一種單雙頻gps混合網變形監測數據處理方法
2024-01-29 23:50:15
一種單雙頻gps混合網變形監測數據處理方法
【專利摘要】本發明公開了一種單雙頻GPS混合網變形監測數據處理方法，該方法主要包括以下步驟：利用監測網中的雙頻數據及相應的精密星曆進行首級網解算，獲取雙頻點的精確三維空間直角坐標及電離層延遲改正數據；利用PPP(Precise?Point?Position,精密單點定位)技術估計每個雙頻點的ZTD(Zenith?Tropospheric?Delay,對流層延遲)數據；利用所有監測點組成基線網，統一採用L1載波相位觀測值進行單頻基線解算，解算時加入區域電離層及對流層延遲改正；以基準點固定、雙頻監測點進行高精度約束對基線網進行導線平差計算，得到所有監測點的坐標；利用抗差Kalman濾波對監測點坐標序列進行動態濾波；經過相應的坐標轉換後計算獲取形變信息。本發明降低了利用GPS進行區域變形監測的硬體成本同時保證了監測精度。
【專利說明】一種單雙頻GPS混合網變形監測數據處理方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種GPS數據處理方法，具體地說是一種適用於單雙頻GPS混合網的變形監測數據處理方法。
【背景技術】
[0002]利用GPS進行變形監測具有覆蓋範圍廣、不受氣候條件限制、無需通視條件、自動化程度高等優勢，已廣泛應用於地表沉降監測、大壩變形監測、陸海垂直運動監測、滑坡監測等領域。GPS變形監測應用一般都採用雙頻接收機，其主要是為了利用雙頻觀測數據組成無電離層觀測值，消除電離層延遲一階項的影響，當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測精度。然而在利用GPS技術開展區域變形監測、大氣探測等研究時，由於需要採集高時空解析度的信息，需大範圍密集布設連續監測點。如全部採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技術在這些領域未來的發展和應用。一種可行的方法就是採用單頻接收機來替代部分雙頻接收機來加密監測區域，通過設計數據處理算法在保證地表形變監測精度的同時又降低了監測成本。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，數據質量較差，如何在後續的數據處理中最優化使用單頻接收機數據顯得尤為重要。
【發明內容】
[0003]本發明所要解決的技術問題是，針對現有技術不足，提供一種單雙頻GPS混合網變形監測數據處理方法，在保證GPS變形監測精度的前提下降低利用GPS進行區域變形監測的硬體成本，有利於GPS技術的發展與應用。
[0004]為解決上述技術問題，本發明所採用的技術方案是:一種單雙頻GPS混合網變形監測數據處理方法，該方法為:
[0005]I)利用監測網雙頻測站及IGS站組成首級監測網，利用精密星曆數據進行首級監測網解算，得到雙頻點的精確坐標和電離層延遲改正數據；
[0006]2)利用PPP技術估計每個雙頻點的天頂方向對流層延遲改正數據；
[0007]3)利用所有監測點組成基線網，統一採用LI載波相位觀測值進行單頻基線解算，組成基線網，解算時加入步驟1)2)所得的電離層及對流層延遲改正數據；
[0008]4)以基準點固定、雙頻點高精度約束對上述基線網進行導線平差，得到所有單雙頻GPS混合網監測點的三維空間直角坐標(X，Y，Z)；
[0009]5)重複上述步驟I)?步驟4)，獲取下一時段監測網所有測站的三維空間直角坐標；
[0010]6)將監測網中每一個監測點獲取的所有時段結果組成一個監測點坐標序列，並以初始時段坐標為基準，將三維空間直角坐標轉化為站心坐標；
[0011]7)利用抗差Kalman濾波對所有的監測點坐標序列進行動態濾波，得到濾波後的時間序列。
[0012]與現有技術相比，本發明所具有的有益效果為:本發明充分考慮了 GPS技術用於變形監測的經濟效益，在保證監測精度的條件下降低了成本，有利於GPS技術的發展與應用；明顯改善了單頻數據在經過大氣延遲誤差殘餘量改正之後的定位精度。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0013]圖1為本發明一實施例數據處理流程圖；
[0014]圖2為本發明一實施例實驗數據站點分布圖；
[0015]圖3(a)為本發明一實施例大氣延遲誤差殘餘量改正前的⑶01定位結果圖；圖3(b)為本發明一實施例大氣延遲誤差殘餘量改正後的⑶01定位結果圖；
[0016]圖4(a)為本發明一實施例大氣延遲誤差殘餘量改正前的⑶07定位結果圖；圖4(b)為本發明一實施例大氣延遲誤差殘餘量改正後的⑶07定位結果圖；
[0017]圖5為本發明一實施例點位精度統計圖。
【具體實施方式】
[0018]如圖1所示，本發明具體步驟如下:
[0019]I)將單雙頻GPS混合網實時採集的GPS原始觀測數據轉換為RINEX格式觀測數據，同時下載相應的IGS站觀測數據和精密星曆數據；
[0020]2)利用監測網雙頻測站及IGS站組成首級監測網，利用精密星曆數據進行首級監測網解算，得到雙頻點的精確坐標和電離層延遲改正數據；
[0021]3)利用PPP技術估計每個雙頻點的天頂方向對流層延遲改正數據；
