傳統(tǒng)的測量方法很難實現(xiàn)對高層建筑物變形的精確監(jiān)測。本文介紹了GPS的組成和定位原理，并指出了應用GPS在進行建筑物變形監(jiān)測時的監(jiān)測網的設計、實施以及誤差的消除方法。高層建筑物的沉降是其變形的重要方式之一，對其變形觀察來說，如果一味沿用傳統(tǒng)的測量方法很難實現(xiàn)較高的精度要求，而且其工作量也很大。

GPS是一種全新的全球空間定位系統(tǒng)，具有傳統(tǒng)觀測方法不可比擬的優(yōu)勢，現(xiàn)已逐步在建筑物的沉降變形觀測方面得以應用，引起了業(yè)內人士的廣泛關注。

1、GPS組成概述GPS系統(tǒng)由GPS衛(wèi)星、地面分區(qū)域的監(jiān)控單位以及帶有GPS接收天線的用戶端三部分組成，其監(jiān)測功能就是通過有機整合三方面的功能而得以實現(xiàn)的。

1.1空間星座部分GPS的工作衛(wèi)星一共有21顆，另外還包括3顆備用衛(wèi)星。所有衛(wèi)星組成了一個可以全將地球表面覆蓋的衛(wèi)星網絡，我們通常把這個衛(wèi)星網絡稱其為(21+3)GPS星座。同時，所以衛(wèi)星均勻分布在6個近似圓形的軌道平面，與地球赤道成55夾角，距地表平均高度為20200km，以上的分布其設計目的是確保任何時候在地球的任何位置都能至少看到其中的4顆。

1.2地面監(jiān)控部分地面監(jiān)控系統(tǒng)的組成包括1個設置在美國本土的主控站，3個分設在大西洋、印度洋和太平洋美國空軍基地的注入站，另外的5個監(jiān)測站除了一個被單獨設置在夏威夷，其余均位于各主控與注入站上。

1.3用戶端部分即為GPS信號接收機，其作用主要是跟蹤、接收、變換和放大GPS衛(wèi)星所發(fā)射的信號，再根據(jù)傳播時間和解譯內容來模擬監(jiān)測物的三維數(shù)據(jù)。

2、GPS的定位原理GPS的定位原理是以無線電傳播理論作為其基礎的，在用戶端，一旦接收設備收到空間衛(wèi)星發(fā)出的信號，即可計算出信號的延遲時間和衛(wèi)星的延遲相位。通常把計算出的衛(wèi)星到接收設備端的距離稱做偽距，進一步修正參數(shù)做誤差處理，就能達到定位的目的。目前GPS的定位方法可分為距離定位和雙曲線定位。

2.1距離定位法現(xiàn)將已明確位置的三顆衛(wèi)星設定為S1、S2和S3，將接收設備所在的位置設定為P，P點即是未知坐標點。通過無線電傳播的理論，可分別計算出S1、S2、S3到接收天線P點的距離，再通過公式則可計算出P點的具體坐標。形象一點來說，若分別S1、S2、S3為圓心，以PS1、PS2、PS3距離為半徑做3個圓，此3圓的交匯點即是接收天線P的位置，實際監(jiān)測中還會涉及到經度、緯度、高度和時間等空間多維方面的因素。

2.2雙曲線定位法將已明確位置的四顆衛(wèi)星設定為S1、S2、S3和S4，將接收設備所在的位置設定為P，P點即是未知坐標點。將測量出的P點到兩已經衛(wèi)星的距離設置為D，那么D=︱SiP︱x︱SjP︱。(i≠j)，而后則可把Si和Sj作為焦點并以D作焦距繪制3組空間曲面，P點的空間坐標便可由以上3組曲面的交匯點得出。由于此種定位方法涉及到3個距離差值，所以參與觀測的GPS衛(wèi)星數(shù)量至少要保證有4個或以上。

