用于处理基于北斗的高精度位移形变监测数据的方法

摘要

本发明公开一种用于处理基于北斗的高精度位移形变监测数据的方法，是用于处理基于北斗卫星导航系统和GPS导航系统监测地质位移形变并进行高精度定位过程中的整周模糊度参数数据的方法；其包括以下步骤：第一，在位移形变监测中心服务站设置GPS/北斗组合接收机；第二，GPS/北斗组合接收机获取GPS导航系统和北斗卫星导航系统的每观测历元输出伪距、载波相位观测值和卫星星历参数，并将以上数据传输给数据处理中心系统；第三，数据处理中心系统采用载波相位差分方程计算出整周模糊度参数。通过该方法可以得出精度高的整周模糊度参数，使得将北斗卫星导航系统应用于地质位移形变监测时可以获得更好的监测效果。

说明书

技术领域

本发明属于基于卫星导航系统对地质位移形变进行实时监测的技术领域，具体涉及了一 种用于处理基于北斗的高精度位移形变监测数据的方法。

背景技术

水利工程、大型建筑、矿山、桥梁等是国民经济的基础结构，作为国家电力、交通网络、 能源供应的重要联接，在经济建设中发挥着不可忽视的作用。由于正常的以及非正常的荷载 导致了许多水利工程、桥梁或者矿区、地质出现了不同程度的变形或损坏，因此，水利工程、 桥梁、矿区的健康监测已经成为了水利、桥梁、矿产正常运营及管理阶段的主要任务。随着 国民经济的发展，为了满足日益增加的电力、资源应用及交通运营需求，需要建设越来越多 的水利设备、大型桥梁和矿产。因而，它们的安全将成为各界面临的非常重要的问题，这都 对高精度的位移或形变监测提高了更新、更高的要求。

水利工程和桥梁状态的数据可以被用来检测其潜在的形变、位移及损坏以及帮助今后工 程的设计。采集大量的、实时的以及精确的工程运营状态数据（如工程及桥梁的几何形状的 变形，水利工程在巨大水压的形变，桥梁在变化的载荷下实时的或者接近实时的动态响应等） 对于水利工程及桥梁的相关机构来说是相当有意义的。

工程、桥梁、地质等常常有两种特征的变形及位移，如由于基础沉降、工程面或桥梁的 断裂以及索力的松弛等造成长期（永久）的变形或位移；另一种是由于地壳的运动、风、温 度、潮汐、地震、人为以及交通等引起短期的变形或位移。长期的变形或位移是不可恢复的， 而短期的变形或位移在外力消失时候是可以恢复的，而短期的变形在外力消失的时候工程、 桥梁是可以恢复到施加外力以前状态的。

目前，传统的监测工具有位移传感器、加速度计、倾斜传感器、激光干涉仪、全站仪、 精密水准仪等，这些方法都有一定的成效但也存在许多不足之处。例如，加速度计对于高频 动态的测定较为准确然而对于工程、桥梁、地质由于温度变化等因素引起的位移以及大风影 响下的大位移就无能为力；倾斜传感器必须与其他方法配合使用，这就带来了不同传感器的 数据融合和时间同步的问题；激光干涉仪、全站仪和精密水准仪受气候的影响较为严重而采 样率也很难达到动态测量的要求；除此之外，以下监测手段都存在着各测点之间很难做到时 间同步问题，从而给后续工程、桥梁、地质的特性的分析带来困难。

近年来，虽然GPS在形变、位移监测也进行了一些研究和探索，但由于GPS的自主权掌 握在美国手中，仍无法保障其安全性及有效性。在我国，随着北斗二号组网正式运行，尤其 是RTK技术，其接收机的采样率已普遍达到10-20HZ，这使其应用于形变及位移监测成为可 能。据发明人调查，市场上还未出现有比较成熟的基于北斗的位移形变监测的产品。而且在 应用北斗卫星导航系统时，使用载波相位观测量会遇到整周模糊度未知数问题，那么北斗卫 星载波相位观测值模糊度参数必须被准确解算出来；一旦所有的模糊度正确解算出来，利用 将很容易的获得毫米级精度的差分定位精度，从而得到高精度的定向结果。但是目前相关领 域研究中对应用北斗卫星导航系统时，如何解算出整周模糊度参数的研究还是比较少，没有 一种比较好的算法，使得北斗卫星导航系统在地质位移形变监测的应用中不能实现很高的精 度定位、定向。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种算法简单，结果准确、精度高的用 于处理基于北斗的高精度位移形变监测数据的方法。

