高精度GPS變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理研究

程明飛

(西山煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司屯蘭礦，山西太原030200)

0 引言

時(shí)代在發(fā)展，科技也在進(jìn)步，人們的生活水平由此逐漸得到了大幅度的提高，這使得人們?cè)谙硎苌畹耐瑫r(shí)，愈來愈意識(shí)到生命的可貴，因而要求GPS技術(shù)能夠更好地為人們提供更加精確的數(shù)據(jù)，以便于幫助人們?cè)谧匀粸?zāi)害或工程事故等發(fā)生之前采取有效的防范措施，最大限度地減少人員傷亡，降低自然災(zāi)害或工程事故的發(fā)生率，從而推動(dòng)社會(huì)的和諧發(fā)展。

1 變形監(jiān)測(cè)技術(shù)簡(jiǎn)介

在開展變形監(jiān)測(cè)的過程中，許多國(guó)家主要采取空間大地測(cè)量的方法來完成監(jiān)測(cè)任務(wù)?？臻g大地測(cè)量技術(shù)主要是由GPS、激光測(cè)月技術(shù)和長(zhǎng)基線射電干涉測(cè)量等技術(shù)構(gòu)成。GPS能夠?qū)^(qū)域性的變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，隨著科技的發(fā)展，研究人員又將GPS與合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量技術(shù)予以結(jié)合，提高了GPS的測(cè)量范圍，使得相關(guān)人員應(yīng)用GPS技術(shù)能夠?qū)Φ孛娉两登闆r進(jìn)行監(jiān)測(cè)，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，研究人員逐漸提高了GPS技術(shù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，因而幫助監(jiān)測(cè)人員對(duì)工程的變形情況有一個(gè)清晰的認(rèn)識(shí)，從而幫助維修人員采取正確的維修方法來使工程達(dá)到正常的使用狀態(tài)，以便于進(jìn)一步減少事故的發(fā)生，亦或是降低事故對(duì)經(jīng)濟(jì)的損害程度。

從全球的角度上來看，近十年來，變形監(jiān)測(cè)方法發(fā)生了尤為巨大的變化。在技術(shù)發(fā)展較為緩慢的時(shí)期，人們利用大地測(cè)量技術(shù)和近景攝影測(cè)量技術(shù)來對(duì)地面的變形情況實(shí)施監(jiān)督與測(cè)量，此種方法既要耗費(fèi)大量的資源，而且極易受地形的影響，無法測(cè)量出較為準(zhǔn)確的變形數(shù)據(jù)，所以，研究人員便發(fā)明了全站型儀器來對(duì)地面變形情況予以測(cè)量，此類方法能夠自行完成監(jiān)測(cè)任務(wù)，并且減少人力資源的使用，減少測(cè)量人員的工作負(fù)擔(dān)，同時(shí)簡(jiǎn)化了工作步驟，降低了環(huán)境對(duì)測(cè)量工作所帶來的影響。全站型儀器的使用給人們帶來了巨大的好處，但是人們總是處于不滿足的狀態(tài)，所以，相關(guān)人員應(yīng)當(dāng)逐步提高全站型儀器的精度，為人們提供更加精確的信息，以此減少或者避免事故的發(fā)生，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與進(jìn)步。

2 與高精度GPS變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理有關(guān)的內(nèi)容

2．1 GPS 簡(jiǎn)介

1)GPS定義及好處。GPS是全球定位系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱，該系統(tǒng)是由美國(guó)國(guó)防部提出，初始設(shè)計(jì)目的就是為國(guó)家的軍事和人民群眾提供相關(guān)信息，從而完成導(dǎo)航工作的定位系統(tǒng)，在使用該系統(tǒng)的時(shí)候，能夠減少環(huán)境對(duì)觀測(cè)的影響，并對(duì)敵軍或目的地進(jìn)行準(zhǔn)確的定位，從而幫助軍隊(duì)取得戰(zhàn)爭(zhēng)的勝利，引導(dǎo)人民群眾快速地到達(dá)目的地。目前，全球定位系統(tǒng)已被人們廣泛應(yīng)用于導(dǎo)航、定位和工程測(cè)量等諸多方面，給人們的生產(chǎn)和生活帶來了便利，推動(dòng)了經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

2)GPS觀測(cè)的內(nèi)容。GPS觀測(cè)的內(nèi)容主要有偽距觀測(cè)值、相位觀測(cè)值和多普勒頻率變化觀測(cè)值。衛(wèi)星與接收機(jī)之間的距離就是對(duì)碼觀測(cè)值，因?yàn)樵跍y(cè)量的過程中存在著一定的誤差，所以人們普遍稱之為偽距。利用GPS觀測(cè)出相位觀測(cè)值之后，由于相位的初始數(shù)據(jù)難以確定，所以此數(shù)據(jù)只能作為運(yùn)算過程中的參數(shù)。相位觀測(cè)值就是GPS系統(tǒng)將接收到的信號(hào)進(jìn)行處理，從而得到的載波所顯示的相位。多普勒頻率變化觀測(cè)值在定位中發(fā)揮的作用不大，該值能夠反映衛(wèi)星的頻率變化情況。

2．2 相關(guān)數(shù)據(jù)的預(yù)處理分析

監(jiān)測(cè)人員利用GPS獲得相關(guān)的變形數(shù)據(jù)之后，系統(tǒng)內(nèi)部的一些技術(shù)就會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行預(yù)處理，提煉出有用信息，并提供給數(shù)據(jù)使用者，進(jìn)而幫助數(shù)據(jù)使用者快速地認(rèn)識(shí)和了解變形情況，采取科學(xué)有效的方法來防止變形的繼續(xù)，從而減少事故的發(fā)生，為人們提供安全的生產(chǎn)及生活環(huán)境。

