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【摘 要】 GPS全球定位系统以其精度高、速度快、全天候等优点，成为当今较先进的测量与监测仪器。本文简要地介绍了GPS定位原理，论述水利大坝变形监测中，以GPS基准网进行整体控制，快速提供大坝及建筑物安全状况评价的方法。
【关键词】 GPS;工作原理;变形监测
1 引言
随着我国经济的飞速发展，大型的水利工程（如大坝）基础工程也在不断建设，这些工程在防洪、发电、灌溉、供水和航运等方面发挥了巨大社会效益和经济效益，是我国国民经济的重要基础设施。而水利工程规模大、投资多，造价高，少则几亿、几十亿，多则几百亿，甚至上干亿。因此工程质量的好坏和能否安全运行，不仅会影响工程效益的充分发挥，还将直接关系到下游或两岸人民的生命财产安全。国内外大量工程实践表明，对水利工程进行全面的监测与监控，是保证工程安全运行的重要措施之一。同时将监测和监控资料及时反馈给施工、设计和运营管理部门，又可为提高水利工程的设计及运行管理水平提供可靠的科学依据。而GPS作为现代测量技术的代表，因具有精度高、不受气候条件及通视条件限制、高度自动化等优点，近年在水利工程变形监测领域发挥作用。
2 GPS工作原理
GPS系统是美国研发的卫星全球定位的系统，包含多种定位信息，作为定位的观测量，主要有两种：即测距码伪距单点定位和载波相位观测量。
2.1测距码伪距单点定位
测距码伪距单点定位，是采用测量码相位观测值的方法测定测站点到至少4颗卫星的距离以确定测站点位置的方法。码相位伪距测量是GPS接收机通过测量卫星发射信号与接收机接收到此信号之间的时间差△t，求得卫星接收机间得距离P1。。P1=△t·C，其中C为光速。
由于卫星钟的误差、接收机的误差以及无线电信号经过电离层和对流层中的延迟等，实际测出的距离P1与卫星到接收机真实距离P有误差。因此，一般P1称为伪距。
2.2载波相位观测[1]
载波相位观测，就是卫星到接收机之间的几何距离测定，是通过求定接收机产生的基准信号的相位与接受到卫星的载波信号的相位之差来实现的。由于载波的波长比码元的宽度短很多，所以测量精度比用码相位要高。目前大地型GPS接收机都采用载波相位测量。
载波相位观测方程：（1）;式中，为载波相位观测值;L为真空中的光速;K为载波频率;P为卫星至接收机的距离;为卫星信号通过电离层产生折射的改正;即为卫星信号通过对流层产生折射的改正;为接收机钟的改正;为卫星钟的改正;N为整周未知数。
载波相位定位方程：
设卫星坐标为Xs、Ys、Zs（可根据卫星信号计算出，为已知值），接收机（即测站）坐标为X、Y、Z（待求值），则：
（2）
设接收机（即测站）近似坐标为X0、Y0、ZO，其改正数为Vx、Vy、Vz，即有：
X=X0+Vx;Y=Y0+Vy;Z=ZO+Vz;（3）
设卫星信号从卫星至接收机传播时间为△t，将（2）、（3）式代入（1）式，并将P在（X0、Y0、ZO）上用泰勒级数展开，经线性化后得：
△t1-
△（4）
式中Vx、Vy、Vz、Vt1为未知数（因卫星上装有高精度的绝钟，故Vt2可求出，而接收机上不可能安装铯钟，故将Vt1作为未知数），当观测4颗卫星的信号，即可求解出这四个未知数，从而可求出测站点的三维坐标，完成定位。这就是GPS观测时，观测的卫星数≥4的原因。
3 工程实例
3.1工程概括
