專利名稱：一種基于gps導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)發(fā)射信號(hào)主要用于地形運(yùn)動(dòng)、大型設(shè)施以及民用建筑工程監(jiān)控 ...的制作方法
一種基于GPS導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)發(fā)射信號(hào)主要用于地形運(yùn)動(dòng)、 大型設(shè)施以及民用建筑工程監(jiān)控和測(cè)量的系統(tǒng)和方法技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)GPS(全球定位系統(tǒng))發(fā)射信號(hào)的測(cè)量 系統(tǒng)，特別是主要應(yīng)用于領(lǐng)土的位移和變形(地形的山崩、塌方、自然運(yùn)動(dòng) 等)以及建筑物、水壩、橋梁、公路、大型基礎(chǔ)設(shè)施以及民用建筑工程的監(jiān) 控和測(cè)量的測(cè)量系統(tǒng)。背景技術(shù)：
用于監(jiān)控地形和大型基礎(chǔ)設(shè)施的系統(tǒng)已經(jīng)釆用了為大地測(cè)量應(yīng)用 而開發(fā)的技術(shù)，因而，最初為科學(xué)應(yīng)用而開發(fā)的相對(duì)昂貴的接收器， 目前已經(jīng)普遍應(yīng)用于土木工程以及地形、基礎(chǔ)設(shè)施的監(jiān)控活動(dòng)中。其結(jié)果是，基于GPS系統(tǒng)發(fā)射信號(hào)的測(cè)量系統(tǒng)由于所用設(shè)備的高 成本原因，其普及和使用受到限制。目前，測(cè)量是利用移動(dòng)站進(jìn)行的，移動(dòng)站在測(cè)量周期結(jié)束時(shí)被轉(zhuǎn) 移，并在一個(gè)不同于剛才監(jiān)測(cè)地點(diǎn)的站點(diǎn)用于監(jiān)控工作。測(cè)量系統(tǒng)成 本的降低使測(cè)量站固定網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)建成為可能，而這將能夠提供對(duì)于現(xiàn) 象監(jiān)測(cè)的時(shí)間和空間的全部分析。
發(fā)明內(nèi)容更具體地說，本發(fā)明涉及一種基于GPS系統(tǒng)發(fā)射信號(hào)用于監(jiān)控和測(cè)量 的測(cè)量系統(tǒng)，包括多個(gè)配備有至少一個(gè)GPS接收器的測(cè)量站；一或多個(gè)基站，用于接收和處理所述多個(gè)測(cè)量站的測(cè)量；及一網(wǎng)絡(luò)，用于所述站點(diǎn)之間的通信。 因而本發(fā)明的目的在于提供一種基于GPS系統(tǒng)發(fā)射信號(hào)用于監(jiān)控和測(cè)量的測(cè)量系統(tǒng)，從而能夠降低所需設(shè)備的成本，并使提供用于實(shí)時(shí)監(jiān)控的固 定監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)成為可能。根據(jù)本發(fā)明，以上目的可通過上迷的一種基于GPS系統(tǒng)發(fā)射信號(hào)用于 監(jiān)控和測(cè)量的測(cè)量系統(tǒng)而實(shí)現(xiàn)，其基本特征在于GPS接收器是一個(gè)工作于單一載波的接收器；測(cè)量站被分割成三角形子網(wǎng)，其中的每一個(gè)三角形頂點(diǎn)設(shè)有一站點(diǎn)；基站被配置用于計(jì)算基線的長度，該基線通過雙差分(double difference)連4姿測(cè)量站；以及所述基站被配置用于實(shí)時(shí)解法的計(jì)算。在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，測(cè)量站所用的接收器是工作于單一載 波的低成本接收器。在本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選實(shí)施例中，測(cè)量站之間的實(shí)時(shí)通信是通過低成 本的無線局域網(wǎng)(WLANs)或者使用工作于2.4GHZ帶寬的調(diào)制解調(diào)器的 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)無線電連接來達(dá)成的。