一種單雙頻gps混合網(wǎng)變形監(jiān)測數(shù)據(jù)處理方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種單雙頻GPS混合網(wǎng)變形監(jiān)測數(shù)據(jù)處理方法，該方法主要包括以下步驟：利用監(jiān)測網(wǎng)中的雙頻數(shù)據(jù)及相應(yīng)的精密星歷進行首級網(wǎng)解算，獲取雙頻點的精確三維空間直角坐標(biāo)及電離層延遲改正數(shù)據(jù)；利用PPP(Precise?Point?Position,精密單點定位)技術(shù)估計每個雙頻點的ZTD(Zenith?Tropospheric?Delay,對流層延遲)數(shù)據(jù)；利用所有監(jiān)測點組成基線網(wǎng)，統(tǒng)一采用L1載波相位觀測值進行單頻基線解算，解算時加入?yún)^(qū)域電離層及對流層延遲改正；以基準(zhǔn)點固定、雙頻監(jiān)測點進行高精度約束對基線網(wǎng)進行導(dǎo)線平差計算，得到所有監(jiān)測點的坐標(biāo)；利用抗差Kalman濾波對監(jiān)測點坐標(biāo)序列進行動態(tài)濾波；經(jīng)過相應(yīng)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后計算獲取形變信息。本發(fā)明降低了利用GPS進行區(qū)域變形監(jiān)測的硬件成本同時保證了監(jiān)測精度。
【專利說明】一種單雙頻GPS混合網(wǎng)變形監(jiān)測數(shù)據(jù)處理方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種GPS數(shù)據(jù)處理方法，具體地說是一種適用于單雙頻GPS混合網(wǎng)的變形監(jiān)測數(shù)據(jù)處理方法。

【背景技術(shù)】
[0002]利用GPS進行變形監(jiān)測具有覆蓋范圍廣、不受氣候條件限制、無需通視條件、自動化程度高等優(yōu)勢，已廣泛應(yīng)用于地表沉降監(jiān)測、大壩變形監(jiān)測、陸海垂直運動監(jiān)測、滑坡監(jiān)測等領(lǐng)域。GPS變形監(jiān)測應(yīng)用一般都采用雙頻接收機，其主要是為了利用雙頻觀測數(shù)據(jù)組成無電離層觀測值，消除電離層延遲一階項的影響，當(dāng)基線兩端的電離層差異較大時(通常是基線距離較長時)，仍然能夠獲得較高的監(jiān)測精度。然而在利用GPS技術(shù)開展區(qū)域變形監(jiān)測、大氣探測等研究時，由于需要采集高時空分辨率的信息，需大范圍密集布設(shè)連續(xù)監(jiān)測點。如全部采用雙頻接收機進行施測，其成本無疑將非常昂貴，這必然會極大地限制GPS技術(shù)在這些領(lǐng)域未來的發(fā)展和應(yīng)用。一種可行的方法就是采用單頻接收機來替代部分雙頻接收機來加密監(jiān)測區(qū)域，通過設(shè)計數(shù)據(jù)處理算法在保證地表形變監(jiān)測精度的同時又降低了監(jiān)測成本。然而，單頻接收機不僅無法通過線性組合直接消除電離層一階項影響，而且單頻接收機的信噪比通常情況下較之雙頻接收機低，數(shù)據(jù)質(zhì)量較差，如何在后續(xù)的數(shù)據(jù)處理中最優(yōu)化使用單頻接收機數(shù)據(jù)顯得尤為重要。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，針對現(xiàn)有技術(shù)不足，提供一種單雙頻GPS混合網(wǎng)變形監(jiān)測數(shù)據(jù)處理方法，在保證GPS變形監(jiān)測精度的前提下降低利用GPS進行區(qū)域變形監(jiān)測的硬件成本，有利于GPS技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用。
[0004]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:一種單雙頻GPS混合網(wǎng)變形監(jiān)測數(shù)據(jù)處理方法，該方法為:
[0005]I)利用監(jiān)測網(wǎng)雙頻測站及IGS站組成首級監(jiān)測網(wǎng)，利用精密星歷數(shù)據(jù)進行首級監(jiān)測網(wǎng)解算，得到雙頻點的精確坐標(biāo)和電離層延遲改正數(shù)據(jù)；
[0006]2)利用PPP技術(shù)估計每個雙頻點的天頂方向?qū)α鲗友舆t改正數(shù)據(jù)；
[0007]3)利用所有監(jiān)測點組成基線網(wǎng)，統(tǒng)一采用LI載波相位觀測值進行單頻基線解算，組成基線網(wǎng)，解算時加入步驟1)2)所得的電離層及對流層延遲改正數(shù)據(jù)；
[0008]4)以基準(zhǔn)點固定、雙頻點高精度約束對上述基線網(wǎng)進行導(dǎo)線平差，得到所有單雙頻GPS混合網(wǎng)監(jiān)測點的三維空間直角坐標(biāo)(X，Y，Z)；
[0009]5)重復(fù)上述步驟I)?步驟4)，獲取下一時段監(jiān)測網(wǎng)所有測站的三維空間直角坐標(biāo)；
[0010]6)將監(jiān)測網(wǎng)中每一個監(jiān)測點獲取的所有時段結(jié)果組成一個監(jiān)測點坐標(biāo)序列，并以初始時段坐標(biāo)為基準(zhǔn)，將三維空間直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為站心坐標(biāo)；
[0011]7)利用抗差Kalman濾波對所有的監(jiān)測點坐標(biāo)序列進行動態(tài)濾波，得到濾波后的時間序列。
[0012]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所具有的有益效果為:本發(fā)明充分考慮了 GPS技術(shù)用于變形監(jiān)測的經(jīng)濟效益，在保證監(jiān)測精度的條件下降低了成本，有利于GPS技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用；明顯改善了單頻數(shù)據(jù)在經(jīng)過大氣延遲誤差殘余量改正之后的定位精度。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1為本發(fā)明一實施例數(shù)據(jù)處理流程圖；
[0014]圖2為本發(fā)明一實施例實驗數(shù)據(jù)站點分布圖；
[0015]圖3(a)為本發(fā)明一實施例大氣延遲誤差殘余量改正前的⑶01定位結(jié)果圖；圖3(b)為本發(fā)明一實施例大氣延遲誤差殘余量改正后的⑶01定位結(jié)果圖；
[0016]圖4(a)為本發(fā)明一實施例大氣延遲誤差殘余量改正前的⑶07定位結(jié)果圖；圖4(b)為本發(fā)明一實施例大氣延遲誤差殘余量改正后的⑶07定位結(jié)果圖；
[0017]圖5為本發(fā)明一實施例點位精度統(tǒng)計圖。

【具體實施方式】
[0018]如圖1所示，本發(fā)明具體步驟如下:
[0019]I)將單雙頻GPS混合網(wǎng)實時采集的GPS原始觀測數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為RINEX格式觀測數(shù)據(jù)，同時下載相應(yīng)的IGS站觀測數(shù)據(jù)和精密星歷數(shù)據(jù)；
[0020]2)利用監(jiān)測網(wǎng)雙頻測站及IGS站組成首級監(jiān)測網(wǎng)，利用精密星歷數(shù)據(jù)進行首級監(jiān)測網(wǎng)解算，得到雙頻點的精確坐標(biāo)和電離層延遲改正數(shù)據(jù)；
[0021]3)利用PPP技術(shù)估計每個雙頻點的天頂方向?qū)α鲗友舆t改正數(shù)據(jù)；