某水利建筑物主要由主坝、副坝、重力坝、正常溢洪道、非常溢洪道、新增非常溢洪道、灵正渠涵管及电站组成。自水库水坝建成后，变形观测系统一直没有完善，部分建筑物只间断性地进行了垂直位移观测。由于这些数据不连续，经历洪水时，无法正确判定大坝的运行状况，给决策和调度带来盲目性。随着大坝除险加固工程的开展，坝体上的原有监测点将全部报废，因此建立完善的大坝变形监测系统，对各建筑物重点部位进行变形监测，准确掌握大坝的运行规律，对于科学地进行水库调度非常必要。
3.2变形监测点布设
大坝表面变形监测系统由基准点、工作基点和变形监测点组成。监测部位为主坝、副坝、重力坝、正常溢洪道、非常溢洪道、新增非常溢洪道，见表1。
表1 变形监测点布设统计
工程部位 表面变形监测点 工作基点
水平位移 垂直位移 水平位移 垂直位移
主坝 27 27 7
副坝 33 33 11 4
重力坝 6
正常溢洪道 9 8 2 1
新增非常溢洪道 6 6 2
非常溢洪道 6 21 2 1
基准点是大坝表面变形监测系统的基础，点位布设必须保证坚固和稳定，并且在变形区以外，水平位移监测网由3点组成，点名分别为GPS01、GPS02、GPS03，大致分布在大坝左、中、右3个位置，达到以最少的点位数量获得最佳控制精度的基准网。
3.3大坝表面水平变形监测
使用Trimble双频GPS接收机，监测网坐标采用WGS84坐标系统。将GPS01，GPS02，GPS03三个基准点的首期数据的无约束平差坐标固定，作为变形监测基准网零数据[2]。
（1）观测时段确定
时段观测时间采用60min。
（2）观测网形确定
将基准点、工作基点、校核基点以及主、副坝监测断面坝顶上的变形点一并纳入主网统一观测。为提高GPS网的精度与可靠性，GPS点间构成尽量多地由GPS独立边组成异步环，使GPS网有足够的多余观测，平均每点设站2～3次。
3.4水平位移监测分析
（1）基准网稳定性分析
在变形监测中，基准网的稳定性是非常重要的，只有基准网稳定，才能准确测定大坝监测点的位移情况。通过对基准网复测、变化量统计，得出GPS03变化量最大，为3.89mm。采用单点稳定性检验的方法（t检验法），取显著水平为0.05，对水平位移基准网稳定性进行检验，计算得t<FA/2，判断水平位移基准网各点不存在显著性位移，处于稳定状态，且观测精度小于专三级平面控制网规定的±5mm指标。
（2）监测点位移稳定性分析
为客观掌握大坝上各监测点位移情况，在确定各期观测精度一致的前提下，采用t检验法对水平位移监测点进行单点稳定性检验，在95%置信水平下，主、副坝上有部分水平位移监测点存在显著性位移，每期有20个点左右，约占总测点数的1/3，各期平均位移量在3mm左右，有时出现整体变形峰值，有时出现变形回落现象，这种波动性变形，符合大坝的正常变形规律。
通过对监测数据的位移显著性分析，部分测点虽然存在变形的显著性，但这并不意味着大坝存在潜在的危险。大坝的变形规律是：在第一次蓄水后的最初几年，存在着不可逆转的时效变形，以后主要受水位和气温的影响，呈近似正弦曲线的规律而做周期变化。具体实测值则与坝型、坝高、坝的刚度、监测部位、水位和气温年变化幅值等一系列因素有关。《混凝土坝安全监测技术规范》中明确了不可逆的时效变形量值，坝顶水平位移10～20mm。到目前监测结果来看，大坝及其建筑物位移均在安全变形范围内，整体处于稳定状态。
4 结语
GPS技术在水利变形监测网的应用，提高了工作效率，操作简单，节省了人力，且全天候监测，观测进度和精度都符合要求，达到了以最有效的监测方案获取最可靠的监测数据的目的。监测结果表明，大坝及其建筑物整体处于安全稳定状态。
参考文献：
