陳丹

（河南省豫東水利工程管理局三義寨分局，河南 開封 475000）

1 引言

水利工程是中國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要依托，大至三峽工程，小至農(nóng)田渠道，無不直接關(guān)系著國運民生，水利工程的安全運營是水利工程得以全面穩(wěn)定發(fā)展的前提，對于水利工程變形的檢測主要工作為對監(jiān)測目標(biāo)的分析指標(biāo)進(jìn)行確定、檢測具體方法的確定、監(jiān)測獲得數(shù)據(jù)的處理與分析、根據(jù)監(jiān)測獲得數(shù)據(jù)對水利工程的安全狀況進(jìn)行分析。

張俊杰將GPS技術(shù)應(yīng)用于某城市地鐵運營網(wǎng)絡(luò)中，并對運營狀況進(jìn)行評估；李世安等對GPS監(jiān)測數(shù)據(jù)網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化，將橢球變換運用于GPS 監(jiān)測中，有效提高了監(jiān)測精度；趙琛將GPS監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用于高速公路網(wǎng)的測量中，有效提高了公路運營的效率；馬建良將GPS 監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用于地鐵線路網(wǎng)的管理運營中；徐乃超設(shè)計了一種高精度GPS監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，將其應(yīng)用于高鐵項目的運營管理中；萬軍將GPS監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用于水上運輸線路控制網(wǎng)的規(guī)劃管理，可以有效提高水上運輸?shù)男剩簧昃百氁约种胁磕彻┧こ虨檠芯繉ο?，利用GPS技術(shù)對輸水管網(wǎng)進(jìn)行監(jiān)測，對監(jiān)測的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；何明崗?fù)ㄟ^開發(fā)拓展GPS新功能，并將其應(yīng)用于某水庫的規(guī)模論證。

基于前人對GPS技術(shù)的應(yīng)用拓展，此研究從分析誤差來源和影響機(jī)理入手，進(jìn)而降低GPS 的定位誤差，提高GPS監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的精度。

2 水利工程變形監(jiān)測

水利工程變形監(jiān)測的監(jiān)測工作內(nèi)容主要包括：①對監(jiān)測目標(biāo)的分析指標(biāo)進(jìn)行確定；②檢測具體方法的確定；③監(jiān)測獲得數(shù)據(jù)的處理與分析；④根據(jù)監(jiān)測獲得數(shù)據(jù)對水利工程的安全狀況進(jìn)行分析。監(jiān)測水利工程的變形數(shù)值與對檢測目標(biāo)安全狀況分析是監(jiān)測整個過程的核心工作，對于水利工程的變形值要保證在允許范圍值的0.05～0.10。

GPS 技術(shù)目前廣泛應(yīng)用于工程測繪中，其主要有方便操作、可以自動監(jiān)測無需人為控制、適用范圍廣等特點，因而在工程監(jiān)測中被廣泛使用，且使用效果好。對于水利工程，其監(jiān)測要求精度高、監(jiān)測時間長、監(jiān)測環(huán)境較差等特點。

3 GPS監(jiān)測數(shù)據(jù)處理

GPS監(jiān)測得到的數(shù)據(jù)由于各種因素的影響，導(dǎo)致出現(xiàn)較大的誤差，GPS 檢測的主要方法有持續(xù)性監(jiān)測、動態(tài)監(jiān)測以及間斷性定期監(jiān)測，但這些方法監(jiān)測數(shù)據(jù)能夠指導(dǎo)工程實際應(yīng)用的前提都是對數(shù)據(jù)采用科學(xué)合理的方法進(jìn)行處理，提取其中有效的變形數(shù)據(jù)信息。對于GPS監(jiān)測，載波相位差分技術(shù)是較為常用的數(shù)據(jù)處理技術(shù)，這種數(shù)據(jù)處理技術(shù)優(yōu)點在于能夠采用差分技術(shù)減弱數(shù)據(jù)的誤差的影響，但是這種方法在處理整周模糊度的求解方面還有些欠缺，對于周跳的探測與剔除，該種方法相對有效，但不是特別理想，以及減小殘余系統(tǒng)誤差方面效果也較差。

