CN104180781B - 一种单双频gps混合网变形监测数据处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单双频GPS混合网变形监测数据处理方法，该方法主要包括以下步骤：利用监测网中的双频数据及相应的精密星历进行首级网解算，获取双频点的精确三维空间直角坐标及电离层延迟改正数据；利用PPP(Precise Point Position,精密单点定位)技术估计每个双频点的ZTD(Zenith Tropospheric Delay,对流层延迟)数据；利用所有监测点组成基线网，统一采用L1载波相位观测值进行单频基线解算，解算时加入区域电离层及对流层延迟改正；以基准点固定、双频监测点进行高精度约束对基线网进行导线平差计算，得到所有监测点的坐标；利用抗差Kalman滤波对监测点坐标序列进行动态滤波；经过相应的坐标转换后计算获取形变信息。本发明降低了利用GPS进行区域变形监测的硬件成本同时保证了监测精度。

Description

一种单双频GPS混合网变形监测数据处理方法

技术领域

本发明涉及一种GPS数据处理方法，具体地说是一种适用于单双频GPS混合网的变形监测数据处理方法。

背景技术

利用GPS进行变形监测具有覆盖范围广、不受气候条件限制、无需通视条件、自动化程度高等优势，已广泛应用于地表沉降监测、大坝变形监测、陆海垂直运动监测、滑坡监测等领域。GPS变形监测应用一般都采用双频接收机，其主要是为了利用双频观测数据组成无电离层观测值，消除电离层延迟一阶项的影响，当基线两端的电离层差异较大时(通常是基线距离较长时)，仍然能够获得较高的监测精度。然而在利用GPS技术开展区域变形监测、大气探测等研究时，由于需要采集高时空分辨率的信息，需大范围密集布设连续监测点。如全部采用双频接收机进行施测，其成本无疑将非常昂贵，这必然会极大地限制GPS技术在这些领域未来的发展和应用。一种可行的方法就是采用单频接收机来替代部分双频接收机来加密监测区域，通过设计数据处理算法在保证地表形变监测精度的同时又降低了监测成本。然而，单频接收机不仅无法通过线性组合直接消除电离层一阶项影响，而且单频接收机的信噪比通常情况下较之双频接收机低，数据质量较差，如何在后续的数据处理中最优化使用单频接收机数据显得尤为重要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种单双频GPS混合网变形监测数据处理方法，在保证GPS变形监测精度的前提下降低利用GPS进行区域变形监测的硬件成本，有利于GPS技术的发展与应用。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种单双频GPS混合网变形监测数据处理方法，该方法为：

1)利用监测网双频测站及IGS站组成首级监测网，利用精密星历数据进行首级监测网解算，得到双频点的精确坐标和电离层延迟改正数据；

2)利用PPP技术估计每个双频点的天顶方向对流层延迟改正数据；

3)利用所有监测点组成基线网，统一采用L1载波相位观测值进行单频基线解算，组成基线网，解算时加入步骤1)2)所得的电离层及对流层延迟改正数据；

4)以基准点固定、双频点高精度约束对上述基线网进行导线平差，得到所有单双频GPS混合网监测点的三维空间直角坐标(X,Y,Z)；

5)重复上述步骤1)～步骤4)，获取下一时段监测网所有测站的三维空间直角坐标；

6)将监测网中每一个监测点获取的所有时段结果组成一个监测点坐标序列，并以初始时段坐标为基准，将三维空间直角坐标转化为站心坐标；

7)利用抗差Kalman滤波对所有的站心坐标进行动态滤波，得到滤波后的时间序列。

利用精密单点定位方法估计每个双频点的天顶方向对流层延迟改正数据，双频点精密单点定位观测方程如下：

l_p＝ρ+c(dt_r-dTⁱ)+M·zpd+ε_p；

l_φ＝ρ+c(dt_r-dTⁱ)+αⁱ+M·zpd+ε_φ；

其中，l_p为无电离层伪距组合观测值；l_φ为无电离层载波相位组合观测值；ρ为双频测站(X_r,Y_r,Z_r)与卫星(Xⁱ,Yⁱ,Zⁱ)间的几何距离；c为光速；dt_r为GPS接收机钟差；dTⁱ为GPS卫星钟差；aⁱ为无电离层组合模糊度；M为投影函数；zpd为天顶方向对流层延迟；ε_p和ε_φ分别为无电离层伪距组合和无电离层载波相位组合观测值的多路径误差和观测噪声。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明充分考虑了GPS技术用于变形监测的经济效益，在保证监测精度的条件下降低了成本，有利于GPS技术的发展与应用；明显改善了单频数据在经过大气延迟误差残余量改正之后的定位精度。

附图说明

图1为本发明一实施例数据处理流程图；

图2为本发明一实施例实验数据站点分布图；

图3(a)为本发明一实施例大气延迟误差残余量改正前的GD01定位结果图；图3(b)为本发明一实施例大气延迟误差残余量改正后的GD01定位结果图；

图4(a)为本发明一实施例大气延迟误差残余量改正前的GD07定位结果图；图4(b)为本发明一实施例大气延迟误差残余量改正后的GD07定位结果图；

图5为本发明一实施例点位精度统计图。

具体实施方式

如图1所示，本发明具体步骤如下：

1)将单双频GPS混合网实时采集的GPS原始观测数据转换为RINEX格式观测数据，同时下载相应的IGS站观测数据和精密星历数据；

2)利用监测网双频测站及IGS站组成首级监测网，利用精密星历数据进行首级监测网解算，得到双频点的精确坐标和电离层延迟改正数据；

3)利用PPP技术估计每个双频点的天顶方向对流层延迟改正数据；

4)利用所有监测点组成基线网，统一采用L1载波相位观测值，并加入首级监测网解算所得的电离层延迟改正数据及天顶方向对流层延迟改正数据对单双频GPS混合网的单频测站和双频测站进行单频基线解算，得到单双频GPS混合网的所有基线，所有基线组成基线网；