[1]徐绍铨等.GPS测量原理及应用[M].武汉，武汉测绘科技大学出版社，1998.10
[2]徐绍铨，李征航等.隔河岩大坝外观变形GPS自动化监测系统的建立.武汉测绘科技大学学报，1998年9月，23卷增刊
【关键词】 GPS;工作原理;变形监测
1 引言
随着我国经济的飞速发展，大型的水利工程（如大坝）基础工程也在不断建设，这些工程在防洪、发电、灌溉、供水和航运等方面发挥了巨大社会效益和经济效益，是我国国民经济的重要基础设施。而水利工程规模大、投资多，造价高，少则几亿、几十亿，多则几百亿，甚至上干亿。因此工程质量的好坏和能否安全运行，不仅会影响工程效益的充分发挥，还将直接关系到下游或两岸人民的生命财产安全。国内外大量工程实践表明，对水利工程进行全面的监测与监控，是保证工程安全运行的重要措施之一。同时将监测和监控资料及时反馈给施工、设计和运营管理部门，又可为提高水利工程的设计及运行管理水平提供可靠的科学依据。而GPS作为现代测量技术的代表，因具有精度高、不受气候条件及通视条件限制、高度自动化等优点，近年在水利工程变形监测领域发挥作用。
2 GPS工作原理
GPS系统是美国研发的卫星全球定位的系统，包含多种定位信息，作为定位的观测量，主要有两种：即测距码伪距单点定位和载波相位观测量。
2.1测距码伪距单点定位
测距码伪距单点定位，是采用测量码相位观测值的方法测定测站点到至少4颗卫星的距离以确定测站点位置的方法。码相位伪距测量是GPS接收机通过测量卫星发射信号与接收机接收到此信号之间的时间差△t，求得卫星接收机间得距离P1。。P1=△t·C，其中C为光速。
由于卫星钟的误差、接收机的误差以及无线电信号经过电离层和对流层中的延迟等，实际测出的距离P1与卫星到接收机真实距离P有误差。因此，一般P1称为伪距。
2.2载波相位观测[1]
载波相位观测，就是卫星到接收机之间的几何距离测定，是通过求定接收机产生的基准信号的相位与接受到卫星的载波信号的相位之差来实现的。由于载波的波长比码元的宽度短很多，所以测量精度比用码相位要高。目前大地型GPS接收机都采用载波相位测量。
载波相位观测方程：（1）;式中，为载波相位观测值;L为真空中的光速;K为载波频率;P为卫星至接收机的距离;为卫星信号通过电离层产生折射的改正;即为卫星信号通过对流层产生折射的改正;为接收机钟的改正;为卫星钟的改正;N为整周未知数。
载波相位定位方程：
设卫星坐标为Xs、Ys、Zs（可根据卫星信号计算出，为已知值），接收机（即测站）坐标为X、Y、Z（待求值），则：
（2）
设接收机（即测站）近似坐标为X0、Y0、ZO，其改正数为Vx、Vy、Vz，即有：
X=X0+Vx;Y=Y0+Vy;Z=ZO+Vz;（3）
设卫星信号从卫星至接收机传播时间为△t，将（2）、（3）式代入（1）式，并将P在（X0、Y0、ZO）上用泰勒级数展开，经线性化后得：
△t1-
△（4）
式中Vx、Vy、Vz、Vt1为未知数（因卫星上装有高精度的绝钟，故Vt2可求出，而接收机上不可能安装铯钟，故将Vt1作为未知数），当观测4颗卫星的信号，即可求解出这四个未知数，从而可求出测站点的三维坐标，完成定位。这就是GPS观测时，观测的卫星数≥4的原因。
3 工程实例
3.1工程概括
某水利建筑物主要由主坝、副坝、重力坝、正常溢洪道、非常溢洪道、新增非常溢洪道、灵正渠涵管及电站组成。自水库水坝建成后，变形观测系统一直没有完善，部分建筑物只间断性地进行了垂直位移观测。由于这些数据不连续，经历洪水时，无法正确判定大坝的运行状况，给决策和调度带来盲目性。随着大坝除险加固工程的开展，坝体上的原有监测点将全部报废，因此建立完善的大坝变形监测系统，对各建筑物重点部位进行变形监测，准确掌握大坝的运行规律，对于科学地进行水库调度非常必要。
