CN107907043B - 一种基于中长基线gnss监测网的特大型桥梁变形监测方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于中长基线GNSS监测网的特大型桥梁变形监测方法，包括以下步骤：在监测区域桥梁中部B处采用双频接收机接收GPS信号，计算在卫星视线方向上的电离层延迟信息；播发步骤一中的电离层延迟信息,将B处监测站配置电离层延迟修正参数并实时同步发送给移动通信网络；监测区域单频接收机实时同步接收步骤二中播发的电离层延迟信息并计算统一基准后的电离层延迟改正值及其精度；在远离监测区域的基准站A采用双频接收机接收GPS信号，同上述步骤通过伪距和载波分别求出电离层延迟改正量并去其平均值作为基准站的电离层延迟修正参数，并消除该监测区域的电离层延迟误差；对监测区域测站点的坐标进行改正。该方法能有助于对特大型桥梁实现高精度变形监测。
Description
技术领域
本发明涉及结构物变形或位移监测方法，具体涉及一种基于中长基线GNSS监测网的特大型桥梁变形监测方法。
背景技术
随着无线射频识别(Radio Frequency Identification，RFID)技术在智能交通、移动医疗、数字图书馆等领域的广泛使用，其所引起的安全问题备受关注。RFID标签的标识符通常具有唯一性，如果标签对阅读器每次访问的应答相同，那么很容易导致针对标签的跟踪攻击和重放攻击。
GNSS技术监测作为一种最新的监测手段用于桥梁变形监测,流动性强,精度高,采集速度快,大大提高大桥检测数据采集的效率，高密度覆盖自动化程度高，能更好实现把握桥梁的变形特点和安全性。其工作原理由距地球表面一万公里在轨连续运行的多颗卫星包括中轨卫星和地球静止卫星等不间断地发送波段的无线电信号,该信号经过地球大气层到达地面被接收机捕获,接收机对捕获的信号进行测量和处理即可用于导航、定位和授时等。然而地球大气层中的电离层对无线电信号可造成几米甚至上百米的延迟,是目前全球卫星导航系统在导航、定位和授时数据处理中最为棘手的误差源之一。双频多频卫星导航用户通常可采用自校正方法消除电离层延迟影响,但是占据绝大多数市场份额的单频卫星导航用户必须依赖于一定的模型或方法削弱电离层对其导航定位精度和可靠性的影响。
利用GNSS技术监测特大型桥梁变形时，需要在桥梁多处布设监测站，构建GNSS监测网。GNSS接收机分为单频和双频接收机，前者仅接收GNSS卫星发射的L1载波信号，而后者同时接收L1和L2载波信号。为了保证变形监测精度，通常选用价格昂贵的双频接收机来进行桥梁结构健康监测。但是，若基站和监测网测站均采用测地型双频接收机，成本太高，不利于GNSS技术推广应用至特大型桥梁监测。若均采用单频GNSS接收机，当基站与监测网站距离较远时(在山区特大型桥梁时较普遍)，构成的中长基线空间相关性减弱，导致电离层误差影响较大，无法实现高精度变形监测。
因此，基于监测区域双频接收机测站网络提供的实时观测数据流，建立实时电离层模型，能够有效提高被监测区域内单频接收机定位精度。目前改正电离层延迟误差的方法有：双频改正法、差分改正法和电离层模型法。电离层模型是其中研究电离层延迟的主要途径之一，它是利用数学表达式来近似电子浓度剖面，这样有利于计算过程的简化，现有的电离层模型可以分为两类。
(一)第一类模型
第一类模型是根据长期收集到的观测资料建立起来的反映电离层变化规律的经验模型，包括Bent模型、IRI(International Reference Ionosphere)模型、Klobuchar模型。由于电离层本身具有三大特性：扩散性、互补性和瞬变性，使得电离层延迟产生不规则变化，所以利用经验模型得到的电离层延迟精度一般较低。
