高频GPS单历元定位及在桥梁振动监测方面的应用研究

发布时间：2016-05-15 06:40

第一章 绪论

1.1、研究背景及意义
高精度 GPS 测量与经典的测量方法相比，其优点为定位精度高、可以为用户提供站点的三维坐标，仪器的操作和数据解算流程简便，观测时间短，而且可以全天候的工作等等，因而现代 GPS 定位技术在测量工作中得到了广泛应用。到了 20 世纪九十年代，GPS 对上千公里范围内的基线解算，其相对定位精度可以达到千万分之一。1994 年 IGS(国际 GNSS 服务)正式成立，并在短时间内在全世界范围内建立了很多永久性的 GNSS 连续观测站，目前的 GNSS 测站数已经达到了三百多个站点。IGS 中心会向全球的每个用户发布其卫星星历、IGS 跟踪站的站点坐标和站点速度、GNSS 卫星信息以及 IGS 跟踪站的仪器钟差信息、全球分布的电离层信息、IGS 地球参考框架、天顶对流层延迟参数等多种 IGS 产品。IGS 中心提供的丰富信息对于推进 GPS 技术在大地测量学中的应用起到了极大的推动作用。鉴于 GPS 的实时、全天候不间断、操作简便、高精度等特点，GPS 测量技术可以很好的运用到车辆导航、地形图测量、控制点测量、形变监测、地震监测、速度测量等多个领域。但是对于传统的 GPS 测量技术来说，由于接收机软件和硬件设备较差如：采样率和定位技术差的原因，现在 GPS 技术设备主要是应用于研究地表较长周期的变化，尤其是对于长周期地壳运动位移变化的监测发挥了巨大的作用，如板块运动、冰后回弹等[1]。但是对于某些领域而言，对于某些长周期的运动变化分析虽然重要，但对于短周期的、短时瞬时变化运动信息的获取也显得越来越有应用价值。因此，随着 GPS设备以及数据处理技术的发展，例如观测精度和处理方法的不断改进和提高以及高采样率(1Hz 以上，最高可达 50Hz) GPS 接收机的相继出现。随着对形变瞬时变化分析技术以及 GPS 的观测精度的提高，目前已经出现了很多利用高采样率 GPS 技术对瞬时形变进行研究。其中应用最为广泛的就是利用高采样率 GPS 技术对地震及地壳的瞬时形变进行研究，并随之形成了一门新的学科-GPS 地震学[2]。随着越来越多的人研究高频 GPS 在地震学中的应用，促使了高频 GPS 监测和解算技术在其它方面也得到了很好的发展，例如利用高频 GPS 对桥梁震动、高大建筑物摆动以及高速运动的物体的运动轨迹监测等方面[3]。
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1.2 国内外研究现状
通常情况下，如果想要得到高精度的 GPS 定位坐标，则需要采用相位观测值，通过相位观测值来求解整周模糊度的值。按照解算整周模糊度的不同解算类型，GPS的单历元解算方法可以分为两种：一种是实现起来难度较大的，对每个历元单独解算整周模糊度，由于该方法对模糊度值的约束比较难，模糊度解算错误的概率就相应的比较大。而如果解算出来的模糊度值不准确，这将使得定位结果出现错误，但是该方法优点是 GPS 每个历元观测数都可以实时解算出一个坐标，目前美国的Geodetics 公司采用这种方法研制了 RTD 软件[4]；另一种方法就是对所有的观测数据进行整体解算，整体分配模糊度，该方法对模糊度值的约束力较强，通常需要一段时间的的观测才能完成解算[5]，目前主要运用此方法的软件是 GAMIT/GLOBK 的双差动态定位模块（TRACK 模块）。按照 GPS 定位方式的不同，高精度的 GPS 单历元定位方法也可以分为两种：相对定位（Relative Positioning）和精密单点定位（Precise Point Positioning）方法。相对定位是假定一个站为参考站（固定不动），从而计算流动站相对于参考站的坐标差，其定位优点是在基线较短时，很多种误差都可以通过单差或者双差的方法进行消除；精密单点定位方法只需要流动站点的观测数据就可完成站点定位，且其定位结果是流动站在参考框架下的三维坐标。
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第二章 高频 GPS 单历元定位的基本理论

