CN109143289B - 一种gnss单站位移监测方法 - Google Patents

一种gnss单站位移监测方法 Download PDF

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    • G01S19/01—Satellite radio beacon positioning systems transmitting time-stamped messages, e.g. GPS [Global Positioning System], GLONASS [Global Orbiting Navigation Satellite System] or GALILEO
    • G01S19/13—Receivers
    • G01S19/35—Constructional details or hardware or software details of the signal processing chain
    • G01S19/37—Hardware or software details of the signal processing chain

Abstract

本发明公开了一种GNSS单站位移监测方法，适用于使用单个GNSS接收机在短时间内测量空间距离较近的两点相对位置。依据对流层延迟等误差在短时间内较强相关性和没有周跳发生时模糊度固定不变的特点，提出GNSS单站位移监测技术，研究对GNSS单站数据时间序列信息进行处理，通过削弱或消除观测量中的时空相关误差，解算精确的单个接收机位移的基线向量，快速测量得到两点的相对位置关系。本发明技术不需要基站和通讯设备，不依赖精密星历，使用单个接收机可达到厘米级定位精度，处理方法简单，节省设备购置成本和提高测量生产效率。

Description

一种GNSS单站位移监测方法
技术领域
本发明涉及测量技术领域，特别涉及一种GNSS(Global Navigation SatelliteSystem，全球导航卫星系统)单站位移监测方法。
背景技术
近年来，随着GNSS接收机性能和解算技术的不断发展进步，GNSS精确定位方法取得了系列进步，其应用领域也得到了极大拓展，GNSS测量技术大致分为静态和动态测量两类。
静态测量需要观测时间长且同步观测接收机较多，数据处理需要专门软件进行解算、平差后才能应用于工作，主要用于高精度控制测量领域。
动态测量观测时间较短，现场可以快速得到测量结果，但因其精度较低主要在导航、测绘领域中放样、测图、变形监测等方面得到广泛应用，动态测量又大致分为以下几种方式：GNSS单点定位(也叫绝对定位)、双差相对定位(RTK)、非差精密单点定位(PPP)。
GNSS单点定位应用只需要一台GNSS接收机即可测量快速测量定位，但只能达到米级定位精度。
双差相对定位(RTK)需要最少一台基站和至少一台流动站接收机，将基站架设在已知点上进行测量，测量时间几秒到几十秒，解算即可得到厘米级精度的结果，目前主要用于测绘领域精度要求较高的地方和工程测量施工放样。
非差精密单点定位(PPP)，比静态测量观测时间短，比双差相对定位(RTK)观测时间长，定位精度可以达到厘米级精度，可用于建筑物进行了结构健康监测。
但是，以上三种定位方式都存在局限性：GNSS单点定位因定位精度在米级，限制其一般只能用于导航领域，不能满足测图、放样等工作需要；双差相对定位(RTK)定位精度满足测图、放样等工作需要，但是需要基站作为参考站，所得到的动态定位结果是相对于参考站的位移情况，基站是必需的，要进行精确定位需要至少一台基站接收机和至少一台流动站接收机，要进行一系列基站设置、校正等准备工作后才能进行测量，因此增加了应用成本，作业效率低；非差精密单点定位(PPP)定位不需要基站，定位方式灵活，可用观测数据多，但是PPP定位模式需要接收精密星历，并且受到很多误差因素的影响，数据处理过程变得相对复杂，模糊度的快速固定也没有得到很好解决，与网络RTK相比，PPP定位精度较低，初始化时间更长，以至于至今都没有很好的商业接收机产品问世。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中所存在的现有GNSS单点定位精度在米级，不能满足测图、放样等工作需要；RTK精度在厘米级，但是需要至少一台基站接收机和至少一台流动站接收机，要进行一系列基站设置、校正等准备工作后才能进行测量，因此增加了应用成本，作业效率低；PPP精度在厘米级，但是需要接收精密星历，并且受到很多误差因素的影响，数据处理过程变得相对复杂，模糊度的快速固定也没有得到很好解决，初始化时间较长的上述不足，提供一种GNSS单站位移监测方法。
为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：
一种GNSS单站位移监测方法，将GNSS接收机由A点移动至B点，A点观测时刻为t1，B点观测时刻为t2，移动过程中保持所述接收机对卫星的跟踪，还
包括在A点处和B点处分别建立该点处所述接收机与卫星相位观测之差的单差观测方程的步骤；
包括将A点处的单差观测方程和B点处的单差观测方程二次求差，得到双差观测方程的步骤；
包括所述接收机利用不同频率信号消除电离层因素对所述双差观测方程影响的步骤；
包括计算改正所述双差观测方程中卫星钟差变化的步骤；
包括将所述双差观测方程线性化，得到误差方程式的步骤；
包括通过最小二乘平差原理，获取精确的基线向量的步骤。
