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【摘 要】 GPS技术作为一种全新的定位手段，具有不需要通视、定位精度高、对数据进行实时处理、全天候连续工作、测量速度快等优点，可以在提高工作效率的基础上，确保高层建筑定位控制测量的精度。本文将对GPS系统在高层建筑施工中的具体应用进行详细探讨分析。
【关键词】 高层建筑施工；GPS测量技术；应用分析
1、GPS测量技术概述
GPS即全球定位系统，依托卫星导航提供多种动态目标的连续三维位置以及速度和相应的时间信息，它的出现使得工程测量领域发生了革命性的变革。GPS测量技术具有定位精度高、实时定位、观测时间短、功能用途广、观测站之间无需通视、提供一三维地心坐标，全球全天候作业的诸多特点。例如，它将观测从地对地变成了地对空，只要对天通视即可，观测不再受气候条件的影响，白天和夜晚均可观测，甚至在夜晚观测因大气稳定而更有利。
GPS测量技术工程操作应运中，自动化程度是很高的，操作简单，操作者只进行采集气象数据、安装开关仪器和量取仪器高度，并监测仪器的工作状态。如今，GPS测量基线精度和GPS静态相对定位的精度都得到了大幅度提升，基线精度由10-7提升到10-6，静态相对精度已提高到毫米级，有的可以达到亚毫米级。在动态实时定位精度上，GPS也取得了显著突破，定位精度提高到了厘米级，因此能够满足所有的工程测量，被广泛应用于高层建筑施工测量过程当中。
2、GPS系统测量的基本理论
2.1、GPS卫星定位原理
GPS定位的基本原理是根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据，采用空间距离后方交会的方法，确定待测点的位置。
2.2、GPS测量方法
按照测量中用户接收机天线所处的状态，可将GPS定位测量方法分为静态定位和动态定位。按照定位的结果可将其分为相对定位和绝对定位。其中：静态定位是指接收机天线相对于周围的地面点而言，在其位置处于静止状态的条件下，来确定观测站的绝对坐标的方法；绝对定位是根据卫星的瞬时坐标，以GPS卫星和用户接收机天线间的几何距离观测量为基础来确定观测站的位置，即用户接收机天线对应的点位；相对定位是目前GPS定位中精度最高的一种定位方法，又称为差分GPS定位，它是在基线的两端分别安置两台GPS用户接收机，并且对相同的GPS卫星进行同步观测。静态相对定位就是保证设置在基线端点的用户接收机固定不动，重复进行观测，取得充足的多余观测数据，用以对定位精度进行改善，静态相对定位的基本观测量一般采用载波相位观测值。
3、高层建筑施工GPS测量技术的误差分析
3.1、多路径效应误差
在高层建筑施工GPS测量中，如果测站周围的反射物质所反射的卫星信号（反射波）进入接收机天线，便将与直接来自卫星的信号（直接波）产生干涉，从而使观测值偏离真值产生多路径误差。如（图1）所示，天线A同时收到来自卫星的直接信号S和经地面反射后的反射信号S’。显然这两种信号所经过的路径长度是不同的，反射信号多经过的路径长度称为程差，用Δ表示，
高层建筑施工GPS测量的多路径误差取决于反射物离测站的距离和反射系数（取决于反射的材料！形状及表面粗糙程度等）及卫星信号的方向等各种性质，迄今为止，尚无法建立准确的误差改正模型，较为有效的办法，一是选择恰当测点，避免信号反射物；二是对接收机天线做适当处理，从而抑制反射信号的进入。
3.2、接收机钟误差
GPS接收机一般采用高精度的石英钟，其稳定度约为10-11，若接收机钟与卫星钟之间的同步差为1μs，则由此引起的等效距离误差约为300m。为了减少接收机钟的误差，可以把每个观测时刻的接收机钟差当作一个独立的未知数，将其与观测站的位置参數一并求解。同时，如果遇到定位精度要求较高的情况，就可以采用高精度的外接频标，如铷原子钟或铯原子钟，可以提高接收机时间标准的精度。
3.3、接收机位置误差
在高层建筑施工GPS测量中，由于施工操作面受到机械设备和施工人员的影响，往往会出现天线置平和对中不准的情况。为此，施工人员应在满足接收机布设位置要求的基础上，进行GPS测量；统筹GPS测量与高层建筑结构施工的进度，尽可能保证施工作业层上没有其他工种作业；根据风力等级的大小，采取不同的防风措施，若风力过大，超过了六级，就必须暂停GPS测量作业。
4、GPS测量技术在高层建筑施工中的应用实例