根據(jù)本發(fā)明，上述主要用于大型基礎(chǔ)設(shè)施和民用建筑工程的移位和變 形的監(jiān)控和測(cè)量的基于GPS系統(tǒng)發(fā)射信號(hào)用于監(jiān)控和測(cè)量的測(cè)量系統(tǒng)，能 夠降低所需設(shè)備的成本，并能夠使得這些測(cè)量設(shè)備大范圍地普及，從而以恒 定和持續(xù)方式用于監(jiān)控和保護(hù)直接環(huán)境。過去，上述的測(cè)量系統(tǒng)是科學(xué)研究和^t感應(yīng)用領(lǐng)域獨(dú)占的專用物，但 可以預(yù)見，未來監(jiān)控和探測(cè)的能力將結(jié)合在基礎(chǔ)設(shè)備本身之中，但這只有通 過低成本系統(tǒng)才有可能實(shí)現(xiàn)。目前由于方案算法的復(fù)雜性以及計(jì)算機(jī)的有限計(jì)算能力，用于大地測(cè) 量的測(cè)量系統(tǒng)仍基于數(shù)據(jù)的后驗(yàn)處理或后處理。由于當(dāng)今計(jì)算能力已經(jīng)取得 巨大的進(jìn)展，在需要保證系統(tǒng)響應(yīng)的可靠性和敏捷性的場(chǎng)合下已經(jīng)可以實(shí)施 實(shí)時(shí)應(yīng)用。有時(shí)一項(xiàng)科學(xué)應(yīng)用能夠接受數(shù)據(jù)處理中的延時(shí)，但用于監(jiān)控一個(gè)基礎(chǔ) 設(shè)施的綜合系統(tǒng)在其所處的任何條件下都必須能夠迅速而可靠地響應(yīng)。相比于當(dāng)前無線電話和衛(wèi)星導(dǎo)航儀的普及，本發(fā)明的解決方案通過以下有利效果，能夠保證測(cè)量系統(tǒng)的廣泛普及 低成本，使固定監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)能夠普及應(yīng)用； 測(cè)量操作中的高速度；與測(cè)量操作相同的速率實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理；以及 實(shí)時(shí)通信，使不同測(cè)量站中的數(shù)據(jù)能夠存儲(chǔ)和共享。
以下將配合參照附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明，所提供的這些附圖僅只是 作為本發(fā)明的非限定性實(shí)例而已，其中圖1顯示了干涉測(cè)量法的基本原理；圖2顯示了根據(jù)本發(fā)明提出的網(wǎng)絡(luò)幾何圖的一個(gè)實(shí)例；圖3顯示了一個(gè)測(cè)量站的體系結(jié)構(gòu)的一個(gè)實(shí)例；以及圖4特別顯示了一個(gè)基站的體系結(jié)構(gòu)的一個(gè)實(shí)例。
具體實(shí)施方式干涉測(cè)量法是通過衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行測(cè)量的測(cè)地應(yīng)用中的一項(xiàng)基本技術(shù)，干 涉測(cè)量法的原理如圖1所示。根據(jù)圖1， 兩個(gè)設(shè)在不同位置的天線10接收由衛(wèi)星20發(fā)射的信號(hào)S, 設(shè)定兩個(gè)天線10之間的距離為D12,通常認(rèn)為該距離D12為兩個(gè)天線間的 "基線"，可通過如下公式幾何地計(jì)算出 <formula>formula see original document page 6</formula>
其中，A為波長，A^為測(cè)量精度，"為衛(wèi)星20的仰角角度。 從衛(wèi)星信號(hào)中獲得的測(cè)量值提供兩個(gè)天線10間的相對(duì)距離，并估算出基線D12的長度。由于兩個(gè)天線10與衛(wèi)星20之間的距離通常要比基線D12 大得多，可以卩叚設(shè)由衛(wèi)星20發(fā)射的，同時(shí)^皮兩個(gè)天線10接收的信號(hào)S能 被吸收到 一個(gè)平面波前(plane wave front)。天線IO接收到的兩個(gè)信號(hào)Sa、 Sb之間的相位差可由等式(1)得出 A- = Ap + W .義 (1 )其中，^為衛(wèi)星和兩個(gè)天線10之間傳播路徑差(未知)，A^為測(cè)量 的電相位差，W'義是波長的整數(shù)，用于計(jì)算幾何距離邱，幾何距離邱用于根據(jù)D12計(jì)算衛(wèi)星20的特定仰角"。