在GPS靜態(tài)定位分析中，整周模糊度的求解主要是通過分析衛(wèi)星幾何圖形得到的，目前較為常用的求解方法為延長GPS衛(wèi)星的觀測時常，但這種方法的弊端也很明顯，需要衛(wèi)星進(jìn)行較長時間的觀測，工作過程中檢測的數(shù)據(jù)利用率較低。經(jīng)過較為全面的研究，目前國內(nèi)的專家學(xué)者在這方面進(jìn)行了深入的研究，目前的主要方法為模糊度搜索法，同時周模糊度的在航求解這種方法應(yīng)用也較為廣泛，有效提高了GPS測量的精度。

周跳主要影響GPS監(jiān)測的精度，主要是限制載波相位觀測定位精度，這種問題也是較為普遍的，主要影響因素為整周模糊度以及接收機(jī)位置參數(shù)。目前，在GPS數(shù)據(jù)處理軟件中應(yīng)用較為廣泛的方法主要有偽距法、相位法、多項式法等數(shù)據(jù)處理方法，但是周跳是一種較為隨機(jī)且偶然的影響因素，因而僅僅憑借一種處理方法是難以完全消除這種影響的，采用不同種方法的組合能夠有效消除周跳的影響，主要方法的結(jié)合有相位組合與高次差法的組合。

4 GPS變形監(jiān)測數(shù)據(jù)處理與分析

對于GPS檢測到的變形監(jiān)測數(shù)據(jù)，其中很多數(shù)據(jù)為重復(fù)數(shù)據(jù)，還有一部分為誤差較大的數(shù)據(jù)，因而，對于監(jiān)測測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理就是較為關(guān)鍵的工作，這一步需要去除重復(fù)和誤差較大的數(shù)據(jù)，保存下來有用的變形監(jiān)測數(shù)據(jù)。由監(jiān)測到的變形數(shù)據(jù)特點將數(shù)據(jù)處理工作分為兩個部分：一是變形監(jiān)測控制網(wǎng)數(shù)據(jù)處理；二是變形監(jiān)測數(shù)據(jù)序列處理。對于變形監(jiān)測控制網(wǎng)數(shù)據(jù)處理，其主要工作有變形監(jiān)測控制網(wǎng)設(shè)計、變形數(shù)據(jù)誤差計算與變形數(shù)據(jù)分析，對于變形監(jiān)測控制網(wǎng)數(shù)據(jù)處理，重點工作在于同一個監(jiān)測點上的監(jiān)測數(shù)據(jù)處理，需要對該數(shù)據(jù)結(jié)合實際工程應(yīng)用對變形監(jiān)測控制網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測與評估，若變形數(shù)據(jù)過大需要對該水利工程管理人員發(fā)出預(yù)警。

4.1 變形監(jiān)測控制網(wǎng)的處理

對于變形監(jiān)測，其主要作用是通過多次觀測測量觀測點的變形位移狀況，其中，分期觀測方法為采用靜態(tài)相對定位模型，進(jìn)而獲得觀測基準(zhǔn)線的位移向量，利用位移向量解決觀測網(wǎng)分期觀測中每期的觀測結(jié)果與觀測精度值，采用統(tǒng)計分析的方法分析出每個測點的變形精確值，因為GPS變形觀測是以多次分期觀測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的，因而對于每一期的變形觀測必須采用相同的基準(zhǔn)指標(biāo)，這樣的觀測結(jié)果才具有權(quán)威性。對于GPS觀測網(wǎng)，其觀測值的選取均是在相同的基準(zhǔn)下進(jìn)行的。

4.2 變形監(jiān)測數(shù)據(jù)整體序列的處理

GPS 變形監(jiān)測采用的主要方法為間隔性周期監(jiān)測變形數(shù)據(jù)，從監(jiān)測的變形數(shù)據(jù)中得到水利工程的變形量。由于GPS變形監(jiān)測的特點與普通檢測的特點不同，因而GPS變形監(jiān)測在網(wǎng)形設(shè)計、觀測數(shù)據(jù)處理方面需要進(jìn)行獨特的設(shè)計，同時，對于監(jiān)測數(shù)據(jù)的指標(biāo)也與常規(guī)監(jiān)測的指標(biāo)有所不同，因而需要對監(jiān)測的指標(biāo)做相應(yīng)的調(diào)整。GPS 監(jiān)測的要求不僅有精度、可靠性、費用等方面的獨特要求，同時也需要對監(jiān)測的靈敏度進(jìn)行獨特的指標(biāo)評價，靈敏度直接關(guān)乎監(jiān)測數(shù)據(jù)的合理性。