3、GPS的變形監(jiān)測網設計《全球定位系統(tǒng)GPS測量規(guī)范(規(guī)程)》是所有GPS運用都必須符合的基本準則，所以將其應用在建筑物的變形監(jiān)測方面也不例外。此外，建筑物變形監(jiān)測的誤差一般應小于允許變形值的1/20～1/10[2]。GPS觀測的方式是三維坐標且容易受到各方面因素的干擾，所以，為了使變形監(jiān)測在可靠性方面得到保障，必須合理設計基準點的位置和數(shù)量，測量用固定基準點至少得保證有三個，根據(jù)精度的要求，可以增加到三個以上;布置基準點的位置應該盡量避開大功率電臺、高壓線、高大建筑物、大面積的水域諸如此類的地方，就建筑而言，其埋設點需盡量不受到建筑變形的影響，同時還要保證不妨礙施工和更便于觀測。對于監(jiān)測點，應該選擇有代表性的變形敏感部位，使能及時監(jiān)測出建筑物的變形情況。觀測方案對GPS變形監(jiān)測網的精度起決定性作用。其觀測方案的確立可以從以下幾個方面來做出衡量：⑴選擇適當?shù)淖鴺讼到y(tǒng)：綜合考慮地理位置、經濟條件和精度要求等，盡量選擇高精度的控制點和基站。如果精度標準不能從硬件上做到最理想化，就應該考慮多在觀測數(shù)據(jù)的處理方面努力，如進行以首期基準點為基礎數(shù)據(jù)的平差處理。另外在選擇不同的坐標系的時候必須注意坐標轉換的問題。⑵GPS變形檢測網的圖形設計：實踐證明，在觀測條件固定不變的情況下，GPS網的精度在很大程度上受圖形的制約，通常采用邊連式的網形結構，另外需遵循以下及方面的原則：①需確保至少兩條基線連接一個測量點，勿有支點出現(xiàn);②平差圖形需選擇精度更高的基線;③參與平差的閉合環(huán)需盡量選擇比核查較小者。⑶觀測頻率和時長設計：根據(jù)GPS定位的基本原理，為了提高監(jiān)測的精度，總體來說，應當選擇最佳衛(wèi)星分布且衛(wèi)星最多的時段，如果能在相同或者相似的分布狀態(tài)更好。

4、GPS的變形監(jiān)測方案實現(xiàn)

4.1 監(jiān)測精度的確定常用高層建筑地基的允許變形值的行業(yè)標準，可為相應建筑物的實際允許變形量提供理論依據(jù)，然后再結合實際情況就可以制定出科學合理監(jiān)測精度 [3];另外還可把建筑物的重要級別來作為確定其精度監(jiān)測的參考標準。

4.2 如何設計監(jiān)測點位變形觀測點是一個多點聯(lián)合觀測的組網系統(tǒng)，其工作方式是基準點和監(jiān)測點的配合運用，基準點又包括穩(wěn)定基準點和工作基點，其作用各有不同。基準點一般埋設在變形影響范圍以外或基巖上以保證其穩(wěn)定性，埋設點不宜過遠或過近，遠會增加誤差近則影響穩(wěn)定。另外，在基準點和監(jiān)測點之間一般設有工作基點，基準點和工作基點共同構成的變形網不僅給測量工作帶來方便，而且提高了穩(wěn)定性。監(jiān)測點布置設計要充分考慮該建筑物的基礎類型、整體結構外形、荷載變化和等多方面的因素，其總體原則是要保證能夠及時反應高層建筑的沉降狀況，最好選擇在建筑物最容易在外力作用下導致變形且變形特征比較容易觀察到的部位[4]。另外，監(jiān)測點的位置應該考慮到建筑物所處建造時段，如果在尚在施工期間的建筑，應該考慮到建設后期裝修的因素，可能導致之前的監(jiān)測點受到施工的破環(huán)，所以應該做適當預處理。

4.3監(jiān)測周期的確定對于高層建筑的沉降監(jiān)測來講，其絕對的變形數(shù)值只能反應建筑物的幾何位移量，而不能反應在一個特定時間段內一個變化的動態(tài)過程，相比之下，其變形速率更具有實質意義。根據(jù)經驗的總結，可用以下的公式來確定高層建筑的檢測周期：

5、GPS變形監(jiān)測如何消除誤差導致GPS監(jiān)測結果產生誤差的原因主要來至三個方面：GPS衛(wèi)星相關誤差、傳播途徑相關誤差、GPS接收端相關誤差。本文主要從后兩者來談談消除誤差的方法。傳播途徑相關誤差：⑴電離層折射：①運用雙頻甚至是多頻的監(jiān)測數(shù)據(jù)組合來矯正電離層的延遲;②建立電離層模型，并通過對模型的分析來進行修正;③同步觀測求差。⑵對流層折射：①根據(jù)氣象參數(shù)，用對流層模型修正;②處理數(shù)據(jù)的同時引入對流層附加差數(shù);③同步觀測求差。⑶多路徑效應：①選擇干擾較小的站址;②選用好的接收端。GPS接收端相關誤差：(1)接受機鐘差：在數(shù)據(jù)處理時，把每個觀測時刻的鐘差與觀測站的位置參數(shù)一并求解。(2)接收機位置誤差：可對同組衛(wèi)星進行多點同步觀測，再將觀測結果求差。(3)接收端天線相位。