在衛(wèi)星屬于GPS系統(tǒng)的特殊情況下，發(fā)射信號(hào)的載波頻率是在帶寬L 中，也就是1575MHz，相應(yīng)的波長義《 19，。在此條件下，可得到一個(gè)5, 范圍的測(cè)量精確度。GPS系統(tǒng)中的衛(wèi)星發(fā)送信號(hào)到兩個(gè)不同的載波L1和L2 上，兩者都在帶寬L內(nèi)。對(duì)于由載波相位追蹤而獲得的未解調(diào)信號(hào)，其周期特性中固有的模糊度 (ambiguity)的分辨，是基線D12的長度計(jì)算中最大的挑戰(zhàn)。在根據(jù)本發(fā)明的測(cè)量系統(tǒng)中，測(cè)量站中所使用的接收器工作于單一載波 上，更具體地說，在載波L1上。笫二載波L2的缺省阻止了一種用于分辨載波的技術(shù)的使用，這種技術(shù) 使用一種通過載波L1、 L2的載波差獲得的虛擬信號(hào)，該虛擬信號(hào)提供一個(gè) 大約為384MHz的虛擬載波，相當(dāng)于波長義大約為86cm。對(duì)于測(cè)量和監(jiān)控的應(yīng)用，關(guān)于固定基線的約束緩和了問題，由于在測(cè)量 的一開始模糊度(ambiguity)問題就可以得以分辨，此計(jì)算結(jié)果在后續(xù)的測(cè)量 中也可以使用。然而，由于GPS接收器中生成的本地編碼與衛(wèi)星發(fā)射信號(hào)的載波之間
的校正(alignment)臨時(shí)性丟失而產(chǎn)生的誤差(也可理解為載波追蹤回路鎖閉的 缺乏)、由電離層突發(fā)散射(閃爍)所引起的誤差、或者由衛(wèi)星發(fā)射器上的 振蕩器故障引起的相位誤差，要求對(duì)模糊度(ambiguity)進(jìn)行持續(xù)控制，以防 止在兩個(gè)信號(hào)之間的相位差~測(cè)量方案中出現(xiàn)諸如整數(shù)量波長的錯(cuò)誤。此 外，其目的也是為了阻止所述錯(cuò)誤在計(jì)算基線D12長度時(shí)可能循環(huán)產(chǎn)生出 更多誤差。A^的物理測(cè)量方法，與以前不同的是，它優(yōu)先聯(lián)合到信號(hào)的接收功率、 熱噪聲、天線和接收器的噪聲指數(shù)、接收器的載波相位鎖閉環(huán)的帶寬(即同 樣結(jié)合于環(huán)的運(yùn)行，和相同的噪聲帶寬)，以及在GPS接收器內(nèi)的本地振蕩 器頻率上的穩(wěn)定性上?？紤]上面所有的參數(shù)， 一個(gè)典型的新型接收器能夠恢復(fù)載波相位，該載 波相位疊加了一個(gè)均方誤差5mm的噪聲，主要是帶寬1Hz的熱噪聲，該熱 噪聲在頻率上適合用于實(shí)時(shí)測(cè)量應(yīng)用。兩個(gè)接收器形成一個(gè)帶有非連接元件的干涉儀，其中的兩個(gè)本地振蕩器 相互獨(dú)立，這使得測(cè)量變得更加困難。在基線長度值的計(jì)算中，需要恢復(fù)兩 個(gè)振蕩器之間的相位差和頻率差。一般而言，接收器需要有一個(gè)以上的衛(wèi)星，以便能夠?qū)懗鲆粋€(gè)方程組， 方程組的解決定所有現(xiàn)存的未知數(shù)值。導(dǎo)航信號(hào)是大地測(cè)量的理想信號(hào)，只要導(dǎo)航信號(hào)是由非常穩(wěn)定的信號(hào)源 產(chǎn)生的，例如由衛(wèi)星上的原子時(shí)鐘(銣、銫振蕩器)產(chǎn)生的，并準(zhǔn)確知道發(fā) 射器的位置。導(dǎo)航信號(hào)一般用于偽距離(其稱之為準(zhǔn)范圍)計(jì)算，偽距離由載波上調(diào) 制的限制長度的準(zhǔn)隨機(jī)編碼(PRN)導(dǎo)出。偽距離代表著在衛(wèi)星發(fā)射的編碼 和接收器內(nèi)產(chǎn)生的本地參考編碼之間的相關(guān)性基礎(chǔ)上進(jìn)行的距離測(cè)量。這種偽隨機(jī)編碼的光譜特性使其成為用于衛(wèi)星導(dǎo)航接收器的位置判斷的
理想編碼。在基于載波相位測(cè)量來確定天線位置時(shí)，其中一個(gè)問題是關(guān)聯(lián)到載波循環(huán)的整數(shù)N，此整數(shù)N用于等式(l)中的總相位A(]),或者4灸句話il，用于 等式(1)中的N.人項(xiàng)。然而，在大地測(cè)量中，可以利用這樣的事實(shí)，即天線是準(zhǔn)靜止的，或者 在低動(dòng)態(tài)下運(yùn)動(dòng)，從而設(shè)定天線的一個(gè)名義上的位置，并因此限定分辨中 ~的初始偏差不大于人，從而能夠獲得對(duì)模糊度的一個(gè)先驗(yàn)分辨。