进一步的，所述GNSS包括美国GPS、俄罗斯GLONASS、欧盟GALILEO、中国BeiDou等卫星导航系统。
进一步的，所述卫星包括观测卫星s和参考卫星r，且参考卫星r的高度角大于观测卫星s的高度角。
进一步的，所述接收机在A点与观测卫星s的相位观测通过方程
Figure BDA0001863820220000031
确定；
其中，
Figure BDA0001863820220000032
为s号卫星到A点的几何距离，λ为波长，
Figure BDA0001863820220000033
为电子含量，
Figure BDA0001863820220000034
为对流层延迟，
Figure BDA0001863820220000035
为轨道误差径向分量，dtA为接收机钟差，
Figure BDA0001863820220000036
为整周模糊度，ξ为测量噪声及未建模误差(单位为周)；
那么，同理得出所述接收机在A点与参考卫星r的相位观测方程为
Figure BDA0001863820220000041
进一步的，所述接收机在A点与观测卫星s相对于参考卫星r的相位观测之差通过方程
Figure BDA0001863820220000042
确定；
其中，Δ表示单差算子符号，
Figure BDA0001863820220000043
那么，同理得出所述接收机在B点与观测卫星s相对于参考卫星r的相位观测之差方程为
Figure BDA0001863820220000044
进一步的，B点处单差观测方程减去A点处的单差观测方程形成如下的所述双差观测方程
Figure BDA0001863820220000045
由于A点到B点的过程中，所述接收机都保持对卫星的跟踪，从A点到B点的距离和时间都较短，很多误差都是时空相关误差，可通过观测值历元间求差的方法得以消除，比如相对论效应、潮汐效应、轨道误差和对流层延迟等，且整周模糊度不会发生变化，均表示为
Figure BDA0001863820220000046
对流层延迟
Figure BDA0001863820220000047
轨道误差
Figure BDA0001863820220000048
简化得到上述双差观测方程，其中，
Figure BDA0001863820220000049
表示双差算子符号，
Figure BDA00018638202200000410
进一步的，由于电离层延迟变化较快，在数分钟内，即可发生较大变化，故需要使用双频进行消除，根据所述接收机的不同波长λ1和λ2，分别列出两个波长的所述双差观测方程：
Figure BDA0001863820220000051
Figure BDA0001863820220000052
进一步的，为了消除电离层
Figure BDA0001863820220000053
的影响，实现电离层无关组合数学模型，将两个波长的所述双差观测方程进行消元处理，得到新的观测方程
Figure BDA0001863820220000054
其中，IF表示与电离层无关组合。
进一步的，通过二次多项式模型
Figure BDA0001863820220000055
计算改正卫星钟差的变化；
其中，a1和a2分别是观测卫星s的钟速和钟漂，t0是卫星星历的参考时刻，t1是所述接收机位于A点的时刻，t2是所述接收机位于B点的时刻。
进一步的，将所述双差观测方程线性化，得到误差方程式包括以下步骤：
把已知项放在方程左边，把未知项放在方程右边，得到方程
Figure BDA0001863820220000056
将该方程线性化，得到误差方程式
Figure BDA0001863820220000057
其中，
Figure BDA0001863820220000058
Figure BDA0001863820220000059
Figure BDA0001863820220000061
Figure BDA0001863820220000062
Figure BDA0001863820220000063
Figure BDA0001863820220000064
表示A、B两点基线向量的改正数，
Figure BDA0001863820220000065
为A点单点定位的坐标，
Figure BDA0001863820220000066
为B点单点定位的坐标。
进一步的，通过观测多颗卫星建立观测误差方程组，利用最小二乘平差原理，解算得到A、B两点基线向量的改正数。
进一步的，还包括利用卫星的不同高度角，对观测值进行加权的步骤，以进一步提高解算的基线向量的改正数的精度。
进一步的，根据A点和B点的初始坐标计算A、B两点的初始基线向量，再利用所述基线向量改正数，得到A点和B点精确的基线向量。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
运用本发明所述的一种GNSS单站位移监测方法，适用于使用单个GNSS接收机在短时间内测量空间距离较近的两点相对位置，依据对流层延迟等误差在短时间内较强相关性和没有周跳发生时模糊度固定不变的特点，提出GNSS单站位移监测技术，研究对GNSS单站数据时间序列信息进行处理，通过削弱或消除观测量中的时空相关误差，解算精确的单个接收机位移的基线向量，快速测量得到两点的相对位置关系；本发明技术不需要基站和通讯设备，不依赖接收精密星历，使用单个接收机即可达到厘米级定位精度，处理方法简单，节省设备购置成本和提高测量生产效率。
附图说明
图1为实施例中GNSS接收机在t1时刻的A点移动至t2时刻的B点的示意图(本发明所述方法外业作业示意图)；
