GNSS变形监测中测站环境影响研究

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大型建筑物(大坝、特大桥梁、超高层建筑等)和滑坡等在外部荷载与重力等多因素影响下,由于内外部活动造成的灾害会对人类生命财产安全带来巨大威胁。对大型建筑物和滑坡等特征点进行变形监测,确定精确的变形量,可为其安全状态评估和灾害预测预警提供基础数据,也是目前该领域国内外的研究热点。随着全球卫星导航系统(GNSS)的日益发展和完善,其在变形监测领域的应用也在不断扩展。已有大量研究表明,在观测条件良好的情况下,利用GNSS进行变形监测,其精度水平方向可达毫米级,垂直方向可达亚厘米级甚至毫米级,可以满足变形监测相关行业规范的精度要求。然而实际应用中,部分监测点不可避免的会受到周围环境和自身结构的遮挡,或受到周围环境造成的多路径效应的影响使得观测值精度下降,进而影响GNSS的服务水平,本文将该类由于测站环境带来的影响统称为测站环境误差。本文基于上述现状和问题,分析了在测站遮挡情况下卫星几何结构的变化对GNSS监测精度的影响,有助于评定全球范围内GNSS在不同遮挡环境下的监测精度水平;研究了时间域和空间域的多路径效应削弱方法,减弱了测站多路径效应对监测精度的影响。本文主要研究内容及成果如下:1)系统介绍了变形监测中GNSS数据处理方法。介绍了开展本文研究所涉及的GNSS数据处理方法,包括基本数学模型、参数估计方法及模糊度解算方法,阐述了多路径误差的产生原因、类型及特性,介绍了坐标域、基于单差和双差残差的观测值域、基于单差和双差残差的空间域恒星日滤波方法,论述了定位误差与观测误差之间的数学关系。2)给出了全球尺度不同遮挡环境下DOP分布及变化情况,并建立了相应的精度评定模型。分析了全球EDOP、NDOP、VDOP和PDOP在遮挡西方向、北方向、南方向且截止高度角分别为20度、30度、40度卫星时的分布特点,进一步建立了全球尺度不同遮挡环境下的精度评定模型,利用该模型可以给出全球任意位置在特定遮挡条件下进行变形监测时能够达到的理论精度,为实际变形监测工作的开展提供一定的参考。3)验证了全球尺度下遮挡环境精度评定模型的准确性。本文选择中低纬度测站(北纬35度)及中高纬度测站(北纬55度),分别对测站西侧、北侧、南侧40度高度角以下的卫星进行遮挡,定量分析比较其各类DOP值、ENU方向坐标标准差及RMS值变化特点,评价验证上述模型的准确性,结果表明在遮挡各方向卫星前后两测站各精度指标变化特征与上述模型变化特征一致,且中高纬度测站各类指标受到的影响程度大于中低纬度测站,两测站之间受影响程度差异基本符合模型特征。4)提出了时间域、空间域多路径效应削弱方法。本文针对山西省西龙池变形监测网中受多路径效应影响较为严重的S071测站,利用时间域和空间域的恒星日滤波方法削弱其受到的多路径效应的影响,时间域分为坐标域和观测值域,观测值域又分为基于双差残差和基于单差残差的削弱方法,空间域恒星日滤波分为基于双差残差和单差残差建立多路径半天球模型。在进行时间域恒星日滤波时,确定了GPS最佳轨道重复周期为23h55min55s。对比分析了不同的恒星日滤波方法对中低频采样率数据的多路径效应削弱效果,结果表明所有恒星日滤波方法都能有效的削弱测站的多路径效应,提高了模糊度固定的Ratio值及模糊度固定率,降低了卫星残差及固定解、浮点解RMS值。其中,基于双差的方法和基于单差的方法对各种评价指标的改善效果相当,空间域恒星日滤波对本文所用中低采样率数据的多路径削弱效果最好,优于时间域恒星日滤波方法。
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