同時(shí)，通常需要有一個(gè)必要的校驗(yàn)，即所述假設(shè)在數(shù)據(jù)處理上是正確的 (首先，盡可能地去補(bǔ)償在相位測(cè)量(循環(huán)疏忽)中由單個(gè)接收器導(dǎo)致的連 續(xù)性的不足)，即使在由大量單個(gè)基線形成的網(wǎng)絡(luò)上，所述假設(shè)可以大大降 低計(jì)算時(shí)間，允許實(shí)時(shí)基線方案。這里所說的方案能夠處理基于天線標(biāo)準(zhǔn)位置的先驗(yàn)認(rèn)識(shí)的單個(gè)基線上數(shù) 據(jù)，用于降低計(jì)算的復(fù)雜性以及同時(shí)減輕相位測(cè)量中模糊性分辨的問題，相 位測(cè)量與單個(gè)載波(L1)的操作相關(guān)。為分辨模糊性問題而假設(shè)天線一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)位置的情況不應(yīng)當(dāng)考慮方案中無 限時(shí)期的一個(gè)常數(shù)。假設(shè)構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)的天線不是靜態(tài)的，而是以低動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)的， 這就是需監(jiān)控的現(xiàn)象。因此，在年或者月的間隔中，由起始時(shí)間t0決定的 天線坐標(biāo)xi(t0)在時(shí)間tl處可能會(huì)處在一個(gè)不同的位置xi(tl)，這里tl〉t0。因而，在較長的時(shí)間間隔內(nèi)定時(shí)地重新校準(zhǔn)天線的標(biāo)準(zhǔn)位置是非常必要 地，相應(yīng)地，還需要定時(shí)重新校準(zhǔn)測(cè)量網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)位置。因此，天線的標(biāo)準(zhǔn)位置被認(rèn)為是一個(gè)非靜態(tài)、低動(dòng)態(tài)的變量，偶爾或者 持續(xù)的被更新。但天線的標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)的評(píng)估過程的時(shí)間常數(shù)t卻比監(jiān)控現(xiàn)象的 時(shí)間常數(shù)大得多，這個(gè)導(dǎo)致了與短期天線的標(biāo)準(zhǔn)位置的偏離。這能夠短期內(nèi)考慮靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)，并且因而考慮從被控現(xiàn)象引發(fā)的天線位置 的變位的有效測(cè)量，同時(shí)長期累積的、可能影響才莫糊性測(cè)定的變化通過天線 標(biāo)準(zhǔn)位置的定期重新校準(zhǔn)解決了 。該天線標(biāo)準(zhǔn)位置帶有一個(gè)非常大的時(shí)間常 數(shù)。本方案假設(shè)用一個(gè)線性估量和一個(gè)相關(guān)持續(xù)時(shí)間常數(shù)更新天線的標(biāo)準(zhǔn)位 置，時(shí)間常數(shù)大于檢測(cè)時(shí)現(xiàn)象的時(shí)間常數(shù)?；诰幋a測(cè)量，偽距離的測(cè)量可以由等式(2)給出模型 其中，a為i-th衛(wèi)星和接收器之間的距離；A~為衛(wèi)星上的導(dǎo)航系統(tǒng)時(shí)鐘和接收器時(shí)鐘之間的當(dāng)時(shí)同步時(shí)間差； AA。n。"為由于電離層的延時(shí)，在軌道上由信號(hào)發(fā)送引起的額外誤差，該參數(shù)取決于頻率(對(duì)于電波頻率而言電離層是一個(gè)分散介質(zhì))；Aa，"為由于對(duì)流層的延時(shí)，在軌道上由信號(hào)發(fā)送引起的額外誤差，該參數(shù)獨(dú)立于頻率，以及&為殘余誤差，取決于i-th衛(wèi)星的觀測(cè)，包括多重路徑引起的誤差。即使由于信號(hào)結(jié)構(gòu)(GPS系統(tǒng)中模糊性保持在1.5s的水平)模糊性不 影響偽距離的測(cè)量，測(cè)量也由于帶寬以及信噪比(SNR)被限制在米級(jí)精度 上。&十于使用可以消除傳播延時(shí)的微分修正系統(tǒng)也同樣可行。這些結(jié)果對(duì) 于測(cè)地或者高精度測(cè)量應(yīng)用而言明顯是不夠的。在連接中，載波相位上的測(cè)量被選用于高精度測(cè)量。