图2为实施例中本发明所述方法外业作业流程图；
图3为实施例中本发明所述方法内业作业流程图。
具体实施方式
下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
实施例
如图1-3所示，本发明所述的一种基于美国GPS的GNSS单站位移监测方法，包括以下步骤：
步骤一、在A点设置GNSS接收机，启动所述接收机进行数秒短时间的观测，A点与观测卫星s的相位观测可表示为：
Figure BDA0001863820220000071
其中，
Figure BDA0001863820220000072
为s号卫星到A点的几何距离，λ为波长，
Figure BDA0001863820220000073
为电子含量，
Figure BDA0001863820220000074
为对流层延迟，
Figure BDA0001863820220000075
为轨道误差径向分量，dtA为接收机钟差，
Figure BDA0001863820220000076
为整周模糊度，ξ为测量噪声及未建模误差(单位为周)；
同理可得A点与参考卫星r(参考卫星r的高度角大于观测卫星s的高度角)的相位观测方程为：
Figure BDA0001863820220000081
步骤二、对不同卫星间观测值求差，得到A点与观测卫星s相对于参考卫星r的观测方程为：
Figure BDA0001863820220000082
其中，Δ表示单差算子符号，
Figure BDA0001863820220000083
步骤三、保持所述接收机对卫星的跟踪，将所述接收机迅速移动到B点(若移动过程中所述接收机与卫星断连，重新执行所述步骤一)，进行数秒短时间的观测，则B点与观测卫星s相对于参考卫星r的观测方程为：
Figure BDA0001863820220000084
步骤四、由于A点到B点的过程中，所述接收机都保持对卫星的跟踪，从A点到B点的距离和时间都较短，很多误差都是时空相关误差，可通过观测值历元间求差的方法得以消除，比如相对论效应、潮汐效应、轨道误差和对流层延迟等，且整周模糊度不会发生变化，均表示为
Figure BDA0001863820220000085
对流层延迟
Figure BDA0001863820220000086
轨道误差
Figure BDA0001863820220000087
因此，对在A点和B点的观测方程二次求差，并可以简化为双差观测方程：
Figure BDA0001863820220000088
其中，
Figure BDA0001863820220000089
为双差算子，
Figure BDA00018638202200000810
步骤五、由于电离层延迟变化较快，在数分钟内，即可发生米级的较大变化，故需要使用双频进行消除，根据不同波长λ1和λ2，可分别列出双差观测方程：
Figure BDA0001863820220000091
Figure BDA0001863820220000092
步骤六、为了消除电离层
Figure BDA0001863820220000093
的影响，实现电离层无关组合数学模型，将所述步骤五的两个方程进行消元处理，得到新的观测方程：
Figure BDA0001863820220000094
其中，IF表示与电离层无关组合，由于GPS信号基频f0＝10.23MHz，f1＝77*2f0，f2＝60*2f0，因而
Figure BDA0001863820220000095
λIF＝C/(77λ1-60λ2)，C为真空中光速；
步骤七、卫星钟差的变化可通过二次多项式模型进行计算改正：
Figure BDA0001863820220000096
其中，a1和a2分别是观测卫星s的钟速和钟漂，t0是卫星星历的参考时刻，t1是所述接收机位于A点的时刻，t2是所述接收机位于B点的时刻；
步骤八、把已知项放在方程左边，把未知项放在方程右边，得到方程：
Figure BDA0001863820220000097
将该方程线性化，得到如下方程式：
Figure BDA0001863820220000101
其中，
Figure BDA0001863820220000102
Figure BDA0001863820220000103
Figure BDA0001863820220000104
Figure BDA0001863820220000105
Figure BDA0001863820220000106
Figure BDA0001863820220000107
表示A、B两点基线向量的改正数，
Figure BDA0001863820220000108
为A点单点定位的坐标，
Figure BDA0001863820220000109
为B点单点定位的坐标；
步骤九、卫星到所述接收机几何距离的变化和卫星钟差的变化体现在相位观测值的变化上，通过观测多颗卫星建立观测误差方程组，利用卫星的不同高度角，对观测值进行加权，利用最小二乘平差原理，解算得到A、B两点基线向量的改正数，根据A点和B点的初始坐标计算A、B两点的初始基线向量，再利用所述基线向量改正数，由此得到A点和B点精确的基线向量：
ΔxAB＝xB0-xA0+dx，
ΔyAB＝yBO-yAO+dy，
ΔzAB＝zB0-zA0+dz。