[0022]4)利用所有監(jiān)測點組成基線網(wǎng)，統(tǒng)一采用LI載波相位觀測值，并加入首級監(jiān)測網(wǎng)解算所得的電離層延遲改正數(shù)據(jù)及天頂方向?qū)α鲗友舆t改正數(shù)據(jù)對單雙頻GPS混合網(wǎng)的單頻測站和雙頻測站進行單頻基線解算，得到單雙頻GPS混合網(wǎng)的所有基線，所有基線組成基線網(wǎng)；
[0023]5)在當(dāng)前時段內(nèi)，以基準(zhǔn)點固定、雙頻點高精度約束對上述基線網(wǎng)進行導(dǎo)線平差，得到所有單雙頻GPS混合網(wǎng)監(jiān)測點的三維空間直角坐標(biāo)(X，Y，Z)；
[0024]6)在下一時段，重復(fù)上述步驟I)?步驟5)，獲取下一時段監(jiān)測網(wǎng)所有測站的三維空間直角坐標(biāo)；
[0025]7)將監(jiān)測網(wǎng)中每一個監(jiān)測點獲取的所有時段結(jié)果(三維空間直角坐標(biāo))組成一個監(jiān)測點坐標(biāo)序列，并以初始時段坐標(biāo)為基準(zhǔn)，將三維空間直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為站心坐標(biāo)；
[0026]8)利用抗差Kalman濾波對所有的監(jiān)測點坐標(biāo)序列進行動態(tài)濾波，得到濾波后的時間序列；
[0027]9)任意時段的站心坐標(biāo)就是此時段相對于初始時段的形變信息，不同時段監(jiān)測點的坐標(biāo)差，則為兩時段間監(jiān)測點的形變信息。
[0028]實例分析:
[0029]實驗數(shù)據(jù)來源于廣州南沙區(qū)GPS地面沉降監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的實時觀測數(shù)據(jù)，站點分布如圖2所示。其中圓點表示雙頻基準(zhǔn)站點(⑶03，⑶05，⑶08，⑶10)，三角形表示單頻監(jiān)測站點(⑶01，⑶02，⑶04，⑶06，⑶07，⑶09，⑶11)。實驗數(shù)據(jù)采用電離層活躍年份2013年全年的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采樣間隔為20s。首先、利用雙頻監(jiān)測點(⑶03，⑶05，⑶08，⑶10)組成首級監(jiān)測網(wǎng)，利用精密星歷，進行雙頻L1&L2載波相位解算，得到電離層延遲誤差及雙頻點精確坐標(biāo)；其次、利用PPP技術(shù)估計雙頻點的對流層延遲；再次、利用所有監(jiān)測點組成基線網(wǎng)，統(tǒng)一采用LI載波相位觀測值進行單頻基線解算，解算時加入?yún)^(qū)域電離層及對流層延遲改正，并進行平差，獲取所有點的三維坐標(biāo)；然后、利用所有監(jiān)測點組成基線網(wǎng)，統(tǒng)一采用LI載波相位觀測值進行單頻基線解算，解算時不加入?yún)^(qū)域電離層及對流層延遲改正，并進行平差，獲取所有點的三維坐標(biāo)，用于結(jié)果對比分析；為了能夠更直觀的顯示形變信息，將空間直角坐標(biāo)(XYZ)轉(zhuǎn)換到測站坐標(biāo)(ENU)來描述。本實驗以⑶01、⑶07為例來說明，圖3、4分別給出了單頻點GD01，GD07大氣延遲誤差殘余量改正前后(NEU)方向的坐標(biāo)殘差序列，通常情況下以坐標(biāo)重復(fù)性的(Weighted Root Mean Square, WRMS)來衡量坐標(biāo)解算結(jié)果精度。本發(fā)明借鑒IGS組織評定坐標(biāo)重復(fù)性標(biāo)準(zhǔn)，以周坐標(biāo)重復(fù)性的WRMS為評價指標(biāo)，圖5給出了⑶O 1、⑶07精度統(tǒng)計。
[0030]從圖5可以得出采用單雙頻混合模式算法，單頻數(shù)據(jù)在經(jīng)過大氣延遲誤差殘余量改正之后定位精度有明顯改善。當(dāng)單頻站點位于雙頻站點組成的區(qū)域外部時，U方向改正后的WRMS優(yōu)于1.01cm，三維位置精度優(yōu)于1.31cm，精度改善達到37% ;當(dāng)單頻站點位于雙頻站點組成的區(qū)域內(nèi)部時，U方向改正后的WRMS優(yōu)于0.66cm，三維位置精度優(yōu)于0.72cm,精度改善達到58%。