[0022]4)利用所有監測點組成基線網，統一採用LI載波相位觀測值，並加入首級監測網解算所得的電離層延遲改正數據及天頂方向對流層延遲改正數據對單雙頻GPS混合網的單頻測站和雙頻測站進行單頻基線解算，得到單雙頻GPS混合網的所有基線，所有基線組成基線網；
[0023]5)在當前時段內，以基準點固定、雙頻點高精度約束對上述基線網進行導線平差，得到所有單雙頻GPS混合網監測點的三維空間直角坐標(X，Y，Z)；
[0024]6)在下一時段，重複上述步驟I)?步驟5)，獲取下一時段監測網所有測站的三維空間直角坐標；
[0025]7)將監測網中每一個監測點獲取的所有時段結果(三維空間直角坐標)組成一個監測點坐標序列，並以初始時段坐標為基準，將三維空間直角坐標轉化為站心坐標；
[0026]8)利用抗差Kalman濾波對所有的監測點坐標序列進行動態濾波，得到濾波後的時間序列；
[0027]9)任意時段的站心坐標就是此時段相對於初始時段的形變信息，不同時段監測點的坐標差，則為兩時段間監測點的形變信息。
[0028]實例分析:
[0029]實驗數據來源於廣州南沙區GPS地面沉降監測網絡的實時觀測數據，站點分布如圖2所示。其中圓點表示雙頻基準站點(⑶03，⑶05，⑶08，⑶10)，三角形表示單頻監測站點(⑶01，⑶02，⑶04，⑶06，⑶07，⑶09，⑶11)。實驗數據採用電離層活躍年份2013年全年的數據，數據採樣間隔為20s。首先、利用雙頻監測點(⑶03，⑶05，⑶08，⑶10)組成首級監測網，利用精密星曆，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；其次、利用PPP技術估計雙頻點的對流層延遲；再次、利用所有監測點組成基線網，統一採用LI載波相位觀測值進行單頻基線解算，解算時加入區域電離層及對流層延遲改正，並進行平差，獲取所有點的三維坐標；然後、利用所有監測點組成基線網，統一採用LI載波相位觀測值進行單頻基線解算，解算時不加入區域電離層及對流層延遲改正，並進行平差，獲取所有點的三維坐標，用於結果對比分析；為了能夠更直觀的顯示形變信息，將空間直角坐標(XYZ)轉換到測站坐標(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大氣延遲誤差殘餘量改正前後(NEU)方向的坐標殘差序列，通常情況下以坐標重複性的(Weighted Root Mean Square, WRMS)來衡量坐標解算結果精度。本發明借鑑IGS組織評定坐標重複性標準，以周坐標重複性的WRMS為評價指標，圖5給出了⑶O 1、⑶07精度統計。
[0030]從圖5可以得出採用單雙頻混合模式算法，單頻數據在經過大氣延遲誤差殘餘量改正之後定位精度有明顯改善。當單頻站點位於雙頻站點組成的區域外部時，U方向改正後的WRMS優於1.01cm，三維位置精度優於1.31cm，精度改善達到37% ;當單頻站點位於雙頻站點組成的區域內部時，U方向改正後的WRMS優於0.66cm，三維位置精度優於0.72cm,精度改善達到58%。
【權利要求】
1.一種單雙頻GPS混合網變形監測數據處理方法，其特徵在於，包括以下步驟: 1)將單雙頻GPS混合網實時採集的GPS原始觀測數據轉換為RINEX格式觀測數據，同時下載相應的IGS站觀測數據和精密星曆數據； 2)利用監測網雙頻監測站及IGS站組成首級監測網，利用上述RINEX格式觀測數據及精密星曆數據進行首級監測網數據解算，得到單雙頻GPS混合網雙頻點的精確坐標和電離層延遲改正數據； 3)利用精密單點定位方法估計每個雙頻點的天頂方向對流層延遲改正數據； 4)利用單雙頻GPS混合網中所有監測點組成基線網，統一採用LI載波相位觀測值進行單頻基線解算，並加入首級監測網解算所得的電離層延遲改正數據及天頂方向對流層延遲改正數據，得到單雙頻GPS混合網的所有基線； 5)將基準點固定並對雙頻點進行高精度約束，對上述基線網進行導線平差，得到首級監測網中所有監測點初始時段的三維空間直角坐標(X，Y，Z)； 6)在下一時段，重複上述步驟I)?步驟5)，獲取下一時段首級監測網所有測站的三維空間直角坐標，重複此步驟獲取多個時段的結果； 7)將首級監測網中每一個監測點獲取的所有時段的所有三維空間直角坐標組成一個監測點坐標序列，並以初始時段的三維空間直角坐標(Χ，Υ，Ζ)為基準，將所有時段的所有三維空間直角坐標轉化為站心坐標； 8)利用抗差Kalman濾波對所述站心坐標進行動態濾波f得到濾波後的時間序列； 9)任意時段濾波後的時間序列就是此時段相對於初始時段的形變信息，不同時段監測點濾波後的時間序列差，則為兩時段間監測點的形變信息。
2.根據權利要求1所述的單雙頻GPS混合網變形監測數據處理方法，其特徵在於，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對流層延遲改正數據，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衛星鐘差為無電離層組合模糊度；M為投影函數；zpd為天頂方向對流層延遲；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 優先權日:2014年9月10日
【發明者】戴吾蛟, 陳玉林, 匡翠林, 高曉 申請人:中南大學