GPS技术与数据处理在水利水电工程变形监测中的探讨

一、gps的构造和发展
gps系统是美国研发的卫星全球定位的系统，现在已发展成为可以连续地向全球用户全天提供三位速度和精确度高的三维坐标以及三位时间信息的介于卫星定位与无线导航的系统，它具有实时性的定位和授时及导航的功能。
从1974年之后，gps系统开始了新的导航定位的时代，即将导航卫星作为动态已知点的无线电导航，这同时也意味着工程研制开始了新的篇章，1989年，随着第一颗gps工作卫星的成功发射，gps系统开始了生产作业。
gps系统的组成部分包括：用户部分——gps信号接收机，控制部分——地面监控系统和空间部分——gps卫星星座。gps卫星所起到的主要作用包括：1. 接收地面监控站发出的控制指令，并认真执行，根据情况适时地启用备用卫星或更正运行偏差等；2. 通过高精确度的星载上的艳钟和铆钟，提供精确而严密的时间标准；3. 不断地向用户发送定位信息；4. 储存卫星导航电文等信息，并将地面监控站发来的这些信息适时地送往用户。


二、gps变形监测
变形监测关键在于捕捉各观测周期间的变形观测点和变形敏感部位的变形信息，当变形在规定范内,可以认为是正常的情况，如果超过了规定的限度, 严重时就会危及建筑物的安全，影响建筑物的正常使用,给人们带来灾难性的危害。变形观测的精度通常都在亚毫米级至毫米级。常规的监测技术是应用水准测量的方法进行沉降监测，其要求取决于该工程建筑物预计的进行观测的目的和允许变形值的大小,应用三角测量的方法监测地基的位移和整体的倾斜。主要是采用全站仪、水准仪、经纬仪、测距仪等常规测量仪器测定点的变形值,其优点是: 可以提供绝对变形信息，适用于不同的监测环境、不同形式的变形体和不同的监测精度要求，能够提供变形体整体的变形状态。缺点是:观测时间长、外业工作量大, 布点受地形条件影响, 不易实现自动化监测。在有些地方由于受到外界条件和地形等限制, 其工作效率和精度往往受到很大的影响。利用 gps 技术,可实现数据采集、处理以及变形分析的自动化。


三、gps的相对定位技术
相对定位技术是gps在测量上采用的常用技术，它主要是通过两台gps接收机来同步观察同一个gps卫星，把它们分别安装在基线的两端，用来确定基线向量和基线端点的相对位置。基线的解算是在基本观测的基础上，建立基线向量与观测量的关系，然后用最小二乘解算出基线向量和它的精确度。在gps进行观察时，由于电离层误差、卫星轨道误差、卫星钟差、大气折射误差和接收机钟差等的影响，在同步观察时，其中的部分误差会表现出一定的相关性，比如钟差和流层，为了减少这些误差带来的影响，要对基本测量的数据进行不同频率的观测量的线性组合或差分处理。[3]


四、gps定位系统的特点
gps是一种具有应用广、易操作、全天候、高精度、多功能、高效率、等特点的导航定位系统。
1．定位精度高
目前，gps测量基线的精确度已经提高了一个层次，其静态定位的精度已上升到了亚毫米级，在高程的精度上也已达到毫米级别。而gps实时的动态定位精度也达到了厘米级别，达到了各种工程的测量要求，具有显著性的突破。大型建筑物、构筑物变形监测，经过适当的数据处理模型和特殊的精密星历、观测措施之后，平面的精度可以达到亚毫米级，高程精度也可以稳定在1毫米左右。
2．观测时间短
随着软件水平的提高以及系统的完善，变形监测所观测的时间已得到良好的改善，从原来的数小时变成几十分钟甚至几分钟。且在使用静态的相对定位模式之后，在观测20千米之内的基线时，对其所观测的时间，在双频接收机的处理下最多只需要20分钟，在快速静态定位模式下，当每个基准站与流动站只相距在15千米之内时，流动站观测的时间最短1分钟，最长也不超过2分钟。
3．测站之间无需通视
在经典的测量技术上，对其通视的要求非常高，要求其必须建筑大规模的规标，而这对经典测量的具体实施带来了一定的阻碍。gps 作为新的技术解决了这一问题，它不再要求测量站间要相互通视，也不需要去大量地建造规标，它只需要测量站的上空开阔，能够和卫星随时保持通视便可。 [4]


五、gps水利水电监测的措施
以往的gps定位基本上都是以毫米级或厘米级精度为目标，而现在，应用于水利水电变形监测中的gps定位技术，其数据传送、采集、分析和处理都很容易实现，但是最值得人们关心的是点位的定位可靠性和精度。针对工程具体内容，为提高精度和减少误差，可以采取以下措施：
1.采用适当方法消除测量噪声的影响，如小波变换、卡尔曼滤波等；
2.采用精确的全球地心坐标提高基线解算的精度；
3. 控制好观测方案和时间以减弱不利的卫星图形强度对gps定位的影响；
4.采用精密基线解算软件提高整周模糊度解算精度；
5. 采用布设良好监测点以及扼流圈天线以减弱多路径效应的影响；
6. 采用精密星历削弱卫星星历误差的影响。


六、水利水电工程变形监测的应用和意义
在我国的水利水电工程中，所建堤坝就有10万多座，它们作为我国的国民经济，主要在航运、灌溉、防洪、供水和发电方面做出了重要的贡献，也带来了巨大的经济效益。但是，随着工程投入时间的加长，堤坝的功能越来越差，老化和损害的问题逐渐突出，尤其是在西电东送战略中的西部地区。一个工程的质量直接关系到人民的生命和财产，[1]如果大坝意外失事，它将会在瞬间爆发洪水，给大坝下游的人民带来生命危险，同时对其财产和国家资源造成严重的损失，所以在对工程的变形监测时，工作人员所进行的测量都精确到毫米和亚毫米级，可见，变形监测在水利水电中的重要性。
大坝通过监测的工作之后，可以以此消除一定的工程隐患，尽量发挥工程的作用，以保证大坝的运行安全和更好地服务工农业的生产。在部分大坝中，有一些临时修建的边坡工程，它们能否安全运行也直接关系到整个大坝的安危，所以为确保大坝能够正常运行，也要经常对边坡工程进行严格的监测和结果分析，以此来了解边坡工程变形移动的趋势和规律，为防止万一，可以对其进行加固。
在进行变形监测的过程中，首先要对变形体的安危情况和运行规律进行预测，主要做法是用变形监测的实时性获取其动态位移信息，其次，对变形体的监测内容还包括：1.确定监测精度的指标是否合理2.确定监测方法，并去实施该技术3.分析和处理监测数据4.诊断工程安全状况。在工作人员对该工程进行监测后，将这些资料迅速反馈给运营、设计和施工等部门，这样做不但提高了水利水电的管理水平同时为该工程的设计和运行提供了值得信耐的科学根据。[2]
近年来，在各种需要监测的工程中，比如，大坝、高边坡、滑坡等工程，它们对监测自动化和精确度的要求越来越高，而gps作为现代的高科技技术，正符合这种条件，除此之外，它还有不受通视条件影响和不受气候条件限制的特点。然而，尽管如此，gps技术中的数据仍然有一些需要改进的地方，这样才能满足不断发展的变形监测，同时适应工程的变化。