GPS在建筑物变形监测中应用

传统的测量方法很难实现对高层建筑物变形的精确监测。本文介绍了GPS的组成和定位原理，并指出了应用GPS在进行建筑物变形监测时的监测网的设计、实施以及误差的消除方法。

高层建筑物的沉降是其变形的重要方式之一，对其变形观察来说，如果一味沿用传统的测量方法很难实现较高的精度要求，而且其工作量也很大[1]。GPS是一种全新的全球空间定位系统，具有传统观测方法不可比拟的优势，现已逐步在建筑物的沉降变形观测方面得以应用，引起了业内人士的广泛关注。

1、GPS组成概述

GPS系统由GPS卫星、地面分区域的监控单位以及带有GPS接收天线的用户端三部分组成，其监测功能就是通过有机整合三方面的功能而得以实现的。

1.1空间星座部分

GPS的工作卫星一共有21颗，另外还包括3颗备用卫星。所有卫星组成了一个可以全将地球表面覆盖的卫星网络，我们通常把这个卫星网络称其为(21+3)GPS星座。同时，所以卫星均匀分布在6个近似圆形的轨道平面，与地球赤道成55夹角，距地表平均高度为20200km，以上的分布其设计目的是确保任何时候在地球的任何位置都能至少看到其中的4颗。

1.2地面监控部分

地面监控系统的组成包括1个设置在美国本土的主控站，3个分设在大西洋、印度洋和太平洋美国空军基地的注入站，另外的5个监测站除了一个被单独设置在夏威夷，其余均位于各主控与注入站上。

1.3用户端部分

即为GPS信号接收机，其作用主要是跟踪、接收、变换和放大GPS卫星所发射的信号，再根据传播时间和解译内容来模拟监测物的三维数据。

2、GPS的定位原理

GPS的定位原理是以无线电传播理论作为其基础的，在用户端，一旦接收设备收到空间卫星发出的信号，即可计算出信号的延迟时间和卫星的延迟相位。通常把计算出的卫星到接收设备端的距离称做伪距，进一步修正参数做误差处理，就能达到定位的目的。目前GPS的定位方法可分为距离定位和双曲线定位。

2.1距离定位法

现将已明确位置的三颗卫星设定为S1、S2和S3，将接收设备所在的位置设定为P，P点即是未知坐标点。通过无线电传播的理论，可分别计算出S1、S2、S3到接收天线P点的距离，再通过公式则可计算出P点的具体坐标。形象一点来说，若分别S1、S2、S3为圆心，以PS1、PS2、PS3距离为半径做3个圆，此3圆的交汇点即是接收天线P的位置，实际监测中还会涉及到经度、纬度、高度和时间等空间多维方面的因素。

2.2双曲线定位法

将已明确位置的四颗卫星设定为S1、S2、S3和S4，将接收设备所在的位置设定为P，P点即是未知坐标点。将测量出的P点到两已经卫星的距离设置为D，那么D=︱SiP︱x︱SjP︱。(i≠j)，而后则可把Si和Sj作为焦点并以D作焦距绘制3组空间曲面，P点的空间坐标便可由以上3组曲面的交汇点得出。由于此种定位方法涉及到3个距离差值，所以参与观测的GPS卫星数量至少要保证有4个或以上。

3、GPS的变形监测网设计

《全球定位系统GPS测量规范(规程)》是所有GPS运用都必须符合的基本准则，所以将其应用在建筑物的变形监测方面也不例外。此外，建筑物变形监测的误差一般应小于允许变形值的1/20～1/10[2]。GPS观测的方式是三维坐标且容易受到各方面因素的干扰，所以，为了使变形监测在可靠性方面得到保障，必须合理设计基准点的位置和数量，测量用固定基准点至少得保证有三个，根据精度的要求，可以增加到三个以上;布置基准点的位置应该尽量避开大功率电台、高压线、高大建筑物、大面积的水域诸如此类的地方，就建筑而言，其埋设点需尽量不受到建筑变形的影响，同时还要保证不妨碍施工和更便于观测。对于监测点，应该选择有代表性的变形敏感部位，使能及时监测出建筑物的变形情况。

观测方案对GPS变形监测网的精度起决定性作用。其观测方案的确立可以从以下几个方面来做出衡量：⑴选择适当的坐标系统：综合考虑地理位置、经济条件和精度要求等，尽量选择高精度的控制点和基站。如果精度标准不能从硬件上做到最理想化，就应该考虑多在观测数据的处理方面努力，如进行以首期基准点为基础数据的平差处理。另外在选择不同的坐标系的时候必须注意坐标转换的问题。⑵GPS变形检测网的图形设计：实践证明，在观测条件固定不变的情况下，GPS网的精度在很大程度上受图形的制约，通常采用边连式的网形结构，另外需遵循以下及方面的原则：①需确保至少两条基线连接一个测量点，勿有支点出现;②平差图形需选择精度更高的基线;③参与平差的闭合环需尽量选择比核查较小者。⑶观测频率和时长设计：根据GPS定位的基本原理，为了提高监测的精度，总体来说，应当选择最佳卫星分布且卫星最多的时段，如果能在相同或者相似的分布状态更好。

4、GPS的变形监测方案实现

4.1 监测精度的确定

常用高层建筑地基的允许变形值的行业标准，可为相应建筑物的实际允许变形量提供理论依据，然后再结合实际情况就可以制定出科学合理监测精度 [3];另外还可把建筑物的重要级别来作为确定其精度监测的参考标准。

4.2 如何设计监测点位

变形观测点是一个多点联合观测的组网系统，其工作方式是基准点和监测点的配合运用，基准点又包括稳定基准点和工作基点，其作用各有不同。基准点一般埋设在变形影响范围以外或基岩上以保证其稳定性，埋设点不宜过远或过近，远会增加误差近则影响稳定。另外，在基准点和监测点之间一般设有工作基点，基准点和工作基点共同构成的变形网不仅给测量工作带来方便，而且提高了稳定性。

监测点布置设计要充分考虑该建筑物的基础类型、整体结构外形、荷载变化和等多方面的因素，其总体原则是要保证能够及时反应高层建筑的沉降状况，最好选择在建筑物最容易在外力作用下导致变形且变形特征比较容易观察到的部位[4]。另外，监测点的位置应该考虑到建筑物所处建造时段，如果在尚在施工期间的建筑，应该考虑到建设后期装修的因素，可能导致之前的监测点受到施工的破环，所以应该做适当预处理。

4.3监测周期的确定

对于高层建筑的沉降监测来讲，其绝对的变形数值只能反应建筑物的几何位移量，而不能反应在一个特定时间段内一个变化的动态过程，相比之下，其变形速率更具有实质意义。根据经验的总结，可用以下的公式来确定高层建筑的检测周期：

5、GPS变形监测如何消除误差

导致GPS监测结果产生误差的原因主要来至三个方面：GPS卫星相关误差、传播途径相关误差、GPS接收端相关误差。本文主要从后两者来谈谈消除误差的方法。

传播途径相关误差：⑴电离层折射：①运用双频甚至是多频的监测数据组合来矫正电离层的延迟;②建立电离层模型，并通过对模型的分析来进行修正;③同步观测求差。⑵对流层折射：①根据气象参数，用对流层模型修正;②处理数据的同时引入对流层附加差数;③同步观测求差。⑶多路径效应：①选择干扰较小的站址;②选用好的接收端。

GPS接收端相关误差：(1)接受机钟差：在数据处理时，把每个观测时刻的钟差与观测站的位置参数一并求解。(2)接收机位置误差：可对同组卫星进行多点同步观测，再将观测结果求差。(3)接收端天线相位。