和從編碼中得到的偽距離的測(cè)量一樣，從載波相位獲得的，用載波循環(huán) 次數(shù)表示的偽距離測(cè)量^，可從等式(3)中推導(dǎo)出<formula>formula see original document page 10</formula> (3)電離層輻射項(xiàng)的負(fù)值是由于，在分散介質(zhì)里，相位和電磁波族速率的乘 積為c2，因此相位的傳播速度高于光速。即使載波的相位一是供更加精確測(cè)量，但片莫糊性的解析仍對(duì)其有影響。為 了解決模糊性的問題，人們已經(jīng)開發(fā)出許多技術(shù)，主要基于觀測(cè)數(shù)量的單差 分，雙差分以及三差分。從等式(3)中，可以從相同衛(wèi)星A發(fā)射信號(hào)開始時(shí)在兩個(gè)接收器的兩個(gè)測(cè)量數(shù)量之間進(jìn)行差分，消除與衛(wèi)星無關(guān)的誤差項(xiàng)。因此可以得出等式(4)中的第一相位差<formula>formula see original document page 11</formula>(4)對(duì)于傳播中電離項(xiàng)和對(duì)流項(xiàng)已經(jīng)-波消除的新測(cè)量，Ar為兩個(gè)接收器上 的兩個(gè)振蕩器(時(shí)鐘)之間的同步瞬時(shí)差，Af4為模糊性的整型單差 = A - W2), Z是噪音殘余項(xiàng)(隨機(jī)誤差和多重路徑)。等式(5)，V " SA (5)其中，S為基線的矢量，^為衛(wèi)星A微線單位矢量?？梢缘贸龅仁?6)，A JA 5 ' SA c At 、ta ￡a A, 二 - + - + WA + —AAA (6)第 一差分仍然帶有所述接收器的兩個(gè)振蕩器之間的同步瞬時(shí)差。該同步 瞬時(shí)差可以通過在的第二差分減去兩個(gè)不同衛(wèi)星上計(jì)算的第一差分消除。通 常，最終方案計(jì)算涉及一個(gè)共用衛(wèi)星H的雙差分以及計(jì)算各自衛(wèi)星的雙差 分。例如，關(guān)于參考衛(wèi)星H而言，衛(wèi)星A的第二差分如等式(7):<formula>formula see original document page 12</formula>(7)其中，iV很為關(guān)于兩個(gè)衛(wèi)星A和H的所述基線模糊性之間的差分， 為兩個(gè)噪音分量之間的差分。由接收器的振蕩器之間的不完全同步所引起的誤差已經(jīng)可以由雙差分消除。在根據(jù)本發(fā)明測(cè)量系統(tǒng)的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，隨機(jī)選取網(wǎng)絡(luò)中的測(cè)量站 50為網(wǎng)絡(luò)參考點(diǎn)， 一組基線連接參考站50到任意其他工作站30上，網(wǎng)絡(luò) 呈星行拓樸。成對(duì)基線形成三角形子網(wǎng)，因而整個(gè)網(wǎng)絡(luò)被分割成三角形模型，在三角 形模型的每個(gè)角頂上帶有一個(gè)用于接收GPS信號(hào)的天線，對(duì)所有三角形而 言有一個(gè)共同的頂點(diǎn)。圖2展示了一個(gè)三角形子網(wǎng)的結(jié)構(gòu)，其中，兩個(gè)測(cè)量站30和一個(gè)參考 站50被連接到一個(gè)基站40上，用于數(shù)據(jù)處理。當(dāng)這種拓樸大范圍延伸時(shí)，通過一起連接共同的接收器到相鄰的子網(wǎng)實(shí) 現(xiàn)子網(wǎng)的才莫塊化。帶有相對(duì)的角形成約束的基線的兩個(gè)單個(gè)方案的結(jié)合解決了每個(gè)基本的 三角形的問題。這個(gè)方案產(chǎn)生關(guān)于參考站50頂角的正確坐標(biāo)(三角形中對(duì)兩個(gè)基線 而言共同的頂點(diǎn))。因此，對(duì)于網(wǎng)絡(luò)的單站30, 50而言，由網(wǎng)絡(luò)幾4可的變形所引起的位移