Bent模型属于经验模型，由RodneyBent和Sigrid Llewellyn于1973年提出。通过采用三个指数层和一个抛物线层来逼近电离层上部，采用双抛物线层来逼近电离层下部，可解算1000KM以下的电子密度垂直剖面图，获得VTEC(Vertical Total ElectronContent)等参数，进而可求得电离层延迟。该模型电离层延迟修正精度可达60％左右。
IRI(International Reference Ionosphere)模型是由URSI和COSPAR提出的标准经验模型。该模型融汇了多个大气参数模型，引入了太阳活动和地磁指数的月平均参数，采用预报的电离层特征参数描述电离层剖面，是目前最有效且被广泛认可的经验模型。
Klobuchar模型是由J.A.Klobuchar提出的一种经验模型，描述了作为时间函数的电离层延迟的周日特性。该模型把晚间的电离层延迟看成是一个常数5ns,而白天的电离层延迟看成是余弦函数中正的部分。该模型的不足时电离层延迟改正精度有限，适用的空间范围限定在中纬度地区。高纬和低纬赤道地区由于电离层活跃，该模型无法有效反映电离层的真实情况。经验表明，Klobuchar模型仅改正电离层影响的50％-60％。
第一类模型(经验模型)存在的主要问题是：精度低、需要测量区域多个大气参数费时费力等。
(二)第二类模型
第二类模型是根据某一时段某一区域内实际测定的电离层延迟采用数学方法拟合一个改正模型。建立这种模型并不要求对电离层变化规律有透彻的了解，一些时间尺度较长的不规则变化已经在模型中得到了反映。
第二类模型优点在于无需测量区域大气参数，使用方便；与经验模型相比，精度有较大提高。
第二类模型缺点是需要实测区域若干个位置的电离层VTEC数据；区域拟合模型需要选择与构造，构造拟合模型不同精度差别较大。
在山区峡谷特大型桥梁监测等工程应用中，具有长期稳定性的基准点往往远离监测区，基线长度很容易超过10KM，在中长基线情况下，与大气延迟有关的误差如电离层延迟误差、对流层延迟误差等，随着基线长度的增加，空间相关性大大降低。建立地面基准站和监测站时采用大地型双频接收机成本花费高昂，而单频接收机无法通过线性组合直接消除电离层一阶项误差，而且单频接收机的信噪比通常情况下较双频接收机低，数据质量差，单频接收机监测站观测电离层误差必须采用电离层加权模型进行估计。因此一种可行的方法就是在桥梁多处釆用单频接收机来替代部分双频接收机混合来加密监测区域，构建GNSS监测网，估计每颗卫星的天顶单差电离层延迟参数，进而实现中长基线条件下厘米级的快速定位和高精度特大型桥梁变形监测。
综上所述，现有技术中中长基线GNSS监测大桥时，两端基准站与测站观测电离层误差缺乏高度的空间相关性，无法直接通过双差提高电离层修正的精度。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种基于中长基线GNSS监测网的特大型桥梁变形监测方法，该方法投入成本低、有利于GNSS技术推广应用至特大型桥梁监测，能有助于对特大型桥梁实现高精度变形监测。
为了实现上述目的，本发明提供一种基于中长基线GNSS监测网的特大型桥梁变形监测方法，包括以下步骤：
步骤一：在监测区域桥梁中部B处采用双频接收机接收GPS信号，计算在卫星视线方向上的电离层延迟信息；
步骤二：播发步骤一中获得的电离层延迟信息,将B处监测站配置电离层延迟修正参数并实时同步发送给移动通信网络；
步骤三：监测区域桥梁中部B附近的各个单频接收机实时同步接收步骤二中播发的电离层延迟信息并计算统一基准后的电离层延迟改正值及其精度；
步骤四：在远离监测区域的基准站A采用双频接收机接收GPS信号，同上述步骤通过伪距和载波分别求出电离层延迟改正量并去其平均值作为基准站的电离层延迟修正参数，并消除该监测区域的电离层延迟误差。
