高连续性GNSS实时滑坡监测算法与应用研究

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GNSS技术具有实时、高精度、全天候等特点,被广泛应用于滑坡实时三维变形监测,而连续实时变形序列是实现滑坡灾害成功预警的前提。实际滑坡监测中因通信,观测条件和自然环境等因素的影响,监测的连续性较差,其中受限于通信时延、参考基准不稳定、设备故障和观测环境遮挡等问题,GNSS变形监测序列会存在频繁中断和不连续,难以保证监测数据的精度和可靠性,由此也难以实现滑坡灾害及时准确预警。基于此,本文围绕着低时延异步RTK算法、监测基准稳定性分析和观测值故障中断修复三方面问题开展了理论研究,同时建立了GNSS实时监测云平台系统,并基于多处滑坡示范区进行实验验证。取得的主要成果如下:(1)针对通讯时延造成RTK基准站和监测站观测数据不同步,导致滑坡监测序列实时性差的问题,提出了一种异步RTK时延补偿算法,并通过分析异步RTK精度衰减特征,构造了一次多项式的短期精度修正模型。算例结果显示,该算法能有效减缓基准站时延影响,即使基准站的数据时延高达1分钟,仍可维持厘米级的监测精度,较好的提升了监测的实时性。(2)稳定的基准是变形监测的基础,当基准不稳定性时,需要切换相对稳定的基准或补偿基准偏移。针对变形监测区域存在不够稳定的基准点问题的非实时数据处理,采用相对稳定的全球框架基准进行精密单点定位解算变形序列。各监测点不依赖区域参考基准,独立解算变形位移,并设计了一种顾及位置预测信息的动态精密单点定位算法,通过位置预测信息和自适应因子,兼顾了历元间坐标信息的约束,改善了动态定位精度。此算法对基准不稳定或无基准站支持下的缓变型形变监测具有补充作用。算例表明,载体在缓变形变发生阶段,本算法解算精度在E方向有较大改善,从10.6cm提高到4cm,改善60%;N方向和U方向改善10%。(3)针对实时变形监测基准不稳定问题,提出并评估了一种基于异步参考基准的解决策略,该策略分别通过同步RTK和异步RTK算法联合实时检测基准站的稳定性,并计算基准偏移量后对监测序列进行补偿修复。实验结果表明,当基准站发生厘米级偏移时,可及时检测发现到该位移,而不会将其误判为监测点的变形信息,保障监测基准不稳定情况下,实时监测结果的可靠性。(4)北斗卫星在亚太区域可见卫星数较多,其GEO卫星相对静止且高度角较大,可显著改善山区遮挡环境下的卫星空间几何分布进而提升定位精度。针对部分北斗GEO卫星短时信号故障中断,导致定位精度降低问题,提出了一种GEO卫星载波相位双差观测值补偿算法,引入道格拉斯-普克算法实时判断接收机运动状态以降低补偿偏差的影响。静态算例显示,该算法定位符合精度优于5mm;缓变动态符合精度优于2cm,能满足一般变形监测的要求。(5)针对基准站的数据中断导致监测序列不连续问题,研究提出了一种顾及异步电离层延迟与综合误差影响的异步RTK定位算法。该算法可有效推估当前历元基准站的缺失数据,构建实时同步相对定位模型进行异步定位解算,在一定程度上弥补了当前历元基准站数据中断缺失导致监测序列连续性较差的不足。实验结果表明,随着中断时间的增加,高程方向精度下降较快,但在中断时间达到15分钟时,也可保持在厘米级。平面方向在基准数据中断达30分钟时仍可维持厘米级的监测精度。(6)基于“云+传感器”物联网理念,设计了一种低成本、小型化的监测型GNSS接收机设备终端,该接收机支持自组织、自愈合的数据回传链路。基于所研究的GNSS滑坡变形监测算法,研发了具备高连续性的实时GNSS云平台滑坡监测软件。相关设备终端和云平台软件在甘肃黑方台、三峡库区以及云贵等多处滑坡区域开展了示范应用,监测精度可保持在mm级,为2次滑坡的成功预警提供了连续、稳定、可靠的变形序列信息。
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