毕业设计论文—gps原理及其在变形监测中的应用

毕业设计论文—gps原理及其在变形监测中的应用内容摘要：

GPS接收机被称为单点定位或绝对定位。 两个或更多的接收器被放置在由同步观测的卫星信号进行测试，以确定该测试点的相对位置，被称为相对定位。 （一） 伪距测量： 由 GPS接收机在某一时刻测出得到四颗以上 GPS卫星的伪距以及已知的卫星位置称为伪距法定位。 测得的伪距测距码信号被从卫星发送到到达 GPS接收机的传播时间乘以光从测量得到的速度。 由于电离层和对流层延迟的卫星钟，接收机钟差和 无线电信号，实际测量的距离和距离从接收到的卫星几何有一定的差异，内蒙古科技大学毕业设计书明书 10 但一般加权距离测算出来的伪距。 用 C/A码进行测量的伪距为 C/A码伪距，用 P码测量的伪距为 P码伪距。 虽然伪距定位法一次性定位精度不高，但因其具有定位速度快，无多值性等好处，仍旧是 GP采用定位的最基本的方法。 测得的伪距载波相位测量值可被用作在解决不确定性整个波数问题的支持信息。 （ 1）由相同结构从动自己接收机的时钟脉冲生成一个复制码 （ 2）通过时间延迟允许 T的延迟，两码相关进行比较。 （ 3）距离ρ =c△ t=c T。 当要校正错误的伪距，精确的 计算，来自卫星的卫星信号到达测站的钟面的传播时间：        ttttG P StG P Stttt jijijiji   () () 现顾及大气折射影响 （ ） 为理想距离。 电离层延迟改正:)(tI ji 对流层延迟改正:)(tT ji 当 然，伪距观测方程是非线性的语言，此卫星站之间的几何距离为： () 由于方程是非线性方程，上述方程需要被线性化的方程，如下图所示： ~00000 0 0 0 0( ) ( ( ) ) ( ) Z ( ) ( ) ( ) ( )( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )( ) ( ) ( ) ( )( ) ( ) ( ) ( ) ( )j j j j j j ji i i i i i i i ij j ji i i ij jji i i i i ij j ji i iD t D t k t m t Z c t t I t T tt N t t N t I n Frt t t N tt t t N t Fr                             () 有三个测站未知数 以及一个钟差未知数 电离层和对流层改正通常是通过专门的数学模型分开。 因此，该接收机需要跟踪至少四个卫星来解决。 （二） 载波相位观测 有两种频率的波存在于 GPS 载波信号上： [ ( ) ( ) ] ( )()( ) () )( )(ji j i jji i j iD t c t cc t G PS t G PS D ttt tt tct       ( ) ( ) ( ) ( ) ( )( ) ( ) ( ) ( )()ij j j ji i i ij j ji i ijjiD t I t T t c t t c t tD t I t T t c tDt t               ( ( ) ( ) )iiD c t G PS t G PS   2 2 2 1 2( ) [ ( ( ) ) ( ( ) ) ( ( ) ) ]j j j ji i i iD t X t X Y t Y Z t Z     ,i i iX Y Z  ()jitt内蒙古科技大学毕业设计书明书 11 L1： L2： 载波相位的测量原理如图 ， 卫星信号传至接收机的过程如图。 