步骤五：对监测区域测站点的坐标进行改正，则可得到每个观测时刻监测区域测站点的精确坐标值，进而可以实现中长基线条件下的高精度大型桥梁变形监测。
通过上述步骤，移动通信网络在接收到B处终端发送的定位辅助信息请求消息之后,为该终端配置电离层延迟修正参数,其中,电离层延迟修正参数对应该监测区域范围,然后,移动通信网络将为B处附近终端配置的一个电离层延迟修正参数并发送给单频接收机终端,实现了移动通信网络向终端传递有地域针对性的电离层延迟修正参数,体现了小范围监测区域电离层延迟相关性,从而提高了电离层修正的精度，在中长基线GNSS监测网电离层改正具有显著特点与优势。本发明能显著改善中长基线情况下提高测站定位的稳定性和可靠性，在特大型桥梁变形监测中构建GNSS监测网，利用一对双频GNSS接收机建立精确电离层改正模型，并实时播发给监测网中其他单频接收机，替换并改正其电离层延迟，在降低了监测成本的前提下，实现中长基线条件下的高精度大型桥梁变形监测。
所述步骤一中计算在卫星视线方向上的电离层延迟信息的具体步骤如下：
步骤1：采集监测站B处的原始观测数据,该原始观测数据包括伪距观测量、载波相位观测量以及导航卫星星历；
步骤2：根据载波相位观测量计算载波相位电离层延迟观测量根据伪距观测量计算伪距电离层延迟观测量分别根据公式(1)、(2)获得：
其中，
Bi和Bj分别是接收机和导航卫星的仪器偏差；
σ4,L为载波相位电离层延迟观测量的精度；
σ4,P表示伪距电离层延迟观测量的精度；
表示卫星信号传播路径上的电离层电子总含量，单位为TECu；
α为一常量，取值为4.026×1017m·s-2·TECu-1；
σP与σL分别表示伪距与载波相位测量的精度；
c表示真空中的光速,取值为2.99792458×108m/s；
和分别是卫星和接收机在频率f1和f2上的硬件延迟；
λ1和λ2分别表示频率f1和f2对应的波长；
和分别表示载波相位和的模糊度；
步骤3：根据和按照公(3)计算和之和的平均值，
步骤4：将所求得的平均值按照公式(4)转化为卫星视线方向上的电离层延迟观测量
其中，表示经过转化之后卫星视线方向上绝对电离层延迟观测量的精度。
所述步骤三中计算统一基准后的电离层延迟改正值及其精度的具体步骤如下：
步骤a：根掘原始观测数据中的卫星编号,检索计算得到的各监测站上该卫星的电离层延迟观测量及其精度信息如公式(5)所示,
其中，M表示单频接收机监测站的个数；
步骤b：根据电离层延迟信息利用公式(6)计算电离层延迟改正值及其精度
其中：βi为内插权函数，该βi的计算方法如公式(7)，
其中,Ri表示根据单频接收机监测站电离层交叉的位置与B监测站电离层交叉点位置的球面距离,单位为km；R0为权函数的标距；
步骤c：离层延迟的参考基准如公式(8)所示,
其中F为参考基准约束值,此处取为1.0，根据式(7)和(8)计算得到内插权函数的标距R0，进而得到权函数βi的数值，将βi代入公式(6)中获得统一基准后的电离层延迟改正值及其精度。
该方法能利用双频观测站建立区域电离层模型，为周边的单频接收机基线解算提供电离层改正；利用监测区域内布设的双频接收机监测站提供观测数据,以获得各卫星视线方向上的电离层延迟观测信息；进而通过建立电离层内插权函数与虚拟基准,实现监测区域单频接收机电离层延迟改正值的精确计算；进而实现中长基线条件下的高精度桥梁变形监测。
附图说明
图1是本发明中监测区域中点B处的位置示意图；
图2是本发明中的中长基线解决电离层延迟修正的示意图；
图3是本发明的流程图。
具体实施方式
下面对本发明作进一步说明。