通過M^劃的地面坐標(biāo)的 一個(gè)本地系統(tǒng)坐標(biāo)上基線的方案，也就是說在坐標(biāo)的東、北以及在關(guān)于網(wǎng)絡(luò)參考站50垂直的分量上被分解。如果這個(gè)工作站50通過引入一個(gè)測(cè)量站到網(wǎng)絡(luò)中，相應(yīng)地參考于一個(gè) 絕對(duì)位置，網(wǎng)絡(luò)本身絕對(duì)參考于建立的絕對(duì)參考點(diǎn)。單個(gè)基線的解決導(dǎo)致了以一個(gè)好的準(zhǔn)確度、在由基線本身決定的方向位 移，也就是說基線長度變形的測(cè)定。在很多應(yīng)用中所述位移的測(cè)定是非常有 意義的，所述位移表現(xiàn)于一個(gè)本地地面系統(tǒng)元素上。這就意味著，垂直于基線的變形的影響(兩者都在所處的平面上并沿與 所述平面正交的方向)通常在準(zhǔn)確度上不及基線本身所決定的方向上的影 響。為了提高與這些元素相關(guān)的測(cè)定，這里所說的測(cè)量系統(tǒng)首先解決單個(gè)基 線問題，并接著在延伸到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的方案中結(jié)合所述方案，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)一皮分解 成三角形^f莫塊，每個(gè)三角形^t塊都是由兩個(gè)基線和一個(gè)共同頂點(diǎn)組成，該頂 點(diǎn)通常(但不是必須)網(wǎng)絡(luò)參照天線(或者接收器)。在這種情況下，在網(wǎng) 絡(luò)拓樸上可以使用一個(gè)先驗(yàn)的幾何信息，來約束方案中垂直于基線的元素并 改進(jìn)他們的測(cè)定。所提方案顯然可延伸到有大量子網(wǎng)的結(jié)合方案或者一個(gè)擴(kuò)展的測(cè)地測(cè)量 系統(tǒng)中。與使用特殊運(yùn)算法則相關(guān)的執(zhí)行速度可以實(shí)時(shí)地解決在測(cè)量抽樣中 同頻率的步驟以及解決單個(gè)基線問題。因此，系統(tǒng)在整個(gè)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)上有效地 完成變形的實(shí)時(shí)評(píng)估。在原理上，該方法與傳統(tǒng)地形學(xué)上的網(wǎng)絡(luò)調(diào)節(jié)方法相類似。在傳統(tǒng)地形 學(xué)上，大量網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)點(diǎn)之間的三邊測(cè)量法/三角測(cè)量法在參數(shù)評(píng)估準(zhǔn)則的應(yīng) 用下被"關(guān)閉，，，使得在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，而不是單個(gè)測(cè)量中剩余誤差為最小。這里所述的方案可以解決基于三角形模型的基線問題，該三角形模型用 于改進(jìn)沿著單個(gè)基線評(píng)估的第一次位移測(cè)定以及用于使用網(wǎng)絡(luò)幾何約束來改 進(jìn)垂直于基線的元素在高度上的評(píng)估。因此，通常在細(xì)化測(cè)定的同時(shí)，改進(jìn) 了它本身的可靠性。既然由多重路徑引起的誤差是經(jīng)過處理后在方案中的余留誤差的主要來 源，為了提供修正，目前有降小該誤差的特定技術(shù)，該修正考慮將多重路徑 用到實(shí)時(shí)方案中，用于基線位移的評(píng)估。根據(jù)本發(fā)明的測(cè)量系統(tǒng)基于一組全自動(dòng)的測(cè)量站30。 一個(gè)測(cè)量站30的 基本結(jié)構(gòu)的方框圖如圖3所示，工作站30的核心部分用一個(gè)GPS接收器32 表示，該接收器32可以追蹤僅在載波Ll的頻率上發(fā)射信號(hào)的載波的編碼 和相位。一個(gè)本地微控制器34控制GPS接收器32和一個(gè)電波頻率單元之間的 物理通信，定義通信協(xié)議并控制GPS接收器32的操作。微控制器34連接到一個(gè)本地網(wǎng)絡(luò)卡36上，該本地網(wǎng)絡(luò)卡36的功能是 作為通向本地網(wǎng)絡(luò)LAN或者通向一個(gè)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)電波連接的地點(diǎn)。如果需要遠(yuǎn) 距離通信，該微控制器34在同一頻率帶工作。對(duì)工作站30的供電通過主分態(tài)網(wǎng)絡(luò)37 (220V,50Hz)實(shí)現(xiàn)，或者使用 太陽能電池組38通過充電調(diào)節(jié)電池39實(shí)現(xiàn)。蓄電池35用于天氣情況不好的情況下，在最壞的情況下提供48小時(shí)的 持續(xù)供電?；?0通過商用處理器42進(jìn)行開發(fā)(如圖4所示)?