GNSS单历元基线解算方法在开采沉陷监测中的应用

摘要

随着我国BDS(BeiDou Satellite Navigation System)正式提供区域服务和全球布网的建设，且BDS是唯—全星座播发三频信号的卫星系统，全球卫星导航系统进入多星座多频融合定位时代。多频观测值组合具有快速固定模糊度的特性，而如何充分利用BDS三频观测值，对于推广BDS应用具有重要意义。GNSS(Global Navigation Satellite System)单历元解算无需周跳探测与修复，可以在卫星失锁后快速初始化，即使在观测环境较为恶劣的条件下，其可用性要高于多个历元数据，能实现GNSS观测数据的高效利用。鉴于此，本文对上述问题进行了研究，主要问题及成果有:
　　1.基于条件数法分析了单频与双频宽巷载波双差观测方程的病态性，分析表明单频与双频宽巷载波双差观测方程的病态性相当严重。对于单频数据，根据Tikhonov正则化原理，构造正则化矩阵R和确定正则化参数α，采用基于正则化解法的GNSS单频单历元基线解算模型，利用实测数据进行算法验证;对于双频数据，引入伪距观测量，先分组逐步固定宽巷模糊度，再固定基频模糊度，采用基于双频观测值的GNSS单历元基线解算模型，并利用实测数据分析不同截止高度角下的定位效果。
　　2.依据先固定超宽巷或宽巷模糊度、再固定基频模糊度的思路，选择先固定(0,-1，1)和(1，4，-5)两个超宽巷模糊度，再联立两个无电离层组合，实现BDS基频模糊度固定。建立附有BDS三频约束的GNSS单历元基线解算模型，实现GPS(Global Positioning System)系统模糊度快速固定。结果表明:对于短基线，BDS三频约束模型Ratio均值为189.2，而传统模型仅为39.2，明显提高了GPS系统模糊度固定的可靠性。
　　3.针对BDS系统不同星座卫星差异较大的问题，分析了零基线和超短基线中不同星座卫星的载波观测值残差、信噪比与高度角的关系，提出了基于卫地距、信噪比和高度角组合随机模型。结果表明:与传统正弦三角函数模型相比，新的随机模型虽然对于定位精度改善效果不明显，但对于4.2m、4.17km和8.84km基线模糊度解算成功率分别提升了0.1％、4.7％和1.1％，增强了解算结果的稳定性。
　　4.以朱集东煤矿西一采区1222(1)工作面为研究对象，研究GNSS单历元基线解算方法在矿区开采沉陷监测中的应用。结果表明，采用GNSS单历元基线解算方法，平面点位误差外符合精度最大值为13.6mm，均值为10.6mm，平面精度基本满足矿区开采沉陷监测的要求，但高程精度略显不足。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2．1 开采沉陷监测技术的发展

1．2．2 GNSS卫星技术在变形监测中的应用研究

1．3 GNSS单历元基线解算相关问题研究现状

1．3．1 模糊度解算方法研究现状

1．3．2 短基线单历元模糊度快速解算现状研究

1．4 主要研究内容与技术路线

1．4．2 技术路线

2 GNSS基础理论

2．1 GNSS各系统概况

2．1．2 GLONASS系统概况

2．1．3 Galileo系统概况

2．1．4 BDS系统概况

2．1．5 其他区域系统概况

2．2 GNSS定位函数模型

2．2．2 GNSS卫星坐标的计算

2．2．3 GNSS非差观测方程

2．2．4 GNSS差分观测方程

2．3 GNSS观测误差及处理方法

2．3．1 与卫星有关的误差

2．3．2 与信号传播有关的误差

2．3．3 与接收机有关的误差

2．3．4 起算点坐标偏差对基线解算的影响

2．4 本章小结

3 GNSS单历元基线解算关键算法

3．1 病态性分析及克服病态性的方法

3．1．1 Gauss-Markov模型

3．1．2 克服病态l生的方法

3．1．3 载波双差观测方程扁剖生分析

3．2 基于正则化解法的GNSS单频单历元基线解算

3．2．1 函数模型

3．2．2 基线解算质量评价

3．2．3 箅例分析

3．3 基于双频观测值的GNSS单历元基线解算

3．3．1 函数模型

3．3．2 算例分析

3．4 基于BDS三频约束的GNSS单历元基线解算

3．4．2 BDS三频单历元基线解算

3．4．3 附有BDS三频约束的GNSS单历元基线解算

3．4．4 算例分析

3．5 随机模型

3．5．1 几种常用随机模型

3．5．2 基于北斗GEO／IGSO／MEO卫星三频观测值的随机模型研究

3．5．3 算例分析

3．6 本章小结

4 软件实现与评估

4．1 软件实现

4．1．1 软件设计

4．1．2 软件运行

4．2 软件评估

4．2．1 试验方案

4．2．2 初步评估

4．3 本章小结

5 GNSS单历元基线解算方法在矿区开采地表沉陷监则中的应用

5．1 试验区概况

5．2 试验区高精度GNSS三维开采沉陷监测基准网的建立

5．2．2 基线解算

5．2．3 GNSS网空间无约束平差及精确度评价

5．3 变形量计算及质量评价

5．3．1 变形量计算

5．3．2 成果检核

5．4 本章小结

6 总结与展望

6．1 主要工作及结论

6．2 展望

参考文献

致谢

作者简介及读研期间主要科研成果