图 图 1575 .43 MH z , 19c mf   221227 .60 MH z , 24c mf   内蒙古科技大学毕业设计书明书 12 整 周模糊度，相位差公式应为： 00( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )j j ji i i it N t t N t In F r         () 0( ) ( ) ( ) ( )j jji i i i i it t t N t      () 0 0 0 0 0( ) ( ) ( ) ( ) ( )j j ji i it t t N t F r        () 载波相位观测示意图，如图 ： 图 ：载波相位信号传播图 由于接收机的频率漂移比较小，一般可以忽略，即： j if f f 由于有接收机钟差，所以相位观测方程可表示为 ： 00( ) [ ( ) ] ( ) ( ) ( )( ) ( ) ( )j j j ji i i ijjiit f t t G P S f t t f t t N tf f t t f t t N t             () 式中： 1 ()jiDtc内蒙古科技大学毕业设计书明书 13 考虑到电流层和对流层都会对传播相位产生影响，载波相位观测方程表示为： 0( ) [ ( ) ( ) ( ) ] ( ) ( ) ( )j j j j j ji i i i i ift D t I t T t f t t f t t N tc         () 式子两边都乘以 可转化为： () 载波相位观测方程： () 测向距离形式的观测方程： () 根据上述公式，对接收机的钟差，卫星钟差，卫星轨道误差，多路径效应，电离层误差，对流层误差可通过最小二乘原理或者卡拉曼滤波算法的实时数据或解决处理的原则纠正。 其中，接收器的时钟差异可以被视为恒定的，多路径效应是随机误差，电离层和对流层是基于初步的观察可以归纳为一个模型，它随时间的变化，并以纠正观察到的数据。 第三章 GPS在变形监测中的应用 变形监测 变形是自然界普遍存在的现象，它是指在不同的负载， 在尺寸，形状和变形体的位置的时间和空间上的变化。 变形监测的范围是非常广泛的，从地面运动，全球板块运动，地球自转速率变化与地壳相对运动，地壳形变，变形区域，然后滑坡滑动，倾斜和沉降的工程建设其他全球性变形，地下开采引起的地标沉降和cf0( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )j j j j j ji i i i i it D t I t T t c t t c t t N t         00( ) [ ( ) ( ) ( ) ][ ( ) ( ) ( ) ]ij j j j j ji i i i i ij j j j ji i i ift D t I t T t f t f t N tcf D t I t T t f t N tc                  （ ）（ ）0( ) ( ) ( ) ( )j j j j j ji i i i i iD t D t I t T t c t c t N t            （ ）内蒙古科技大学毕业设计书明书 14 流动，工业设备或部件，如工程和本地化的扭曲偏移变形，变形几乎是无处不在。 变形监测是使用测量仪器进行定期实时监测，以确定代表性的点在空间和时间的变化信息。 变形可分为静态变形和动态变形，静态变形是指变形体随时间而发生的缓慢变形。 动态变形主要是指身体的变形在外界变形下的负载压力时，通常这 种变形是瞬间的压力的作用下发生的效果。 应用 GPS 进行变形监测的优缺点 GPS 技术变形监测具有以下优点： （ 1） GPS 测量一个显著特点是测站之间测量无需保持通视。 传统的变形监测方法，只有点之间通视才能进行测量。 对于 GPS，测站之间无需通视只需测站上空无障碍物即可。 由于 GPS 定位时测站间无需保持通视，从而可以使变形监测点的布设更为自由、灵活，并可省去不少中间传递过渡点，节省大量人力物力和财力。 （ 2）操作简便。 目前 CPS 接收机已经越来越趋于小型化和操作傻瓜化，只需将天线对中、整平、测量天线高度，打开观 察电源。 其他，如卫星捕获，跟踪等观测仪器自动完成。 （ 3）能同时测定点的三维位移信息。 