3.2变形监测点布设
大坝表面变形监测系统由基准点、工作基点和变形监测点组成。监测部位为主坝、副坝、重力坝、正常溢洪道、非常溢洪道、新增非常溢洪道，见表1。
表1 变形监测点布设统计
工程部位 表面变形监测点 工作基点
水平位移 垂直位移 水平位移 垂直位移
主坝 27 27 7
副坝 33 33 11 4
重力坝 6
正常溢洪道 9 8 2 1
新增非常溢洪道 6 6 2
非常溢洪道 6 21 2 1
基准点是大坝表面变形监测系统的基础，点位布设必须保证坚固和稳定，并且在变形区以外，水平位移监测网由3点组成，点名分别为GPS01、GPS02、GPS03，大致分布在大坝左、中、右3个位置，达到以最少的点位数量获得最佳控制精度的基准网。
3.3大坝表面水平变形监测
使用Trimble双频GPS接收机，监测网坐标采用WGS84坐标系统。将GPS01，GPS02，GPS03三个基准点的首期数据的无约束平差坐标固定，作为变形监测基准网零数据[2]。
（1）观测时段确定
时段观测时间采用60min。
（2）观测网形确定
将基准点、工作基点、校核基点以及主、副坝监测断面坝顶上的变形点一并纳入主网统一观测。为提高GPS网的精度与可靠性，GPS点间构成尽量多地由GPS独立边组成异步环，使GPS网有足够的多余观测，平均每点设站2～3次。
3.4水平位移监测分析
（1）基准网稳定性分析
在变形监测中，基准网的稳定性是非常重要的，只有基准网稳定，才能准确测定大坝监测点的位移情况。通过对基准网复测、变化量统计，得出GPS03变化量最大，为3.89mm。采用单点稳定性检验的方法（t检验法），取显著水平为0.05，对水平位移基准网稳定性进行检验，计算得t<FA/2，判断水平位移基准网各点不存在显著性位移，处于稳定状态，且观测精度小于专三级平面控制网规定的±5mm指标。
（2）监测点位移稳定性分析
为客观掌握大坝上各监测点位移情况，在确定各期观测精度一致的前提下，采用t检验法对水平位移监测点进行单点稳定性检验，在95%置信水平下，主、副坝上有部分水平位移监测点存在显著性位移，每期有20个点左右，约占总测点数的1/3，各期平均位移量在3mm左右，有时出现整体变形峰值，有时出现变形回落现象，这种波动性变形，符合大坝的正常变形规律。
通过对监测数据的位移显著性分析，部分测点虽然存在变形的显著性，但这并不意味着大坝存在潜在的危险。大坝的变形规律是：在第一次蓄水后的最初几年，存在着不可逆转的时效变形，以后主要受水位和气温的影响，呈近似正弦曲线的规律而做周期变化。具体实测值则与坝型、坝高、坝的刚度、监测部位、水位和气温年变化幅值等一系列因素有关。《混凝土坝安全监测技术规范》中明确了不可逆的时效变形量值，坝顶水平位移10～20mm。到目前监测结果来看，大坝及其建筑物位移均在安全变形范围内，整体处于稳定状态。
4 结语
GPS技术在水利变形监测网的应用，提高了工作效率，操作简单，节省了人力，且全天候监测，观测进度和精度都符合要求，达到了以最有效的监测方案获取最可靠的监测数据的目的。监测结果表明，大坝及其建筑物整体处于安全稳定状态。
参考文献：
[1]徐绍铨等.GPS测量原理及应用[M].武汉，武汉测绘科技大学出版社，1998.10
[2]徐绍铨，李征航等.隔河岩大坝外观变形GPS自动化监测系统的建立.武汉测绘科技大学学报，1998年9月，23卷增刊