某超高层建筑其结构形式为钢框架核心筒结构，主楼地上68层，地下4层，共高266.2m，整个几何造型上呈上下两端细中间粗的“水桶腰”形状。主楼第36层、52层及第63层为设备层和避难层。由于受到风力、日照、温差等多种动态作用的影响，在施工过程中核心筒顶部处于偏摆运动状态，因此对核心筒的结构空间定位与变形进行测控是非常有必要的。现在，利用GPS测量技术对该建筑进行动态摆动监测。
本次监测采用了6台Trimb1e5700/R8双频接收机分别进行静态和动态监测，接收机的静态平面测量精度为15mm+0.5ppmRMS，垂直精度为15mm+1ppmRMS，动态测量精度水平为110mm+1ppmRMS，垂直精度为120mm+1ppmRMS。另外，还在外围布置了3个GPS点（tsl，ts2和ts3），在建筑物顶层上布置3个GPS点（ts4，ts6和ts7），共布置了6个GPS测量点，其中tsl、ts2和ts3为基准点，建筑物顶层3个点为监测点，监测网形如图2所示：
图2中粗线连接的tsl、ts2和ts3这3个点组成的网为本次GPS监测数据处理的基准网，其余ts4、ts6和ts7这3个监测点的成果是由这3个基准点推算得到。此外，为了更清楚地了解各监测点真实动位移变化情况，可采用小波降噪方法对各监测点的动位移变化时间序列进行滤波处理，以便尽可能地消除噪声对结果的影响，获得更加真实的各监测点位移变化情况。
5、结束语
目前，在我国建筑行业中，利用全球卫星定位系统进行高层建筑施工测量方面还处于探索阶段，将其基本原理应用于高层建筑施工领域，对于提高建筑业的高技术含量，提高工程经济效益及工程施工质量具有重要意义。
参考文献：
[1]姚刚，刘星，张希黔.高层建筑施工GPS测量的技术设计与应用[J].四川建筑科学研究，2004，01：105-107+110.
[2]姚刚.高层及超高层建筑工程的GPS定位控制研究[D].重庆大学，2002.
[3]徐传喜.高层建筑施工GPS测量技术分析[J].中华民居（下旬刊），2013，04：255-256.
[4]吴俊杰.GPS测量技术在高层建筑施工中的应用[J].科技创新导报，2009，19：45.
[5]赵斌.高层建筑施工GPS测量技术分析[J].科技资讯，2010，19：93.
[6]李良玉.GPS测量高层建筑施工的外业实施[J].广东建材，2007，04：102-104.
【关键词】 高层建筑施工；GPS测量技术；应用分析
1、GPS测量技术概述
GPS即全球定位系统，依托卫星导航提供多种动态目标的连续三维位置以及速度和相应的时间信息，它的出现使得工程测量领域发生了革命性的变革。GPS测量技术具有定位精度高、实时定位、观测时间短、功能用途广、观测站之间无需通视、提供一三维地心坐标，全球全天候作业的诸多特点。例如，它将观测从地对地变成了地对空，只要对天通视即可，观测不再受气候条件的影响，白天和夜晚均可观测，甚至在夜晚观测因大气稳定而更有利。
GPS测量技术工程操作应运中，自动化程度是很高的，操作简单，操作者只进行采集气象数据、安装开关仪器和量取仪器高度，并监测仪器的工作状态。如今，GPS测量基线精度和GPS静态相对定位的精度都得到了大幅度提升，基线精度由10-7提升到10-6，静态相对精度已提高到毫米级，有的可以达到亚毫米级。在动态实时定位精度上，GPS也取得了显著突破，定位精度提高到了厘米级，因此能够满足所有的工程测量，被广泛应用于高层建筑施工测量过程当中。
2、GPS系统测量的基本理论
2.1、GPS卫星定位原理
GPS定位的基本原理是根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据，采用空间距离后方交会的方法，确定待测点的位置。
2.2、GPS测量方法
按照测量中用户接收机天线所处的状态，可将GPS定位测量方法分为静态定位和动态定位。按照定位的结果可将其分为相对定位和绝对定位。其中：静态定位是指接收机天线相对于周围的地面点而言，在其位置处于静止状态的条件下，来确定观测站的绝对坐标的方法；绝对定位是根据卫星的瞬时坐标，以GPS卫星和用户接收机天线间的几何距离观测量为基础来确定观测站的位置，即用户接收机天线对应的点位；相对定位是目前GPS定位中精度最高的一种定位方法，又称为差分GPS定位，它是在基线的两端分别安置两台GPS用户接收机，并且对相同的GPS卫星进行同步观测。静态相对定位就是保证设置在基线端点的用户接收机固定不动，重复进行观测，取得充足的多余观测数据，用以对定位精度进行改善，静态相对定位的基本观测量一般采用载波相位观测值。