5)在当前时段内，以基准点固定、双频点高精度约束对上述基线网进行导线平差，得到所有单双频GPS混合网监测点的三维空间直角坐标(X,Y,Z)；

6)在下一时段，重复上述步骤1)～步骤5)，获取下一时段监测网所有测站的三维空间直角坐标；

7)将监测网中每一个监测点获取的所有时段结果(三维空间直角坐标)组成一个监测点坐标序列，并以初始时段坐标为基准，将三维空间直角坐标转化为站心坐标；

8)利用抗差Kalman滤波对所述站心坐标进行动态滤波，得到滤波后的时间序列；

9)任意时段滤波后的时间序列就是此时段相对于初始时段的形变信息，不同时段监测点滤波后的时间序列差，则为两时段间监测点的形变信息。

实例分析：

实验数据来源于广州南沙区GPS地面沉降监测网络的实时观测数据，站点分布如图2所示。其中圆点表示双频基准站点(GD03,GD05,GD08,GD10)，三角形表示单频监测站点(GD01,GD02,GD04,GD06,GD07,GD09,GD11)。实验数据采用电离层活跃年份2013年全年的数据，数据采样间隔为20s。首先、利用双频监测点(GD03,GD05,GD08,GD10)组成首级监测网，利用精密星历，进行双频L1&L2载波相位解算，得到电离层延迟误差及双频点精确坐标；其次、利用PPP技术估计双频点的对流层延迟；再次、利用所有监测点组成基线网，统一采用L1载波相位观测值进行单频基线解算，解算时加入区域电离层及对流层延迟改正，并进行平差，获取所有点的三维坐标；然后、利用所有监测点组成基线网，统一采用L1载波相位观测值进行单频基线解算，解算时不加入区域电离层及对流层延迟改正，并进行平差，获取所有点的三维坐标，用于结果对比分析；为了能够更直观的显示形变信息，将空间直角坐标(XYZ)转换到测站坐标(ENU)来描述。本实验以GD01、GD07为例来说明，图3、4分别给出了单频点GD01，GD07大气延迟误差残余量改正前后(NEU)方向的坐标残差序列，通常情况下以坐标重复性的(Weighted Root Mean Square,WRMS)来衡量坐标解算结果精度。本发明借鉴IGS组织评定坐标重复性标准，以周坐标重复性的WRMS为评价指标，图5给出了GD01、GD07精度统计。

从图5可以得出采用单双频混合模式算法，单频数据在经过大气延迟误差残余量改正之后定位精度有明显改善。当单频站点位于双频站点组成的区域外部时，U方向改正后的WRMS优于1.01cm，三维位置精度优于1.31cm，精度改善达到37％；当单频站点位于双频站点组成的区域内部时，U方向改正后的WRMS优于0.66cm，三维位置精度优于0.72cm，精度改善达到58％。

Claims (2)

1.一种单双频GPS混合网变形监测数据处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将单双频GPS混合网实时采集的GPS原始观测数据转换为RINEX格式观测数据，同时下载相应的IGS站观测数据和精密星历数据；

2)利用监测网双频监测站及IGS站组成首级监测网，利用上述RINEX格式观测数据及精密星历数据进行首级监测网数据解算，得到单双频GPS混合网双频点的精确坐标和电离层延迟改正数据；

3)利用精密单点定位方法估计每个双频点的天顶方向对流层延迟改正数据；

4)利用单双频GPS混合网中所有监测点组成基线网，统一采用L1载波相位观测值进行单频基线解算，并加入首级监测网解算所得的电离层延迟改正数据及天顶方向对流层延迟改正数据，得到单双频GPS混合网的所有基线；

5)将基准点固定并对双频点进行高精度约束，对上述基线网进行导线平差，得到首级监测网中所有监测点初始时段的三维空间直角坐标(X,Y,Z)；

6)在下一时段，重复上述步骤1)～步骤5)，获取下一时段首级监测网所有监测点的三维空间直角坐标，重复此步骤获取多个时段的结果；

7)将首级监测网中每一个监测点获取的所有时段的所有三维空间直角坐标组成一个监测点坐标序列，并以初始时段的三维空间直角坐标(X,Y,Z)为基准，将所有时段的所有三维空间直角坐标转化为站心坐标；

8)利用抗差Kalman滤波对所述站心坐标进行动态滤波，得到滤波后的时间序列；

9)任意时段滤波后的时间序列就是此时段相对于初始时段的形变信息，不同时段监测点滤波后的时间序列差，则为两时段间监测点的形变信息。

2.根据权利要求1所述的单双频GPS混合网变形监测数据处理方法，其特征在于，所述步骤2)中，利用精密单点定位方法估计每个双频点的天顶方向对流层延迟改正数据，双频点精密单点定位观测方程如下：

l_p＝ρ+c(dt_r-dTⁱ)+M·zpd+ε_p；

l_φ＝ρ+c(dt_r-dTⁱ)+αⁱ+M·zpd+ε_φ；

其中，l_p为无电离层伪距组合观测值；l_φ为无电离层载波相位组合观测值；ρ为双频测站(X_r,Y_r,Z_r)与卫星(Xⁱ,Yⁱ,Zⁱ)间的几何距离；c为光速；dt_r为GPS接收机钟差；dTⁱ为GPS卫星钟差；aⁱ为无电离层组合模糊度；M为投影函数；zpd为天顶方向对流层延迟；ε_p和ε_φ分别为无电离层伪距组合和无电离层载波相位组合观测值的多路径误差和观测噪声。