GPS變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的處理軟件主要是TEQC，該軟件能夠?qū)PS變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，對(duì)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性進(jìn)行檢查，排除衛(wèi)星信號(hào)中噪音的干擾，提高數(shù)據(jù)的可視化程度，簡(jiǎn)化監(jiān)測(cè)人員的工作任務(wù)和難度。

3 提高GPS變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理精度的方法

科技的快速進(jìn)步以及人們對(duì)高精度GPS變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理的渴望，使得研究人員開發(fā)了大量的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理軟件，其中就涉及到卡爾曼濾波方法。

3．1 卡爾曼濾波方法簡(jiǎn)介

從名稱上來看，人們從大體上可以猜出此類方法的提出者是卡爾曼博士，在提出卡爾曼濾波方法時(shí)，卡爾曼博士的首要目的就是解決人造衛(wèi)星的定軌問題，并消除導(dǎo)航存在的一系列缺陷。該方法利用數(shù)學(xué)遞推的原理推斷出不同時(shí)刻的數(shù)據(jù)信息，因而受噪聲的影響較低，處理的數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性更高。一般情況下，卡爾曼博士提出的方法主要被利用于動(dòng)態(tài)測(cè)量，能完成飛行器和導(dǎo)彈的導(dǎo)航工作，并提高工業(yè)自動(dòng)化的程度。

3．2 卡爾曼濾波方法的過程

變形監(jiān)測(cè)人員在使用卡爾曼濾波方法處理GPS變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)候，應(yīng)做好如下準(zhǔn)備工作:要建立動(dòng)態(tài)的系統(tǒng)狀態(tài)方程，并根據(jù)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)建立相關(guān)的數(shù)學(xué)模型，列出相應(yīng)的方程。根據(jù)數(shù)據(jù)的分散情況，將方程分為連續(xù)型和離散型的方程，在對(duì)兩個(gè)方程加以處理的時(shí)候，可以采用替換的思想來簡(jiǎn)化處理過程，減少計(jì)算工作量，并提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

4 高精度GPS變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理的步驟

4．1 進(jìn)行相關(guān)監(jiān)測(cè)網(wǎng)的布局與設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)人員要想對(duì)工程的變形進(jìn)行全面的監(jiān)測(cè)，則必須對(duì)測(cè)量地區(qū)的大概情況予以了解，充分掌握測(cè)量地區(qū)的環(huán)境影響因素，然后再根據(jù)觀測(cè)簡(jiǎn)單和保存年限較長(zhǎng)的原則來確定變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)。另外，為了提高監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性，基準(zhǔn)點(diǎn)要根據(jù)工程的變形情況來確定，以便于將全部的變形數(shù)據(jù)記錄下來，幫助維修人員快速地確定需維修的地點(diǎn)，減少災(zāi)難的出現(xiàn)。

4．2 明確高精度GPS變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理的方法

完成監(jiān)測(cè)網(wǎng)的布設(shè)之后，只是能夠確保監(jiān)測(cè)的完整性，還不能夠?yàn)榫S修人員提供準(zhǔn)確的變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，所以監(jiān)測(cè)人員要根據(jù)天氣和地質(zhì)環(huán)境的不同選取高精度GPS變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理的方法來處理變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，以此提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，加快維修人員的維修速度，使工程快速達(dá)到正常的使用狀態(tài)，從而減少事故的發(fā)生，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展。

4．3 對(duì)基準(zhǔn)網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理

1)對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。為了提高基準(zhǔn)點(diǎn)數(shù)據(jù)處理的精確度，要采用較為先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理模型——Niell，并利用基線處理軟件完成基準(zhǔn)點(diǎn)到基線的數(shù)據(jù)處理。另外，還可以通過一系列的計(jì)算方法來提高衛(wèi)星軌道的精度，來提高數(shù)據(jù)處理的準(zhǔn)確度，為數(shù)據(jù)使用者提供精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)信息，最大限度地防范事故，確保生產(chǎn)的順利進(jìn)行。

2)對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)的穩(wěn)定性進(jìn)行檢驗(yàn)?；鶞?zhǔn)點(diǎn)的穩(wěn)定性在一定程度上影響了GPS變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，所以，有關(guān)人員要利用跟蹤站來對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)的穩(wěn)定性進(jìn)行檢驗(yàn)，一但出現(xiàn)穩(wěn)定性較差的基準(zhǔn)點(diǎn)，就應(yīng)當(dāng)及時(shí)更換成穩(wěn)定性較高的基準(zhǔn)點(diǎn)，以此充分確保監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

5 結(jié)語

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們迫切要求GPS變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理的準(zhǔn)確性能夠得到提高，以便為數(shù)據(jù)需求者提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，幫助維修人員利用科學(xué)合理的方法消除變形問題，并且提高相關(guān)工程的穩(wěn)定性，為人們提供安全的生產(chǎn)和生活環(huán)境。對(duì)此，我們應(yīng)當(dāng)積極引進(jìn)卡爾曼濾波方法來完成數(shù)據(jù)處理工作，為經(jīng)濟(jì)的發(fā)展貢獻(xiàn)一份力量。

［1］周命端，郭際明，許映林，等．水電站GPS變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)的數(shù)據(jù)處理及穩(wěn)定性分析［J］．測(cè)繪通報(bào)，2011，4(22):111－112．

［2］任建江，李冬梅，嚴(yán)新軍．GPS測(cè)量技術(shù)在水利工程高精度變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)中的應(yīng)用［J］．水利水電技術(shù)，2011，6(42):120－121．

［3］姜衛(wèi)平，劉鴻飛，劉萬科，等．西龍池上水庫GPS變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究及實(shí)現(xiàn)［J］．武漢大學(xué)學(xué)報(bào):信息科學(xué)版，2012，9(37):135－136．