基準(zhǔn)設(shè)計是GPS監(jiān)測過程中較為重要的一項關(guān)鍵工作，在處理數(shù)據(jù)的過程中，基準(zhǔn)設(shè)計主要表現(xiàn)為建立合適的平差模型，即基準(zhǔn)方程。將兩次不同的觀測數(shù)據(jù)在相同的觀測標(biāo)準(zhǔn)下的平差進(jìn)行計算，進(jìn)而分析兩次測得的變形數(shù)據(jù)。

5 GPS監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

GPS 變形監(jiān)測系統(tǒng)主要是通過對監(jiān)測網(wǎng)變形數(shù)據(jù)進(jìn)行觀測，從而獲得變形觀測數(shù)據(jù)。根據(jù)這一變形監(jiān)測網(wǎng)的特點，可得GPS監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)與其它監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在觀測方法、數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)集處理、數(shù)據(jù)整合等方面存在較大差異，同時監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)特征也直接影響著GPS監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測變形數(shù)據(jù)的真實性。

基準(zhǔn)設(shè)計是GPS監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中較為重要的一環(huán)，在監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中，利用平差模型對檢測網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行基準(zhǔn)設(shè)計，將相鄰兩組數(shù)據(jù)在同一個基準(zhǔn)下分析其變形量與變形指標(biāo)。

GPS監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)對于基準(zhǔn)點的選取采用的是平均間隙法，當(dāng)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中各點均處于較為穩(wěn)定的狀態(tài)時，選擇自由網(wǎng)平差法對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，當(dāng)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中各點的變形數(shù)據(jù)變化幅度較大時，即每組數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)特征相差較大時，可以采用擬穩(wěn)平差法進(jìn)行計算，這樣可以有效降低各數(shù)據(jù)之間的差異化特征。

6 GPS監(jiān)測中周跳消除

由于GPS 監(jiān)測系統(tǒng)受到各種環(huán)境因素、人為因素等影響，進(jìn)而引起較大的誤差，這將導(dǎo)致測算的結(jié)果存在較大的誤差，嚴(yán)重影響GPS解算精度，通過調(diào)整GPS解算中的參數(shù)以及對數(shù)據(jù)進(jìn)行差分處理，可以有效降低誤差；同時，對隨機(jī)模型的優(yōu)化可以有效減弱或消除GPS實測數(shù)據(jù)中的偶然誤差。

周跳在數(shù)據(jù)之間是可以相互影響的，載波相位觀測值是隨著時間不斷變化的，呈現(xiàn)在數(shù)據(jù)圖中是一段較為光滑、波動的曲線，但由于周跳的影響，在數(shù)據(jù)的每個周期內(nèi)均會出現(xiàn)不同程度的周跳，嚴(yán)重影響數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性，可以利用小波和差分法相結(jié)合的技術(shù)對GPS監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理可以有效消除周跳的影響。

7 結(jié)語

GPS 變形監(jiān)測誤差直接影響著檢測的精準(zhǔn)度，為了消除GPS變形監(jiān)測數(shù)據(jù)誤差的影響，此研究從分析誤差來源和影響機(jī)理來降低GPS 的定位誤差，主要方法有：①將2 期測得的數(shù)據(jù)采用相同的基準(zhǔn)進(jìn)行解算是降低GPS變形監(jiān)測數(shù)據(jù)誤差的基礎(chǔ)，同時也提高了不穩(wěn)定點的發(fā)現(xiàn)效率。②分析變形監(jiān)測網(wǎng)的質(zhì)量指標(biāo)，以及采用合理的方法分析不同觀測元素，進(jìn)而得到變形監(jiān)測網(wǎng)平差的獨特模型，有效消除變量誤差的影響，使測得的變形監(jiān)測數(shù)據(jù)可靠度更高。③利用穩(wěn)健估計法，可以實行不統(tǒng)基準(zhǔn)條件下的統(tǒng)一，有效避免了誤差數(shù)據(jù)的混入，通過消除變形監(jiān)測數(shù)據(jù)的周跳，可以有效提高監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測數(shù)據(jù)的精度。