3、高层建筑施工GPS测量技术的误差分析
3.1、多路径效应误差
在高层建筑施工GPS测量中，如果测站周围的反射物质所反射的卫星信号（反射波）进入接收机天线，便将与直接来自卫星的信号（直接波）产生干涉，从而使观测值偏离真值产生多路径误差。如（图1）所示，天线A同时收到来自卫星的直接信号S和经地面反射后的反射信号S’。显然这两种信号所经过的路径长度是不同的，反射信号多经过的路径长度称为程差，用Δ表示，
高层建筑施工GPS测量的多路径误差取决于反射物离测站的距离和反射系数（取决于反射的材料！形状及表面粗糙程度等）及卫星信号的方向等各种性质，迄今为止，尚无法建立准确的误差改正模型，较为有效的办法，一是选择恰当测点，避免信号反射物；二是对接收机天线做适当处理，从而抑制反射信号的进入。
3.2、接收机钟误差
GPS接收机一般采用高精度的石英钟，其稳定度约为10-11，若接收机钟与卫星钟之间的同步差为1μs，则由此引起的等效距离误差约为300m。为了减少接收机钟的误差，可以把每个观测时刻的接收机钟差当作一个独立的未知数，将其与观测站的位置参數一并求解。同时，如果遇到定位精度要求较高的情况，就可以采用高精度的外接频标，如铷原子钟或铯原子钟，可以提高接收机时间标准的精度。
3.3、接收机位置误差
在高层建筑施工GPS测量中，由于施工操作面受到机械设备和施工人员的影响，往往会出现天线置平和对中不准的情况。为此，施工人员应在满足接收机布设位置要求的基础上，进行GPS测量；统筹GPS测量与高层建筑结构施工的进度，尽可能保证施工作业层上没有其他工种作业；根据风力等级的大小，采取不同的防风措施，若风力过大，超过了六级，就必须暂停GPS测量作业。
4、GPS测量技术在高层建筑施工中的应用实例
某超高层建筑其结构形式为钢框架核心筒结构，主楼地上68层，地下4层，共高266.2m，整个几何造型上呈上下两端细中间粗的“水桶腰”形状。主楼第36层、52层及第63层为设备层和避难层。由于受到风力、日照、温差等多种动态作用的影响，在施工过程中核心筒顶部处于偏摆运动状态，因此对核心筒的结构空间定位与变形进行测控是非常有必要的。现在，利用GPS测量技术对该建筑进行动态摆动监测。
本次监测采用了6台Trimb1e5700/R8双频接收机分别进行静态和动态监测，接收机的静态平面测量精度为15mm+0.5ppmRMS，垂直精度为15mm+1ppmRMS，动态测量精度水平为110mm+1ppmRMS，垂直精度为120mm+1ppmRMS。另外，还在外围布置了3个GPS点（tsl，ts2和ts3），在建筑物顶层上布置3个GPS点（ts4，ts6和ts7），共布置了6个GPS测量点，其中tsl、ts2和ts3为基准点，建筑物顶层3个点为监测点，监测网形如图2所示：
图2中粗线连接的tsl、ts2和ts3这3个点组成的网为本次GPS监测数据处理的基准网，其余ts4、ts6和ts7这3个监测点的成果是由这3个基准点推算得到。此外，为了更清楚地了解各监测点真实动位移变化情况，可采用小波降噪方法对各监测点的动位移变化时间序列进行滤波处理，以便尽可能地消除噪声对结果的影响，获得更加真实的各监测点位移变化情况。
5、结束语
目前，在我国建筑行业中，利用全球卫星定位系统进行高层建筑施工测量方面还处于探索阶段，将其基本原理应用于高层建筑施工领域，对于提高建筑业的高技术含量，提高工程经济效益及工程施工质量具有重要意义。
参考文献：
[1]姚刚，刘星，张希黔.高层建筑施工GPS测量的技术设计与应用[J].四川建筑科学研究，2004，01：105-107+110.
[2]姚刚.高层及超高层建筑工程的GPS定位控制研究[D].重庆大学，2002.
[3]徐传喜.高层建筑施工GPS测量技术分析[J].中华民居（下旬刊），2013，04：255-256.
[4]吴俊杰.GPS测量技术在高层建筑施工中的应用[J].科技创新导报，2009，19：45.
[5]赵斌.高层建筑施工GPS测量技术分析[J].科技资讯，2010，19：93.
[6]李良玉.GPS测量高层建筑施工的外业实施[J].广东建材，2007，04：102-104.