如图1至图3所示，一种基于中长基线GNSS监测网的特大型桥梁变形监测方法，包括以下步骤：
步骤一：在桥梁的监测区域中部B处采用双频接收机接收GPS信号，计算在卫星视线方向上的电离层延迟信息；
步骤二：播发步骤一中获得的电离层延迟信息,将B处监测站配置电离层延迟修正参数并实时同步发送给移动通信网络；
步骤三：监测区域桥梁中部B处附近的各个单频接收机实时同步接收步骤二中播发的电离层延迟信息并计算统一基准后的电离层延迟改正值及其精度；
步骤四：在远离监测区域的基准站A采用双频接收机接收GPS信号，同步骤二通过伪距和载波分别求出电离层延迟改正量并去其平均值作为基准站的电离层延迟修正参数，并消除该监测区域的电离层延迟误差。
步骤五：对监测区域测站点的坐标进行改正，则可得到每个观测时刻监测区域测站点的精确坐标值，进而可以实现中长基线条件下的高精度大型桥梁变形监测。
通过上述步骤，移动通信网络在接收到B处终端发送的定位辅助信息请求消息之后,为该终端配置电离层延迟修正参数,其中,电离层延迟修正参数对应该监测区域范围,然后,移动通信网络将为B处附近终端配置的一个电离层延迟修正参数并发送给单频接收机终端,实现了移动通信网络向终端传递有地域针对性的电离层延迟修正参数,体现了小范围监测区域电离层延迟相关性,从而提高了电离层修正的精度，在中长基线GNSS监测网电离层改正具有显著特点与优势。本发明能显著改善中长基线情况下提高测站定位的稳定性和可靠性，在特大型桥梁变形监测中构建GNSS监测网，利用一对双频GNSS接收机建立精确电离层改正模型，并实时播发给监测网中其他单频接收机，替换并改正其电离层延迟，在降低了监测成本的前提下，实现中长基线条件下的高精度大型桥梁变形监测。
所述步骤一中计算在卫星视线方向上的电离层延迟信息的具体步骤如下：
步骤1：采集监测站B处的原始观测数据,该原始观测数据包括伪距观测量、载波相位观测量以及导航卫星星历；
步骤2：根据载波相位观测量计算载波相位电离层延迟观测量根据伪距观测量计算伪距电离层延迟观测量分别根据公式(1)、(2)获得：
其中，
Bi和Bj分别是接收机和导航卫星的仪器偏差；
σ4,L为载波相位电离层延迟观测量的精度；
σ4,P表示伪距电离层延迟观测量的精度；
表示卫星信号传播路径上的电离层电子总含量，单位为TECu(TotalElectron Content unit)；
α为一常量，取值为4.026×1017m·s-2·TECu-1；
σP与σL分别表示伪距与载波相位测量的精度；
c表示真空中的光速,取值为2.99792458×108m/s；
和分别是卫星和接收机在频率f1和f2上的硬件延迟(单位为s)；
λ1和λ2分别表示频率f1和f2对应的波长(单位为m)；
和分别表示载波相位和的模糊度；
步骤3：根据和按照公(3)计算和之和的平均值，
步骤4：将所求得的平均值按照公式(4)转化为卫星视线方向上的电离层延迟观测量
其中，表示经过转化之后卫星视线方向上绝对电离层延迟观测量的精度。
所述步骤三中计算统一基准后的电离层延迟改正值及其精度的具体步骤如下：
步骤a：根掘原始观测数据中的卫星编号,检索计算得到的各监测站上该卫星的电离层延迟观测量及其精度信息如公式(5)所示,
其中，M表示单频接收机监测站的个数；
步骤b：根据电离层延迟信息利用公式(6)计算电离层延迟改正值及其精度
其中：βi为内插权函数，该βi的计算方法如公式(7)，
其中,Ri表示根据单频接收机监测站电离层交叉的位置与B监测站电离层交叉点位置的球面距离,单位为km；R0为权函数的标距；
步骤c：离层延迟的参考基准如公式(8)所示,
其中F为参考基准约束值,此处取为1.0，根据式(7)和(8)计算得到内插权函数的标距R0，进而得到权函数βi的数值，将βi代入公式(6)中获得统一基准后的电离层延迟改正值及其精度。
