基于GPS卫星定位技术的高精度形变监测系统的设计与实现

摘要

高精度形变监测具有两个方面的意义:一是在实际应用上，可以及时发现工程建筑和地质结构上可能出现的隐患和变动问题，及早的做出应对措施;二是在科学上，对一些理论的可行性验证，进一步深入理解形变的基础原理，并为工程上建立准确的预测机制提供可靠地理论依据和方法。基于GPS的卫星定位技术已经广泛应用于各种生产领域，且具有精度高、连续性好、全天候、实时性的特点，还可以在环境恶劣有人值守比较困难的情况下，进行无人监测，因此而成为当今主要的监测手段。
　　本文即是基于GPS卫星定位技术，设计并实现一种高精度的形变监测系统。文章首先对系统的理论依据做了介绍和仿真，主要是在Gamit基线解算的基础上，同时采用迭代卡尔曼滤波对接收的数据和基线解算值进行不断地预测，并与实际数据相比较，达到最优的估计值。从而在相对定位的基线解算过程中得到高精度的监测点的形变量，达到对监测点的形变量做出动态预警监测。
　　其次，在系统功能上主要是针对流动站和基准站的设计。在流动站上，采用EM9170工控开发板与GPS模块，负责接收监测点的GPS数据，使用编程语言自动获取解算需要的数据和卫星信息，并将接收的数据通过无线网桥发送给基准站;基准站上则由ENC5146和GPS模块组成，基准站上除采集GPS卫星数据外，同时它也要负责将流动站传输来的数据和本身采集的数据组合进行基线解算，这是系统的核心功能，之后它会将解算数据等相关信息通过公网GPRS传送到远端的监测服务器上。流动站和基准站的功能通过VS2008进行编写，此外并对相应的数据库进行设计。
　　最后本文根据系统在兰州窑街电力铁塔项目的实际应用，使用所得数据进行分析，判断误差达到高精度毫米级要求，同时验证了本系统在实际应用中的可靠性和稳定性，具有广泛的实际应用前景。
　　本论文的创新点在于以开源的Gamit解算为原型，通过Gamit解算模型的改进和迭代卡尔曼滤波的综合运用设计解算算法，然后以此理论算法为依据设计高精度形变监测系统，并在实际中得到应用。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 选题背景及意义

1．2 国内外研究现状与发展

1．3 论文研究的主要内容

1．4 论文系统设计的组织结构安排

2 GPS定位与基线解算

2．1 GPS定位的基本原理

2．2 基线解算

2．2．1 基线解算的基本原理

2．2．2 Gamit基线解算

2．3 本章小结

3 Kalman滤波及对GPS数据的作用

3．1 Kalman滤波技术

3．2 Kalman滤波模型建立

3．3 Kalman滤波模型对GPS数据的作用

3．4 本章小结

4 形变系统的设计

4．1 总体设计方案与规划

4．2 流动站和基准站

4．2．1 站点功能

4．2．2 硬件设备

4．3 主要模块设计

4．3．1 数据采集软件

4．3．2 基准站(解算站)功能设计

4．4 数据通信部分

4．4．1 流动站数据传输

4．4．2 GPRS与解算值传输

4．5 数据库设计

4．6 本章小结

5 系统实例应用分析

5．1 窑街地质形变简介

5．2 形变系统运行与分析

5．3 本章小结

结论

致谢

参考文献

附录A GPS信号仿真与滤波程序代码

附录B GPS高精度形变监测系统测试设备

攻读学位期间的研究成果