2.1 星历产品概述
自 GPS 建成并被广泛的应用以来，由于该方法有着低成本、高效率、高精度以及高稳定性的特点，使得该方法受到了很多人青睐，而且不管是在军用、民用及很多领域都起到了举足轻重的作用，极大的推动了相关科学研究工作的开展。虽然如此，但学者们对 GPS 的相关研究也没有停止过，国内外相关学者为了能满足用户对精度、可靠性等的要求，正利用各种途径来改进其性能，卫星轨道的精确度就是其中一项重要的改进途径[18]。轨道可以说是航天技术应用中的最基本的要素之一，无论是人造卫星或者是其它的一些航天器等等，都需要对轨道做精确的预测和计算。我们可以根据卫星轨道的任务来选择何种卫星轨道在空间中计算是最有利的，以及在卫星运行的基础上，为了保持一个卫星在预期的轨道中运行，可以通过对卫星进行发布信息来施加控制。由于地球外界空间条件复杂，，卫星受到的外力难以用准确的模型来描述，所以对于卫星精密轨道的计算精度对提高定位精度是特别重要的，同时这一工作任务也是非常复杂的任务。
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2.2 GPS 定位的主要误差源以及处理方法
在 GPS 定位过程中会受到各种各样因素的影响，按照影响因素的类型不同，大致可归结为四类：与卫星有关的误差、与传播路径有关的误差、与接收机有关的误差和其他原因引起的误差（包括相对论效应、固体潮、极潮、海潮负荷等）[23]。这些因素主要是对电磁波到接收机之间的真实距离产生影响，使实际距离与监测计算的距离产生一定的误差。所谓精密定位就是根据一些误差特点，建立相应的误差改正模型，从而提高解算精度。在进行精密单点定位时最常用到且最重要的起算数据就是卫星轨道和卫星钟差。GPS 的标准时间和卫星时钟因为时钟频率漂移引起的时间差被称为卫星时钟误差，卫星星历误差是指卫星的实际运行轨迹与通过实际观测数据来计算和估计的卫星轨道数据之间的差值。 GPS 的广播星历表可提供卫星轨道信息和卫星的轨道参数，我们可以用它提供的轨道参数来计算在任何时间的卫星位置。但目前通过广播星历计算的卫星钟差精度只有约 5-10 纳秒，由于无法完全消除卫星钟差和接收机时钟误差，这样在观测时能产生 1.5-3 米的距离误差。在精密单点定位时，我们无法通过双差定位方式对卫星钟差和接收机钟差进行差分消除，所以卫星钟差和接收机钟差的精度就成为了单点定位中决定其定位精度的主要因素。广播星历提供的卫星轨道误差大约为 10 米左右。因此，精密卫星轨道误差和卫星钟差在单点定位中尤为重要。
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第三章 高频 GPS 单历元定位分析..........26
3.1 TRACK 模块的解算过程及解算实例......26
3.1.1 TRACK 模块的解算过程...........26
3.1.2 TRACK 模块的解算实例...........27
3.2 与经典 GPS定位的异同之处..........29
3.3 星历及基线长短对定位精度的影响.......29
3.4 高频 GPS 动态解算对流层天顶延迟的精度分析..........32
3.4.1 静态解算对流层延迟与高频 GPS 动态对流层延迟解算方法对比.......32
3.4.2 测站对流层天顶延迟解算........ 35
3.4.3 atm_bias 值对高频 GPS 动态对流层延迟解算精度分析......38
3.5 本章小结...........39
第四章 高频 GPS 在桥梁振动监测中的应用研究..........40
4.1 桥梁振动数据采集与处理.......40
4.1.1 数据采集.... 40
4.1.2 GPS 数据处理..........41
4.2 分析与讨论.......43
4.3 本章小结...........46
第五章 总结与展望....47
5.1 总结...........47
5.2 展望...........48

第四章 高频 GPS 在桥梁振动监测中的应用研究

随着科学技术、交通运输以及经济的不断发展，许多大型桥梁应运而生，但是在建设初期，由于对这些大型桥梁缺乏必要的监测以及相应的养护措施，导致了世界各地出现了大量的桥梁损坏事故，给人们的经济和生命财产造成了重大的损失。1940 年完工的塔可马大桥只运营了三个月就发生了坍塌；1994 年 10 韩国汉城的圣水大桥中间发生了断裂事故，造成多人死亡和重伤，其事故原因是由于长期的超负荷运营造成桥梁破损。我国早期建造的很多大桥如济南黄河桥、广州海印桥等都在未达到设计寿命的情况下进行了拆除和更换，其主要原因都是因为缺乏必要的定期监测和养护导致。虽然现在建设的大型桥梁在建设时期就已经在桥梁内部安装了传感器等设备，但是对于早期建设的仍在继续工作的中小型桥梁缺少必要的监测。由于桥梁腐蚀和车载量等外界因素对这些桥梁的影响，其承载力肯定有所下降，所以为了车辆行驶安全，有必要对这类桥梁进行振动监测。本章将对淄博某桥梁进行实地监测，并利用 TRACK 模块对监测数据进行单历元定位解算，最后利用频谱分析和小波分解与重构对解算结果进行分析。

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总结

近年来随着 GPS 数据采集设备以及 GPS 数据处理技术的发展，对于获得短周期、瞬时的运动变化成为 GPS 研究新的方向。高频 GPS 单历元定位方法可以对采集的静态高频 GPS 数据通过后处理方式获得单历元的定位结果，为此，国内外学者们相继将该方法应用到地震监测、桥梁振动、高大建筑物的摆动以及高速运动物体的轨迹监测方面。论文在高频 GPS 单历元定位方法和 GAMIT/GLOBK 软件介绍的基础上，对关键技术进行了详细分析，结合大地测量与地球动力学国家重点实验室开放基金资助项目《实时 GPS 在地震学中的应用研究》，对 GAMIT/GLOBK 软件中静态对流层延迟解算和 TRACK 模块的对流层延迟解算的原理进行了学习，并通过比较两者的不同，通过改正 TRACK 模块中的对流层延迟改正项，从而提高了动态解算对流层延迟解算精度；最后将高频 GPS 单历元定位技术应用到桥梁振动监测方面，并利用小波分析方法对振动数据进行了分析。
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参考文献(略)

本文编号：45214