；?0從測(cè)量 站30上接收數(shù)據(jù)，測(cè)量站30排列在通過電波頻率接收器或者無線局域網(wǎng) (WLANs)的收發(fā)器的領(lǐng)域上?；?0儲(chǔ)存原始數(shù)據(jù)，根據(jù)一個(gè)或者多個(gè) 工作站30處理用于獲取基線準(zhǔn)確值的測(cè)量，并顯示和儲(chǔ)存結(jié)果。既然原始數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)都一皮儲(chǔ)存了 ，可以方便地再次使用這些數(shù)據(jù)， 用于執(zhí)行后處理，同時(shí)整個(gè)系統(tǒng)能夠保持固有的實(shí)時(shí)工作能力。在構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)的方法上，第一步是安裝測(cè)量站30和基站40，在工作站30
位置固定以及檢驗(yàn)與基站40的通信后，必須對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行初始化，該操作主要有如下效果每個(gè)工作站30相互參考于網(wǎng)絡(luò)上選擇的參考站50。根據(jù)第一次初始化 運(yùn)行時(shí)形成的基準(zhǔn)坐標(biāo)計(jì)算天線的校正值作為位移。如果網(wǎng)絡(luò)參考站50在一個(gè)絕對(duì)測(cè)量參考位置上，則網(wǎng)絡(luò)本身也絕對(duì)參考。通過收集工作站30上的數(shù)據(jù)可以獲得初始方案，通常10-20分鐘的數(shù) 據(jù)的接收對(duì)于計(jì)算第一個(gè)方案而言是足夠的。收集的數(shù)據(jù)是使用于商業(yè)上可 行程序進(jìn)行后處理。初始坐標(biāo)和網(wǎng)絡(luò)幾何一起纟皮輸入到一個(gè)配置數(shù)據(jù)文件 中，(為了定義哪個(gè)基線是一皮解決的以及關(guān)于哪個(gè)基準(zhǔn)站)。在初始研究結(jié)束后，網(wǎng)絡(luò)準(zhǔn)備實(shí)時(shí)運(yùn)行，并且設(shè)定網(wǎng)絡(luò)沒有來自操作者 的其他外部干預(yù)。原始數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地顯示和儲(chǔ)存在基站中。該方案的計(jì)算速度目前是lHz,但根據(jù)需要，該速度可以更快，如5Hz 或者10Hz，這種速度限制與處理時(shí)間無關(guān)，僅僅與選擇的GPS接收器32 能力相關(guān)。傳播多重路徑(影響編碼上的測(cè)量和載波相位上的測(cè)量)是該方案中誤 差的其中一個(gè)起因，隨著一個(gè)恒星日的精確相關(guān)性的間隔，誤差在每日的基 礎(chǔ)上重復(fù)， 一個(gè)恒星日等于GPS衛(wèi)星的兩次軌道周期(每個(gè)GPS衛(wèi)星準(zhǔn)確 的出現(xiàn)對(duì)于位于地球上的觀察者而言同樣的位置，但每天預(yù)先出現(xiàn)3'56")。 因此， 一個(gè)減小由于多重路徑引起的誤差的方案就是獲得用于多重路徑的每 曰效應(yīng)校準(zhǔn)的功能。這個(gè)可以通過使用在一天或者多天的周期內(nèi)由系統(tǒng)提供 的相同數(shù)據(jù)獲得。這些曲線是可重復(fù)的，并可以用為在移位的計(jì)算上的校正。 目前，這些校正在后處理階段進(jìn)行，以利于試-驗(yàn)的方便。但這些校正能夠在 實(shí)時(shí)中進(jìn)行處理。通過多重路徑的校正曲線改進(jìn)了均方誤差值，典型地降低到東向的大約
3-4毫米，南向的5毫米，垂直方向的大約9-10毫米。上面所得結(jié)果與這里接收器的理論極限相接近，并不遠(yuǎn)離由兩頻率專用 接收器獲得的最好結(jié)果。當(dāng)然，在沒有與本發(fā)明的原理相背離的基礎(chǔ)上，實(shí)際構(gòu)建細(xì)節(jié)和其具體 實(shí)施可能與這里描述和圖示僅作為實(shí)例的有很大的不同，但并不背離本發(fā)明 的范圍。這里所提的基于GPS信號(hào)的接收，在監(jiān)控和測(cè)試系統(tǒng)中的描述和使用 的原理和技術(shù)應(yīng)當(dāng)涉及到其他已經(jīng)存在的衛(wèi)星系統(tǒng)(Glonass， EGNOS, WAAS 以及其他衛(wèi)星)或者第二代GNSS系統(tǒng)(Galileo)的使用。
權(quán)利要求