为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种用于处理基于北斗的高精度位移形变监测数据的方法，是用于处理基于北斗卫星导 航系统和GPS导航系统监测地质位移形变并进行高精度定位过程中的整周模糊度参数数据的 方法；其包括以下步骤：

第一，在位移形变监测中心服务站设置GPS/北斗组合接收机，所述的GPS/北斗组合接收 机内置有GPS芯片和北斗芯片，并与位移形变监测中心服务站的数据处理中心系统通过数据 传输线连接；

第二，GPS/北斗组合接收机获取GPS导航系统和北斗卫星导航系统的每观测历元输出伪 距、载波相位观测值和卫星星历参数，并将以上数据传输给数据处理中心系统；

第三，数据处理中心系统采用载波相位差分方程计算出整周模糊度参数；所述的载波相 位差分方程为载波相位双差分观察方程式中，是 两测站两卫星间双差整周模糊度参数，是两测站两卫星间双差载波相位，是两 测站两卫星间双差星站距离，ε为测量噪声，f为信号频率，c为真空中的光速。

作为本发明的进一步说明，在步骤三中，所述的整周模糊度参数的算法具体为：设定在 1、2两个测站上分别安置接收机进行同时观测，则两载波相位观测方程分别为：

${\Phi }_1^i=N_1^i+\frac{f}{c}{\rho }_2^i+\mathrm{f\delta }{t}_1-\mathrm{f\delta }{t}^i+\frac{f}{c}{\rho }_{1\mathrm{trop}}^i+\frac{f}{c}{\rho }_{1\mathrm{ion}}^i+ϵ,$

${\Phi }_2^i=N_2^i+\frac{f}{c}{\rho }_2^i+\mathrm{f\delta }{t}_2-\mathrm{f\delta }{t}^i+\frac{f}{c}{\rho }_{2\mathrm{trop}}^i+\frac{f}{c}{\rho }_{2\mathrm{ion}}^i+ϵ,$

式中，上标为卫星号，下标为测站号；

对于基线相对定位，对上面两式作差分运算：

$\Delta {\Phi }_{12}^i={\mathrm{\Delta N}}_{12}^i+\frac{f}{c}\Delta {\rho }_{12}^i+\mathrm{f\Delta \delta }{t}_{12}+\frac{f}{c}\Delta {\rho }_{12\mathrm{trop}}^i+\frac{f}{c}\Delta {\rho }_{12\mathrm{ion}}^i+\mathrm{\Delta ϵ},$

式中：两接收机观测同一颗卫星i的载波相位观测值的差值两接收机观测 同一颗卫星i的相位整周模糊度的差值两接收机对同一颗卫星i的距离的 差值：两个接收机的钟差的差值两接收机对同一颗卫星i 的对流层时延的差值两接收机对同一颗卫星i的电离层时延的差值 ${\mathrm{\Delta \rho }}_{12\mathrm{ion}}^i={\rho }_{1\mathrm{ion}}^i-{\rho }_{2\mathrm{ion}}^i;$

对于远在36000km外的卫星而言，如果两测站相距不远，卫星信号到达两测站所通过 的路径基本相同，即同一卫星信号到达两接收机的电离层和对流层延迟是基本相同的，相对 基线测量中，将两个测站同一时刻的观测量相减，就可以大部分消除掉电离层和对流层延迟 带来的误差，同时在差分方程中卫星钟差也消除了；从而得出载波相位双差分观察方程 ${▿\mathrm{\Delta \Phi }}_{12}^{\mathrm{ij}}\left(t\right)=\frac{f}{c}▿\Delta {\rho }_{12}^{\mathrm{ij}}\left(t\right)+▿\Delta N_{12}^{\mathrm{ij}}+ϵ.$