采用传统方法进行变形监测时，平面位移通常是带正锤线，锤向下行，角线方向相交，交点和总台来测量距离的极坐标等方法，和垂直方向的位移通常使用精确的流平性，静压液位测量，测斜仪和其他方法来确定。 分别测定在水平方向和垂直方向的位移不仅增加了工作量和长期监测期间，监测的时间，并且难以保持一致的点，从而提高变形分析的难度。 GPS 可以监测被测物体的三维坐标信息。 （ 4）监测精度高。 在变形监测中，如果 GPS 接收机天线保持静止， CPS 可以提 供更高的 1 10 的相对定位精度，其结果不会影响变形监测的因素，包括天线对中误差，整平误差，定位误差，天线高度的测量误差。 在卫星的误差传播的影响的信号的公用部分，不完善的解算软件， GPS 数据处理起始坐标的误差，也可以消除或减少。 （ 5）全天候观测。 GPS 测量不受气候条件的限制，在风雪雨雾中仍能进行正常观测。 这对于防洪，滑坡，泥石流等地质灾害的监测等应用方面尤为重要。 内蒙古科技大学毕业设计书明书 15 （ 6）易于实现全系统的自动化。 由于数据采集的 GPS 接收器是自动的 ,并且还预留所需的用户界面，使用户可以更方便地把建无人看守自动监测系统，实现从数 据采集，传输，处理，分析，存储报警充分的 GPS 变形监测系统自动化。 如果有必要，用户可以从控制中心的办公室查看每个 GPS 接收机的信息，你也可以发出命令来改变采样率，时段长度和截至高度角等设置。 （ 7）可消除或减弱系统误差的影响。 在变形监测中我们所需要的是俩期变形监测点坐标的变化差异，而不是变形监测点的本生身坐标。 倆期变形监测中的公共误差会影响到倆期坐标点的大小，但不会影响到他们之间的差值。 （ 8）可直接用大地高进行垂直变形测量。 在 GPS 测量中高程系统一直是一个令人棘手的问题。 GPS 只能测定大地高，而在日常的测 量中，例如工程测量、地形测量等能测定的是正高和正常高，所以他们之间有下列的关系式： 大地高正常高 Hh  NHh 大地高正高  () 正因为如此， GPS 定位技术得到了迅速的推广在变形监测中已成为一个适用性非常广阔的新的变形监测方法。 当然，使用 GPS 定位技术进行变形监测的时候，也有一些不足之处，主要表现在以下几个方面： (1)点位选择的自由度较低。 为了保证测量工作的精度要求，在 变形监测的测站上做出一些要求：例如在测站周 围仰角 15176。 以上不允许障碍物的成片存在，测站大型发电机，变压器，电源线和微波信号发射站，中转站等有一定距离。 但在变形监测中往往难以满足这些要求，因为监测点的位置通常是由主办单位根据建筑物的结构和力量水坝，桥梁，工厂等大型物体的情况造而定的，或是根据地质人员从山体的断层或滑坡而定的，变化的余地可以说是非常小。 (2)观测条件一般较差。 如在三峡滑坡监测，现场往往非常狭窄，大量卫星被阻塞，并且存在严重的多路径误差。 例如，监视大坝时，由于堤坝和水库的另一侧是山地和树木，天然差异的地理环境和植被往往导致对坝的两侧大气 条件（温度，湿度等）产生的显著差异，从而影响了对流层延迟校正精度。 内蒙古科技大学毕业设计书明书 16 GPS 变形监测模式 GPS定位技术进行变形监测作业可采用两种模式：连续性监测模式和周期性监测模式。 （一）连续性变形监测模式： 连续性变形监测指的是采用测量仪器来实时的进行数据采集，获得观测点的变形信息。 获得的监测数据是不是间断的，具有较很高的时间分辨率。 通常要求变形监测的实时性。 如：大坝在超水位蓄洪时，必须实时的对其进行监测，而且要求监测系统具有很好的数据采集处理和分析计算功能。 近几年来 ， 国内外在动态监测方面进行了一些试验工作。 例如 , 利用 GPS技术卡尔加里，在强风的动态变形加拿大（卡尔加里）塔结构进行了测定。 国内悬挂一些大的（如广东虎门大桥）和斜拉桥跨度一直在试图安装 GPS实时动态监测系统振动利用 GPS测量风深圳帝王大厦的特性。 为了获得该对象的动态特性，需要对数据进行采样的连续，高频率。 出现高采样率卫星接收机（ 20Hz的， 10HZ，5HZ） ,使它成为研究各种工程建筑物的变形特性的新方法。