GPS在高层建筑的沉降观测中的应用

摘要： 随着城市建设的发展，高层建筑的数量在不断增多，同时高层建筑的沉降观测也显得越来越重要。本文从组成、原理、设计实施和误差消除几个方面介绍了GPS系统在高层建筑的沉降观测中的应用。

关键词： GPS； 高层减租； 沉降观测

Abstract: with the development of urban construction, the number of high-rise buildings in the increase, and at the same time of high-rise building settlement observation is becoming more and more important. This article from the composition, principle, design implementation and error eliminate several aspects GPS system introduced in high-rise buildings of the application of the settlement observation.

Keywords: GPS; Top incentives; Settlement observation

中图分类号：P228.4文献标识码：A 文章编号：

GPS系统发明于上世纪60年代，现已广泛应用到交通、建筑、农业等领域。传统方法在现代高层建筑沉降观测方面已表现出诸多的不适应性，实践证明，GPS系统作为新技术背景下观测工具，具有传统观测方法不可比拟的优势，因此被广泛应用在高层建筑的沉降观测当中。

1 GPS系统的组成

GPS系统有三个基本组成单位，即为空间的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。其中，GPS卫星由21颗工作卫星和3颗备用卫星组成，可覆盖整个地球表面，常被称作(21+3)GPS星座。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；关于地面监控单位，其主控站位于美国本土，三个注入站分别设在大西洋的阿森松、印度洋的狄哥.伽西亚和太平洋的卡瓦加三个美国空军基地上，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；用户端即为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系统的定位原理

我们可以假定在地球上方某一空间位置放置一颗能发射无线电信号的卫星，同时在地球表面三个不同位置分别安放可接收该卫星无线电信号的装置，如此可方便测出地面接收装置的坐标，如果把空间卫星纳入统一坐标系中，根据接收装置所接收到的信号也能很方便计算出所有接收装置分别相对于卫星的几何距离，然后再根据无线电测距交汇的原理，便可进一步计算出卫星的空间几何坐标。更形象地说，在这个空间中，如果以三个接收装置为圆心，以它们到卫星的距离为半径画圆，那么三圆轨道的交汇点即是卫星的空间坐标。GPS的定位原理恰好就是上述的一个逆向过程，也就是说，我们可以通过地面的接收装置同时接收3颗或3颗以上卫星发射的信号，同时在已知所有卫星的临时空间坐标的情况下，同样可以通过无线电测距交汇的原理计算出地面装置的三维坐标，此即为GPS的定位原理[1]。但实际并非如此的理想状态，上述所涉及的对象在现实中都不可能是完全静止的状态，所以难免会出现测量偏差，我们通常把这样的偏差称之为“伪距”，后文将会介绍误差的处理方法，这里不再赘述。

3 GPS系统的变形监测网设计

在利用GPS系统监测高层建筑物沉降时，必须首先符合《全球定位系统GPS测量规范(规程)》，同时，建筑物沉降观测的误差通常应小于观测点允许变形值的1/20～1/10[2]。GPS系统的观测方式在三维坐标中来实现的，可能会受到多方面因素的干扰，所以，为了增加高层建筑物沉降观测的可靠性，需科学设计观测基准点的位置和数量。一般来说，根据具体观测精度的要求，观测用固定基准点在确保三个的基础上，可以适当增加数量。基准点的布置位置应尽量远离大功率电台、高压线、高大建筑物、大面积的水域诸如此类的地方，而且要埋设在不受建筑物变形影响、观测方便和避免施工干扰的地方。对于监测点，应该选择在受建筑物沉降影响下具有代表性的变形敏感部位，如此便能对高层建筑物的沉降情况做到观测的及时性。

GPS系统的精度取决于观测方案。其观测方案的确立可以从以下几个方面来做出衡量：(1)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。(2)GPS变形检测网图形设计：大量的工程实例证明，在同样的观测条件下，图形制约着GPS网的精度，GPS变形检测中常使用边连式的网形，其网形选择应当遵循的原则有：①每个测量点至少有两条基线与之相连，不要出现支点的情况；②选择较好精度的基线组成平差图形；③选择网中闭合环闭合差较小的图形参与平差。(3)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系统沉降观测方案的实施

4.1 观测精度的确定

常用高层建筑地基允许变形值的行业标准，可为高层建筑物的允许变沉降数值提供参考依据，然后再结合实际情况就可以制定出科学合理的观测精度；另外还可把高层建筑物的重要等级来作为确定观测精度的参考标准之一。

4.2 监测点位的设计

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[3]。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观测周期的确定[4]

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，其沉降速率更具有实际意义。根据经验的总结，可用以下的公式来确定高层建筑的观测周期：

T≥×Mh×K/V

式中：Mh----两沉降监测点之间的高度误差；

V----沉降速率，通常采用沉降均量值与间隔天数之比；

K----高程沉降值与其误差之比。

5 GPS变形监测误差的消除

影响GPS观测精度的主要误差可分为三类[5]：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：(1)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通过电离层模型进行修正；③同步观测求差。(2)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。(3)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：多个观测点同步观测同一组卫星，再进行观测值求差。(3)接收机天线相位中心偏差：优化天线设计。

参考文献

[1]徐勇.浅议GPS工程测量技术的原理[J].科技致富向导，2010年第14期.

[2]GB《工程测量规范》.

[3]申小平.GPS定位技术在建筑物变形监测中的应用[J].土木基础，2012年第02期.

[4]许斌峰.深度探讨高层建筑变形监测方案设计与实施方法[J].建筑科学，2010年第25期.

[5]王应东.GPS误差分析和精度控制[J].测绘与空间地理信息，2011年第06期.

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。