该方法利用双频观测站建立区域电离层模型，为周边的单频接收机基线解算提供电离层改正；利用监测区域内布设的双频接收机监测站提供观测数据,以获得各卫星视线方向上的电离层延迟观测信息；进而通过建立电离层内插权函数与虚拟基准,实现监测区域单频接收机电离层延迟改正值的精确计算；对监测区域测站点的坐标进行改正得到每个观测时刻监测区域测站点的精确坐标值，进而实现中长基线条件下的高精度桥梁变形监测。
Claims (2)
1.一种基于中长基线GNSS监测网的特大型桥梁变形监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：在监测区域桥梁中部B处采用双频接收机接收GPS信号，计算在卫星视线方向上的电离层延迟信息；
步骤二：播发步骤一中获得的电离层延迟信息,将B处监测站配置电离层延迟修正参数并实时同步发送给移动通信网络；
步骤三：监测区域桥梁中部B附近的各个单频接收机实时同步接收步骤二中播发的电离层延迟信息并计算统一基准后的电离层延迟改正值及其精度；
步骤四：在远离监测区域的基准站A采用双频接收机接收GPS信号，同上述步骤通过伪距和载波分别求出电离层延迟改正量并去其平均值作为基准站的电离层延迟修正参数，并消除该监测区域的电离层延迟误差；
步骤五：对监测区域测站点的坐标进行改正，则可得到每个观测时刻监测区域测站点的精确坐标值，进而实现中长基线条件下的高精度大型桥梁变形监测；
所述步骤一中计算在卫星视线方向上的电离层延迟信息的具体步骤如下：
步骤1：采集监测站B处的原始观测数据,该原始观测数据包括伪距观测量、载波相位观测量以及导航卫星星历；
步骤2：根据载波相位观测量计算载波相位电离层延迟观测量根据伪距观测量计算伪距电离层延迟观测量分别根据公式(1)、(2)获得：
其中，
Bi和Bj分别是接收机和导航卫星的仪器偏差；
σ4，L为载波相位电离层延迟观测量的精度；
σ4，P表示伪距电离层延迟观测量的精度；
表示卫星信号传播路径上的电离层电子总含量，单位为TECu；
α为一常量，取值为4.026×1017m·s-2·TECu-1；
σP与σL分别表示伪距与载波相位测量的精度；
c表示真空中的光速,取值为2.99792458×108m/s；
和分别是卫星和接收机在频率f1和f2上的硬件延迟；
λ1和λ2分别表示频率f1和f2对应的波长；
和分别表示载波相位和的模糊度；
步骤3：根据和按照公(3)计算和之和的平均值，
步骤4：将所求得的平均值按照公式(4)转化为卫星视线方向上的电离层延迟观测量
其中，表示经过转化之后卫星视线方向上绝对电离层延迟观测量的精度。
2.根据权利要求1所述的一种基于中长基线GNSS监测网的特大型桥梁变形监测方法，其特征在于，所述步骤三中计算统一基准后的电离层延迟改正值及其精度的具体步骤如下：
步骤a：根据原始观测数据中的卫星编号,检索计算得到的各监测站上该卫星的电离层延迟观测量及其精度信息如公式(5)所示,
其中，M表示单频接收机监测站的个数；
步骤b：根据电离层延迟信息利用公式(6)计算电离层延迟改正值及其精度
其中：βi为内插权函数，该βi的计算方法如公式(7)，
其中,Ri表示根据单频接收机监测站电离层交叉的位置与B监测站电离层交叉点位置的球面距离,单位为km；R0为权函数的标距；
步骤c：离层延迟的参考基准如公式(8)所示,
其中F为参考基准约束值,此处取为1.0，根据式(7)和(8)计算得到内插权函数的标距R0，进而得到权函数βi的数值，将βi代入公式(6)中获得统一基准后的电离层延迟改正值及其精度。
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