GPS变形监测单历元数据处理方法研究

摘要

各种建筑物、构筑物、工程主体受到自然应力的破坏现象日益增加，这对人民生命财产安全引发日益严峻的问题。利用相应监测的技术手段进行预报预警，对国民民生与社会长久发展具有重要意义。基于GPS的观测沉降与变形监测技术具有独特的优越性，在实际工程中被广泛使用。GPS观测技术难点之一为载波相位观测值中模糊度的正确求解，由于在实际观测环境中，常有周跳与卫星信号失锁现象的发生，这为解算模糊度带来了困扰。这种常见难题催生了一种GPS观测解算新方法----单历元定位技术。本文围绕单历元模糊度固定现有常规方法，结合GPS观测值总结并提出了分别适用于单双频单历元模糊度固定算法；并结合实测数据验证了本文提出的方法在精度上能够满足日常的变形与沉降监测要求。
　　本研究主要内容包括：⑴探讨了单历元伪距差分、载波相位差分的观测方程与随机方程，其中详细介绍了等权随机模型、高度角随机模型、信号强度随机模型、载噪比随机模型，比较并分析了各种随机模型的适用条件；⑵分析与研究了拟合推估正常解法与两步极小解法存在的差异与适用条件，针对拟合推估两步极小解法的优点，大胆将此方法应用于卫星钟差短期预报与插值中。结合钟差文件并与灰理论方法、拟合推估正常解法进行比对，证明该方法在短期钟差预报中可到达0.3ns左右的精度及插值中可达到亚纳秒级精度；⑶系统地阐述了几种常见的双频单历元模糊度固定算法，并介绍了这几种方法的解算流程。结合双频观测值的特点，并汲取常见的双频单历元固定算法的优点，提出了一种组合方法实现双频单历元定位，该方法有效的克服了初始化时间过长、周跳、卫星失锁的影响。最后根据实测数据验证了该组合方法在双频单历元定位中的能够达到厘米级精度；⑷根据单频单历元法方程系数阵秩亏这一特点，证明了单频单历元方程无法固定模糊度的本质原因。利用Tikhonov正则化法对法方程中系数矩阵秩进行修正，从而得到可靠的模糊度实数解与协方差矩阵；最后依据阻尼LAMBDA方法实现模糊度搜索与固定，根据实测数据验证了该方法在单频单历元观测中具有一定的指导性意义；⑸针对坐标序列中存在共模误差，采用PCA空间滤波方法分离测站之间相关性误差。依据Welch频谱分析方法解算PCA空间滤波消除周期噪声的范围。

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1 绪论

1.1 研究背景及意义(Research Background and Significance)

1.2 国内外研究现状(Research Statud at China and Abroad)

1.3 本文主要研究内容及技术路线(Main Reaearch Contents and Technology Roadmap)

2 单历元解算中的数学模型及误差源

2.1 单历元解算的函数模型(Function Model of Singel Epoch Resolution)

2.2 常见组合观测值(Combintion Observation)

2.3 单历元数据处理中的误差源(Error Source of Single Epoch Data Processing)

2.4 单历元观测方程随机模型(Stochastic Model of Singel Epoch Equation)

2.5 本章小结(Summary)

3 卫星钟差预报与插值方法研究

3.1 引言(Foreword)

3.2 常用的钟差预报与插值方法(the Usual Method of Clock Bi as Prediction and Interpolation)

3.3 拟合推估两步极小解法在卫星钟差预报中的应用研究(Rese ach on two steps’ minimization of collocations in clock bi as prediction)

3.4 算例与分析(Experoment and Analysis)

3.5 本章小结（Summary）

4 基于宽频扩波的单历元模糊度算法研究

4.1 引言(Foreword)

4.2 一种新的双频单历元模糊度解算方法(a New Method of D ual-frequency Single Epoch Ambiguity Resolution)

4.3 实例与分析(Experoment and Analysis)

4.4 本章小结（Summary）

5 基于TIKHONOV正则化的单历元模糊度解算

5.1 引言(Foreword)

5.2 单历元病态方程本质研究(Reserch of Essentials of Singel Epoch Equation)

5.3 Tikhonov方法中正则化矩阵与参数确定(Solving regularizati on Matrix and Parameter of Tikhonov regularization )

5.4 单频单历元模糊度解算的阻尼LAMBDA算法(Damped LAMB DA for Single Frequency and Single Epoch Resolution)

5.5 本章小结（Summary）

6 单历元坐标序列分析

6.1 PCA理论方法(Theory of PCA)

6.2 Welch法功率谱估计(Power Spectral Estimation of Welch method)

6.3 算例与分析(Experoment and Analysis)

6.4 本章小结(Summary)

7 结论与展望

7.1 结论(Conclusion)

7.2 展望(Prospect)

参考文献

作者简历

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