倪 沖

( 贛撫平原水利工程管理局，南昌330096)

1 GPS 變形監(jiān)測的定義及其應用的意義

變形是物質(zhì)的一種特性，是普遍存在的一種自然現(xiàn)象，具體地說是在各種負荷條件下，變形體的位置、大小及形狀隨著時間與空間的變化而變化。在一定安全范圍內(nèi)變形體發(fā)生的變形是被允許的，但一旦超出允許值的范圍內(nèi)，引起的效果不容小視甚至會發(fā)自然災害。比如火山爆發(fā)、地殼移動、山體滑坡、塌方等自然災害，還有橋梁等建筑物的毀損與坍塌等。簡而言之，變形監(jiān)測就是利用測量用的專業(yè)儀器，采用恰當?shù)姆椒▽ζ渥冃维F(xiàn)象實行實時監(jiān)視與觀察。實時監(jiān)測需要在變形體的一定的區(qū)域內(nèi)布設置幾個關鍵的監(jiān)測點以便定期對其進行檢查與觀測，變形監(jiān)測器采集變形體監(jiān)測點的變形信息后對其獲得的觀測數(shù)據(jù)分析處理，得出監(jiān)測點的變形數(shù)量及其變化程度，通過這些數(shù)據(jù)的變形分析，尋出變形體的變形規(guī)律，然后作出合理的預測并提出防范措施，這樣就可以根據(jù)推測減少變形破壞。

GPS 監(jiān)測技術(shù)已經(jīng)被用于多個方面的測量并建立各種監(jiān)測網(wǎng)，如大地測量、海洋測繪、航空攝影測量、地殼板塊運動監(jiān)測、工程變形監(jiān)測等，其前景極其廣泛，特別是工程施工的自動控制系統(tǒng)，它的工程測量精度是毫米級甚至是亞毫米級的?，F(xiàn)在，GPS 技術(shù)可以滿足在水平位移監(jiān)測方面的精度要求。但還是在高程測量的精度方面遇到了難題。

2 GPS 測量的幾個誤差源的分類

GPS 是一個龐大的系統(tǒng)，它的測量是存在誤差的，其誤差的組成也是復雜多變的。其誤差源主要來自于發(fā)射信號的GPS 衛(wèi)星、信號的傳播過程以及地面接受設備等幾個方面。因其測量是無法避免地受到測量誤差的影響的，所以如果是在高精度的測量器時，需考慮到與地球自身運動有關的地球潮汐及相對論效應等。根據(jù)不同的研究方向和重點，誤差的分類各有不同，通常是根據(jù)誤差的性質(zhì)將測量誤差可分為系統(tǒng)誤差與偶然誤差兩大類。系統(tǒng)誤差遠大于偶然誤差，它是GPS 測量的主要誤差源。如若是根據(jù)誤差對測量結(jié)果的影響程度把誤差分為噪聲誤差、偏差和偶然誤差; 如若是根據(jù)誤差的來源將其分為與衛(wèi)星有關的誤差、與信號傳播有關的誤差、與接收機有關的誤差、野外工作失誤4 種類型。下面主要根據(jù)誤差的性質(zhì)來分別對GPS 變形監(jiān)測誤差進行分析。

2.1 GPS 變形監(jiān)測中存在的系統(tǒng)誤差

GPS 變形監(jiān)測中的系統(tǒng)誤差主要有衛(wèi)星的星歷誤差、衛(wèi)星軌道偏差、衛(wèi)星鐘差、接受機鐘差、衛(wèi)星信號的傳播誤差( 電離層折射誤差、對流層折射誤差) 等，變形監(jiān)測的系統(tǒng)誤差是有著一定的變化規(guī)律的，根據(jù)其產(chǎn)生的原因可采取不同的措施加以減弱或消除。處理以上系統(tǒng)誤差的措施有:①建立系統(tǒng)誤差改正模型。②引入相應的未知參數(shù)，在數(shù)據(jù)處理中同其他未知參數(shù)一并求解。③求差法。④適當?shù)挠布陀^測條件。

2.2 GPS 變形監(jiān)測中存在的偶然誤差

GPS 變形監(jiān)測中的偶然誤差主要包括信號的多路徑效應及觀測誤差。其中多路徑效應是指在GPS 測量中，變形監(jiān)測得到的觀測值與真實值發(fā)生偏離，也就是被測站的反射物所反射的反射波進入衛(wèi)星接收機天線，它與直接來自衛(wèi)星本身的信號產(chǎn)生干涉而造成的。信號的多路徑效應的產(chǎn)生與幾個因素有關:如衛(wèi)星星座的分布、觀測周圍的地物、反射物距天線的距離、接收機影響、衛(wèi)星本身的多路徑誤差等。偶然誤差中多路徑誤差的特點為:

1) 多路徑誤差包括常數(shù)部分和周期性部分。周期性部分誤差是可通過延長觀測時間予以削弱。而常數(shù)部分誤差在同一地點會循環(huán)的出現(xiàn)，連續(xù)觀測幾日也不會對削弱與消除多路徑效應。

2) 有碼觀測和載波相位觀測值兩中，他們都受多路徑誤差的影響。而多路徑效應對碼觀測值的影響更為復雜，是多路徑效益對載波相位影響的上百倍。

3) 多路徑誤差對點位坐標和偽距觀測都有影響，在良好的環(huán)境下可達5cm 左右，周跳就是在極壞條件下碼信號多路徑誤差造成接收機相位失鎖而引起的誤差。

3 變形監(jiān)測中多路徑效應誤差的削弱和消除方法

3.1 選擇適合的衛(wèi)星GPS 接收機

在衛(wèi)星GPS 接收機的天線下設置抑徑板或者抑徑圈來減少反射波。經(jīng)試驗證明在振子天線的周圍增設四個抑徑圈時，就能有效的抑制來自測站周圍的地面反射波。通過改進接收機的軟硬件條件。其較強的抑制能力對反射信號尤其是極化方向相反的信號進行強有力地控制。

3.2 注意基準點的實地選取

接收器適合安裝在視野開闊的地方，但要盡量避免周圍有大面積的水面，這樣的水面的反射系數(shù)為l 不能接收信號;遠離大功率無線電源、遠離高壓線; 選擇測站時最好是避開在山坡上，無論山坡的坡度的大小都應盡量避免。點位基準還要相當穩(wěn)定、易于保存;點位的周圍15°以上不應設立其他的建筑物。

4 GPS 變形監(jiān)測對誤差的處理——小波分析

4.1 小波變換分析

小波變換分析是GPS 動態(tài)變形分析中的一種，它克服了變形分析的缺陷即不易判斷信號時頻的特征，因利用其多分辨率特性提取變形特征的信息，分離不同變形頻率從而實現(xiàn)了動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)的濾波。選擇合適的小波函數(shù)基，選擇一組小波基就是選擇小波函數(shù)。小波函數(shù)變化，小波函數(shù)基就會隨著變化。選擇合適的小波基，就可以利用用小波基函數(shù)進行小波變換與分解。常用的小波函數(shù)有Haar 小波，是第一個小波也是最簡單的小波，其主要特點為具有緊支撐性和正交性;DaubechieS 小波，是由美國著名小波分析家構(gòu)造的，緊支撐正交小波系。Dbl 即為Haar 小波。小波函數(shù)ψ 和尺度函數(shù)Φ 的有效支撐長度為2N—l，小波函數(shù)ψ 的消失矩階數(shù)為N;dbN 大多不具有對稱性; 正則性隨著N 的增加而增加;Symlets 小波函數(shù)系是由I.Daubechies 構(gòu)造的近似對稱的小波，是對db 函數(shù)的改進。函數(shù)系常表示為symN( N=2，3，…8) 的形式。

4.2 利用經(jīng)驗理論的分析

在GPS 數(shù)據(jù)處理方面利用Symlets 小理論波，但在應用小波變換時大多會選用Daubechies 小波。選擇小波基雖然是個理論問題，但小波基的選擇又與分析的數(shù)據(jù)是密切相關的。因而，在處理數(shù)據(jù)沒有對小波基函數(shù)的選取根據(jù)與分析時，可直接利用經(jīng)驗的理論，比如說用Daubeehies 小波進行分析。

首先要確定小波的分解層。知道小波分解層數(shù)可便于深入了解檢測變形的提取信號。小波分解層數(shù)少時效果不佳，小波分解層數(shù)多時會丟失信息，所以確定的分解層數(shù)要適中。一般情況下分解層數(shù)要滿足下列關系: M =2N+c，其中N 為分解層數(shù)，M 為原始信號的長度，c 為余數(shù)項。有時候知道了信號的頻率范圍也能確定分層。

5 結(jié) 論

總而言之，將GPS 技術(shù)合理的運用于變形監(jiān)測中，可以大大提高變形監(jiān)測的工作效率。但是GPS 變形監(jiān)測的數(shù)據(jù)是存在一定的誤差的，尤其以多路徑效應誤差影響較為明顯，因此消除和削弱多路徑效應誤差是很重要的，此法對精度有所改善但提高不明顯，我們選擇對數(shù)據(jù)進行濾波處理，實現(xiàn)有用信號與消除噪聲的分離，這種選擇主要是因為是監(jiān)測誤差除了多路徑效應的影響以外，監(jiān)測誤差也受其它誤差的影響，因此選擇適合的誤差數(shù)據(jù)處理分析方法是很必要的。

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