【權(quán)利要求】
1.一種單雙頻GPS混合網(wǎng)變形監(jiān)測數(shù)據(jù)處理方法，其特征在于，包括以下步驟: 1)將單雙頻GPS混合網(wǎng)實時采集的GPS原始觀測數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為RINEX格式觀測數(shù)據(jù)，同時下載相應(yīng)的IGS站觀測數(shù)據(jù)和精密星歷數(shù)據(jù)； 2)利用監(jiān)測網(wǎng)雙頻監(jiān)測站及IGS站組成首級監(jiān)測網(wǎng)，利用上述RINEX格式觀測數(shù)據(jù)及精密星歷數(shù)據(jù)進行首級監(jiān)測網(wǎng)數(shù)據(jù)解算，得到單雙頻GPS混合網(wǎng)雙頻點的精確坐標(biāo)和電離層延遲改正數(shù)據(jù)； 3)利用精密單點定位方法估計每個雙頻點的天頂方向?qū)α鲗友舆t改正數(shù)據(jù)； 4)利用單雙頻GPS混合網(wǎng)中所有監(jiān)測點組成基線網(wǎng)，統(tǒng)一采用LI載波相位觀測值進行單頻基線解算，并加入首級監(jiān)測網(wǎng)解算所得的電離層延遲改正數(shù)據(jù)及天頂方向?qū)α鲗友舆t改正數(shù)據(jù)，得到單雙頻GPS混合網(wǎng)的所有基線； 5)將基準(zhǔn)點固定并對雙頻點進行高精度約束，對上述基線網(wǎng)進行導(dǎo)線平差，得到首級監(jiān)測網(wǎng)中所有監(jiān)測點初始時段的三維空間直角坐標(biāo)(X，Y，Z)； 6)在下一時段，重復(fù)上述步驟I)?步驟5)，獲取下一時段首級監(jiān)測網(wǎng)所有測站的三維空間直角坐標(biāo)，重復(fù)此步驟獲取多個時段的結(jié)果； 7)將首級監(jiān)測網(wǎng)中每一個監(jiān)測點獲取的所有時段的所有三維空間直角坐標(biāo)組成一個監(jiān)測點坐標(biāo)序列，并以初始時段的三維空間直角坐標(biāo)(Χ，Υ，Ζ)為基準(zhǔn)，將所有時段的所有三維空間直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為站心坐標(biāo)； 8)利用抗差Kalman濾波對所述站心坐標(biāo)進行動態(tài)濾波f得到濾波后的時間序列； 9)任意時段濾波后的時間序列就是此時段相對于初始時段的形變信息，不同時段監(jiān)測點濾波后的時間序列差，則為兩時段間監(jiān)測點的形變信息。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單雙頻GPS混合網(wǎng)變形監(jiān)測數(shù)據(jù)處理方法，其特征在于，所述步驟2)中，利用精密單點定位方法估計每個雙頻點的天頂方向?qū)α鲗友舆t改正數(shù)據(jù)，雙頻點精密單點定位觀測方程如下:
Ip = P +c ((Itr-ClT1) +M.zpd+ ε ρ ；
I φ = P +c ((Itr-ClT1) + α Χ+Μ.zpd+ ε φ ； 其中，Ip為無電離層偽距組合觀測值；I41為無電離層載波相位組合觀測值；P為雙頻測站(xr, Yr, Zr)與衛(wèi)星(Xi, Yi, Zi)間的幾何距離；c為光速；dtr為GPS接收機鐘差；df為GPS衛(wèi)星鐘差為無電離層組合模糊度；M為投影函數(shù)；zpd為天頂方向?qū)α鲗友舆t；ε 5和εφ分別為無電離層偽距組合和無電離層載波相位組合觀測值的多路徑誤差和觀測噪聲。
【文檔編號】G01B15/06GK104180781SQ201410457447
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年9月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月10日
【發(fā)明者】戴吾蛟, 陳玉林, 匡翠林, 高曉 申請人:中南大學(xué)