需要以及監測時間的不同，監測內容也不一樣，必須具體問題具體分析。如對于橋梁變形監測，主要考慮的是其橋墩基礎沉降、橋面水平位移和振動情況;對于水工建筑物中大壩的監測，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;對于滑坡變形監測，則要考慮其在三維坐標上的位移。
　　2.監測精度的確定。
　　監測精度依據所監測的建筑物重要級別，參照相關規范來確定。
　　3.監測部位和監測點布置。
　　變形監測控制網包括平面控制網和高程控制網。由于變形監測的精度要求很高，須達到毫米級，所以控制點的建設也必須嚴格要求，否則測量出來的變形監測數據將沒有任何意義。控制點包括兩種，控制點和變形監測點。
　　控制點和監測點的選擇，應顧全大局，保證整個網形的最優化設計。具體的布設控制網時，還應結合實際情況。基準點的多少則由監測的精度，必要性以及監測資金等決定。
　　控制點和監測點的布設，應按照所監測的主要內容來定，一般都設在變形比較有特征的位置上。控制點應布置在非常穩定基本沒有變形的巖石上，而監測點則布置在變形量最突出的位置。如高層建筑物的變形監測，監測點一般布設在建筑物的最頂端;水工建筑中的大壩變形監測，如果比較關心的是壩體的水平位移和沉降，則可以把監測點設在壩體中段;如果比較關心的是壩體和兩岸巖體的相對變形，則可以把監測點設在距離壩端較近的位置處;對于橋梁變形監測，如果關心的是垂直沉降位移，則可以把監測點設在橋墩的位置處;如果關心的是橋面的變形，則可以把監測點設在跨度最大的兩個橋墩之間。2006年5月，我們利用GPS接收機對某市內的八一大橋橋面振動頻率進行測量時，基準點的位置就設在兩岸，監測點則設在斜拉橋上兩個橋墩的中間。
　　4.監測周期的確定。
　　變形監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，隨著時間的推移，變化趨勢也會不斷改變。則希望在變化比較快的時候，進行高頻率密集的變形監測;而在建筑物比較穩定的時候，只進行非常少的監測。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;經過一段時間后，建筑物趨于穩定，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，對大壩的監測周期則較短，如半個月或幾天;在后期，巖體基本趨于穩定，其監測的次數就可以減少，達到半年一次或一年一次;當然，變形監測周期的確定也受環境因素的影響，比如在枯水季節，水位變化慢，一般不會有問題發生，則可以減少測量次數;在豐水季節，庫區內的水位變化很快，其安全監測的頻率則應相應增大;有時為了防洪的需要，監測周期還會更短，甚至為幾個小時。某大壩在1998年洪水季節對大壩進行了實時變形監測，監測周期為一小時，實時有效的為決策者提供了決策依據，使得荊江大堤不至于分洪，保住了大量的資金、人力和財力。有時為了符合某些特定要求，監測周期應做相應改變。如對于某大橋振動狀態的監測，由于只需要了解橋面的振動情況，所以只做一次連續觀測就可以達到觀測要求。
　　結束語
　　本文首先對GPS進行了全面的概述，通過介紹，對GPS系統的組成、GPS衛星的信號結構以及系統的應用有了大致的了解。同時介紹了GPS測量方式。最后對對變形監測方案實施提出了一定的指導操作，包括監測內容的確定、監測精度的確定、監測點位置的確定以及變形觀測頻率的確定，使實際工作更加明確具體容易操作，解決了GPS系統用于變形監測會碰到的一些實際問題。
　　參考文獻
　　[1].李征航.黃勁松.GPS測量與數據處理.武漢:武漢大學出版社.2005:17-25.
　　[2].郭晨.李光宗.大氣激光準直自動化系統在監測大壩變形中的應用.大壩觀測與土工測試.1999.34-37.
　　[3].于成新等.數字攝影技術測量結構變形的應用探索.勘察科學技術.2001:49-53.
　　[5].高軍.趙運臣.隧道變形檢測新技術的應用研究.西部探礦工程.2001.74-76.