运用本发明所述的一种GNSS单站位移监测方法，通过编程实现其算法。在实际数据测试中，通过相邻两个点之间的相对位置测试和逐点之间(若干点两两之间)进行相对位置测试，通过本发明所叙述的方法得到的距离值和利用高精度全站仪实测结果进行比较分析，较差差值大部分能达到厘米级；本发明适用于使用单个GNSS接收机在短时间内测量空间距离较近的两点相对位置，本发明技术不需要基站和通讯设备，不依赖接收精密星历，使用单个接收机即可达到厘米级定位精度，处理方法简单，节省设备购置成本和提高测量生产效率。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种GNSS单站位移监测方法，将GNSS接收机由A点移动至B点，A点观测时刻为t1，B点观测时刻为t2，其特征在于，移动过程中保持所述接收机对卫星的跟踪，还
包括在A点处和B点处分别建立该点处所述接收机与卫星相位观测之差的单差观测方程的步骤；
包括将A点处的单差观测方程和B点处的单差观测方程二次求差，得到双差观测方程的步骤；
包括所述接收机利用不同频率信号消除电离层因素对所述双差观测方程影响的步骤；
包括计算改正所述双差观测方程中卫星钟差变化的步骤；
包括将所述双差观测方程线性化，得到误差方程式的步骤；
包括通过最小二乘平差原理，获取精确的基线向量的步骤：卫星到所述接收机几何距离的变化和卫星钟差的变化体现在相位观测值的变化上，通过观测多颗卫星建立观测误差方程组，利用卫星的不同高度角，对观测值进行加权，利用最小二乘平差原理，解算得到A、B两点基线向量的改正数，根据A点和B点的初始坐标计算A、B两点的初始基线向量，再利用所述基线向量改正数，由此得到A点和B点精确的基线向量。
2.根据权利要求1所述的监测方法，其特征在于，所述接收机在A点与观测卫星s的相位观测通过方程
Figure FDA0003131286320000011
确定；
其中，
Figure FDA0003131286320000021
为s号卫星到A点的几何距离，λ为波长，
Figure FDA0003131286320000022
为电子含量，
Figure FDA0003131286320000023
为对流层延迟，
Figure FDA0003131286320000024
为轨道误差径向分量，dtA为接收机钟差，
Figure FDA0003131286320000025
为整周模糊度，ξ为测量噪声及未建模误差。
3.根据权利要求2所述的监测方法，其特征在于，所述接收机在A点与观测卫星s相对于参考卫星r的相位观测之差通过方程
Figure FDA0003131286320000026
确定；
其中，Δ表示单差算子符号，
Figure FDA0003131286320000027
Figure FDA0003131286320000028
为所述接收机在A点与观测卫星s的相位观测方程，
Figure FDA0003131286320000029
为接收机在A点与参考卫星r的相位观测方程。
4.根据权利要求3所述的监测方法，其特征在于，B点处单差观测方程减去A点处的单差观测方程形成如下的所述双差观测方程
Figure FDA00031312863200000210
其中，
Figure FDA00031312863200000211
表示双差算子符号，
Figure FDA00031312863200000212
Figure FDA00031312863200000213
为所述接收机在B点与观测卫星s相对于参考卫星r的相位观测之差方程，
Figure FDA00031312863200000214
为所述接收机在A点与观测卫星s相对于参考卫星r的相位观测之差方程。
5.根据权利要求4所述的监测方法，其特征在于，根据所述接收机的不同波长λ1和λ2，分别列出两个波长的所述双差观测方程：
Figure FDA00031312863200000215
Figure FDA00031312863200000216
6.根据权利要求5所述的监测方法，其特征在于，将两个不同波长的所述双差观测方程进行消元处理，得到新的观测方程
Figure FDA0003131286320000031
其中，IF表示与电离层无关组合。
7.根据权利要求6所述的监测方法，其特征在于，通过二次多项式模型
Figure FDA0003131286320000032
计算改正卫星钟差的变化；
其中，a1和a2分别是观测卫星s的钟速和钟漂，t0是卫星星历的参考时刻，t1是所述接收机位于A点的时刻，t2是所述接收机位于B点的时刻。
8.根据权利要求7所述的监测方法，其特征在于，将所述双差观测方程线性化，得到误差方程式包括以下步骤：
把已知项放在方程左边，把未知项放在方程右边，得到方程
Figure FDA0003131286320000033
将该方程线性化，得到误差方程式
Figure FDA0003131286320000034
其中，
Figure FDA0003131286320000035
Figure FDA0003131286320000036
Figure FDA0003131286320000037
Figure FDA0003131286320000038
Figure FDA0003131286320000039
Figure FDA0003131286320000041
表示A、B两点基线向量的改正数，
Figure FDA0003131286320000042
为A点单点定位的坐标，
Figure FDA0003131286320000043
为B点单点定位的坐标。
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