1.一種測(cè)量系統(tǒng)，用于基于GPS系統(tǒng)發(fā)射信號(hào)的監(jiān)控和測(cè)量的應(yīng)用，包括多個(gè)測(cè)量站(30)，至少帶有一個(gè)GPS接收器(32)；一個(gè)或多個(gè)基站(40)，用于由所述多個(gè)測(cè)量站(30)進(jìn)行的測(cè)量的接收和處理，以及一個(gè)用于所述工作站(30，40)之間的通信網(wǎng)絡(luò)；所述測(cè)量系統(tǒng)其特征在于所述GPS接收器(32)是工作于單個(gè)載波(L1)上的接收器；所述測(cè)量站(30)被分割成三角形子網(wǎng)，所述三角形子網(wǎng)的每個(gè)三角頂點(diǎn)包括一個(gè)工作站(30)；所述基站(40)被配置用于計(jì)算基線(D12，D13，D23)的長度，所述基線通過雙差分連接測(cè)量站(30)，以及所述基站(40)被配置用于實(shí)時(shí)進(jìn)行方案的計(jì)算。
2. 如權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述測(cè)量站(30)還裝有 一個(gè)微控制器(34);一個(gè)本地網(wǎng)絡(luò)卡(36);以及 一個(gè)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)電波^接線。
3. 如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述測(cè)量站(30)包括 一個(gè)來自主分配(37)供電系統(tǒng)，以及 一個(gè)帶有一組太陽能電池(38)的供電系統(tǒng)。
4. 如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，基站(40) 一皮配置用于在方案 的計(jì)算上使用多重傳播路徑(多重路徑)校正方法，所述多重傳播路徑 基于每天定期地從系統(tǒng)相同測(cè)量數(shù)據(jù)中獲得的校正曲線。
5. —個(gè)系統(tǒng)，為了指定的目的在這里充分地^皮描述和圖示。
6. —種測(cè)量方法，用于基于GPS系統(tǒng)發(fā)射信號(hào)的監(jiān)控和測(cè)量的應(yīng)用，其 特征在于，測(cè)量是基于一個(gè)GPS接收器(32),所述GPS接收器(32) 工作于單個(gè)載波(Ll)上。
7. 如權(quán)利要求6所述的測(cè)量方法，其特征在于，所述方法基于天線(10) 的標(biāo)準(zhǔn)位置的 一個(gè)先驗(yàn)認(rèn)識(shí)。
8. 如權(quán)利要求6所述的測(cè)量方法，其特征在于，所述方法預(yù)設(shè)天線(10) 標(biāo)準(zhǔn)位置的更新，所述天線(10)帶有一個(gè)線性評(píng)估值和一個(gè)相關(guān)時(shí)間 持續(xù)常數(shù)，所述時(shí)間持續(xù)常數(shù)大于測(cè)試現(xiàn)象中持續(xù)時(shí)間。
9. 如權(quán)利要求6所述的測(cè)量方法，其特征在于，所述方法通過三角形模型 預(yù)設(shè)基線的確定。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種測(cè)量系統(tǒng)，用于基于GPS系統(tǒng)發(fā)射信號(hào)的監(jiān)控和測(cè)量的應(yīng)用，包括多個(gè)測(cè)量站(30)，至少帶有一個(gè)GPS接收器(32)；一個(gè)或多個(gè)基站(40)，用于由多個(gè)測(cè)量站(30)進(jìn)行的測(cè)量的接收和處理，以及一個(gè)用于工作站(30，40)之間的通信網(wǎng)絡(luò)，其中，該GPS接收器(32)是工作于單個(gè)載波(L1)上的接收器；該測(cè)量站(30)被分割成三角形子網(wǎng)，三角子網(wǎng)的每個(gè)三角頂點(diǎn)包括一個(gè)工作站(30)；基站(40)被配置用于計(jì)算基線(D₁₂，D₁₃，D₂₃)的長度，所述基線通過雙差分連接測(cè)量站(30)；以及基站(40)被配置用于執(zhí)行方案的實(shí)時(shí)計(jì)算。
文檔編號(hào)G01S5/14GK101156080SQ200680011006
公開日2008年4月2日 申請(qǐng)日期2006年1月27日 優(yōu)先權(quán)日2005年2月4日
發(fā)明者A·卡波拉利 申請(qǐng)人:Sepa自動(dòng)電子系統(tǒng)股份公司