本发明的优点：

本发明中的算法简单，结果准确、精度高；通过该方法可以得出精度高的整周模糊度参 数，使得将北斗卫星导航系统应用于地质位移形变监测时可以获得更好的监测效果；这样降 低了对GPS的依赖性。而且北斗卫星导航系统是我国拥有自主知识产权的卫星导航系统，不 受国外卫星导航系统的限制，能够进行持续有效的建筑健康检查，尤其是在恶劣自然环境及 政治环境下，不会造成监测的中断，提高了监测系统的安全可靠性。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进一步说明。

实施例：

一种用于处理基于北斗的高精度位移形变监测数据的方法，是用于处理基于北斗卫星导 航系统和GPS导航系统监测地质位移形变并进行高精度定位过程中的整周模糊度参数数据的 方法；其包括以下步骤：

第一，在位移形变监测中心服务站设置GPS/北斗组合接收机，所述的GPS/北斗组合接收 机内置有GPS芯片和北斗芯片，并与位移形变监测中心服务站的数据处理中心系统通过数据 传输线连接；

第二，GPS/北斗组合接收机获取GPS导航系统和北斗卫星导航系统的每观测历元输出伪 距、载波相位观测值和卫星星历参数，并将以上数据传输给数据处理中心系统；

第三，数据处理中心系统采用载波相位差分方程计算出整周模糊度参数；所述的载波相 位差分方程为载波相位双差分观察方程式中，是 两测站两卫星间双差整周模糊度参数，是两测站两卫星间双差载波相位，是两 测站两卫星间双差星站距离，ε为测量噪声，f为信号频率，c为真空中的光速。

在步骤三中，所述的整周模糊度参数的算法具体为：设定在1、2两个测站上分别安置接 收机进行同时观测，则两载波相位观测方程分别为：

${\Phi }_1^i=N_1^i+\frac{f}{c}{\rho }_2^i+\mathrm{f\delta }{t}_1-\mathrm{f\delta }{t}^i+\frac{f}{c}{\rho }_{1\mathrm{trop}}^i+\frac{f}{c}{\rho }_{1\mathrm{ion}}^i+ϵ,$

${\Phi }_2^i=N_2^i+\frac{f}{c}{\rho }_2^i+\mathrm{f\delta }{t}_2-\mathrm{f\delta }{t}^i+\frac{f}{c}{\rho }_{2\mathrm{trop}}^i+\frac{f}{c}{\rho }_{2\mathrm{ion}}^i+ϵ,$

式中，上标为卫星号，下标为测站号；

对于基线相对定位，对上面两式作差分运算：

$\Delta {\Phi }_{12}^i={\mathrm{\Delta N}}_{12}^i+\frac{f}{c}\Delta {\rho }_{12}^i+\mathrm{f\Delta \delta }{t}_{12}+\frac{f}{c}\Delta {\rho }_{12\mathrm{trop}}^i+\frac{f}{c}\Delta {\rho }_{12\mathrm{ion}}^i+\mathrm{\Delta ϵ},$

式中：两接收机观测同一颗卫星i的载波相位观测值的差值两接收机观测 同一颗卫星i的相位整周模糊度的差值两接收机对同一颗卫星i的距离的 差值：两个接收机的钟差的差值两接收机对同一颗卫星i 的对流层时延的差值两接收机对同一颗卫星i的电离层时延的差值 ${\mathrm{\Delta \rho }}_{12\mathrm{ion}}^i={\rho }_{1\mathrm{ion}}^i-{\rho }_{2\mathrm{ion}}^i;$

对于远在36000km外的卫星而言，如果两测站相距不远，卫星信号到达两测站所通过 的路径基本相同，即同一卫星信号到达两接收机的电离层和对流层延迟是基本相同的，相对 基线测量中，将两个测站同一时刻的观测量相减，就可以大部分消除掉电离层和对流层延迟 带来的误差，同时在差分方程中卫星钟差也消除了；从而得出载波相位双差分观察方程 ${▿\mathrm{\Delta \Phi }}_{12}^{\mathrm{ij}}\left(t\right)=\frac{f}{c}▿\Delta {\rho }_{12}^{\mathrm{ij}}\left(t\right)+▿\Delta N_{12}^{\mathrm{ij}}+ϵ.$