GNSS單歷元進(jìn)行監(jiān)控測量關(guān)鍵問題分析

譚立萍

摘要： 本文對高層建筑采用GNSS單歷元算法進(jìn)行連續(xù)動態(tài)形變監(jiān)控測量，研究了單歷元解算形變信息的數(shù)學(xué)模型，對無整周參數(shù)的單歷元算和單歷元似單差算法進(jìn)行模型分析，確定GNSS形變監(jiān)控測量單歷元似單差算法解算模型的誤差來源。為提高GNSS動態(tài)監(jiān)控測量的精度，本文針對GNSS單歷元算法的進(jìn)行模擬分析和系統(tǒng)研究，為建筑物的形變規(guī)律和健康運營提供指導(dǎo)。

Abstract： In this paper， the GNSS single epoch algorithm is used to measure the dynamic dynamic deformation of the high-rise building. The mathematical model of the deformation information of the single epoch is studied， the single epoch algorithm of no whole week parameter and single epoch similar single difference algorithm model is analyzed to determine the error source of the single epoch similar single difference algorithm model in GNSS deformation monitoring. In order to improve the accuracy of GNSS dynamic monitoring and measurement， this paper simulates and systematically studies the GNSS single epoch algorithm to provide guidance for the deformation law and healthy operation of the building.

關(guān)鍵詞： GNSS單歷元；形變監(jiān)控測量；形變規(guī)律；模擬分析

Key words： GNSS single epoch；deformation monitoring and measurement；deformation law；simulation analysis

中圖分類號：P228.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）22-0206-02

0 引言

對于高層建筑物進(jìn)行GNSS動態(tài)形變監(jiān)控測量，可以有效地了解建筑結(jié)構(gòu)緩慢形變的健康狀況，并針對建筑物的安全運營能力做出相應(yīng)的評估。但GNSS動態(tài)測量很難達(dá)到毫米級精度要求，再加上監(jiān)測環(huán)境的限制、周跳的影響等，使GNSS監(jiān)測數(shù)據(jù)不穩(wěn)定。利用GNSS定位技術(shù)對高層建筑進(jìn)行形變監(jiān)控測量，主要是基于載波相位觀測方程進(jìn)行定位解算，而載波相位觀測值解算過程中需要解算模糊度和消除周跳，單歷元算法解決了周跳探測和修復(fù)問題，但仍然需要解算整周模糊度。

1 GNSS進(jìn)行監(jiān)控測量存在問題

將單歷元算法應(yīng)用到超高層建筑變形檢測中，需要注意以下幾個問題：由于利用單歷元算法解算變形量，需要利用首期觀測坐標(biāo)固定雙差模糊度，所以單歷元算法適用于小形變監(jiān)控測量；單歷元算法還存在成功率低、可靠性差以及可區(qū)分度弱等問題；利用試驗對單歷元算法進(jìn)行變形信息解算，需要對其精度進(jìn)行分析。高精GNSS載波相位測量，需要對模糊度進(jìn)行結(jié)算，并消除周跳。若能求解出準(zhǔn)確的模糊度，即使沒有周跳，僅需要一個歷元的觀測數(shù)據(jù)就可以使定位精度達(dá)到cm級。依據(jù)高精GNSS監(jiān)控測量的特點，以監(jiān)控網(wǎng)的首期觀測成果為解算基礎(chǔ)，監(jiān)測時段的載波相位作為基本觀測量，本文擬建立一種適合于高精GNSS變形監(jiān)控測量的單歷元似單差算法。

2 解算形變信息的單歷元數(shù)學(xué)模型

2.1 GNSS載波相位測量

相對定位多采用載波相位測量，大部分觀測誤差具有相關(guān)性，可以相互削弱甚至抵消掉。載波相位觀測方程不僅包含待定點的坐標(biāo)參數(shù)、整周未知數(shù)，還包含接收機(jī)種差、衛(wèi)星種差以及電離層延遲等，由于兩站誤差具有相關(guān)性，在接收機(jī)間求一次差可以消除衛(wèi)星鐘差的影響，可以大大削弱衛(wèi)星星歷誤差、對流層和電離層折射的影響；二次差是在接收機(jī)和衛(wèi)星間求差，可以消除接收機(jī)的鐘差；若是在接收機(jī)、衛(wèi)星和歷元間進(jìn)行三次差，則可以消除整周未知參數(shù)，但是其求解向量精度不高。

2.2 無整周參數(shù)的單歷元算法 短基線情況下，利用雙差觀測方程，可以消除各項誤差。當(dāng)監(jiān)測點相對初始坐標(biāo)變形較小，可以利用初始坐標(biāo)單歷元固定雙差模糊度，從而進(jìn)行單歷元形變解算。在高精GNSS形變監(jiān)控測量中，要建立可靠的形變分析監(jiān)測網(wǎng)基準(zhǔn)，進(jìn)行初次觀測時，需要具備高精度的基線向量。利用初次觀測的基線向量作為約束條件，從而解算出后期形變監(jiān)控測量的雙差整周未知數(shù)。

2.3 單歷元似單差算法 首期GNSS形變監(jiān)測網(wǎng)如圖1所示，已知基準(zhǔn)點P1和監(jiān)測點P2的精確WGS—84坐標(biāo)。后期進(jìn)行形變監(jiān)控網(wǎng)觀測時，基準(zhǔn)點P1擬定不動，監(jiān)測點P2時時發(fā)生形變。假定P2點形變后的位置為P3， d表示形變量。

如圖1所示，空間四邊形由P1、P2、P3和衛(wèi)星i組成，形變量d可以通過對衛(wèi)星i的載波相位觀測值和已知基線向量b來表示。為獲取監(jiān)測點的空間變形量，將d在XYZ三個方向進(jìn)行投影，由于基準(zhǔn)站和監(jiān)測站距離較近，兩測站對同一衛(wèi)星的方向余弦近似相同，則通過站間單差消除與衛(wèi)星有關(guān)的多項誤差。要實現(xiàn)單歷元解算監(jiān)測點的變形量，需要計算：

若求得變形量dX，需要知道觀測值的初始整周未知數(shù)N，上式即為解算GNSS監(jiān)測點形變信息的單歷元數(shù)學(xué)模型。該數(shù)學(xué)模型類似于載波相位觀測的單差模型，只考慮到觀測衛(wèi)星的方向余弦。在基準(zhǔn)點和觀測點相距較近的條件下，兩測站對同一衛(wèi)星的方向余弦近似相同，則可以利用偽距觀測值和載波相位觀測值計算整周模糊度，在求出接收機(jī)鐘差，即可解算出形變信息。

4 GNSS 形變監(jiān)控測量單歷元似單差算法解算模型

4.1 固定整周模糊度 基準(zhǔn)點P1和監(jiān)測點P2在t歷元對衛(wèi)星i和參考衛(wèi)星j進(jìn)行觀測，依據(jù)雙差觀測方程，以基準(zhǔn)點P1為已知點、以衛(wèi)星j為參考衛(wèi)星的線性化雙差觀測方程。利用基準(zhǔn)網(wǎng)初次觀測的測站坐標(biāo)和t歷元的衛(wèi)星坐標(biāo)計算偽距，通過初次觀測，即可求得雙差模糊度的整數(shù)解，這樣雙差模糊度確定。

4.2 解算形變信息 對于形變信息的在X、Y和Z方向上分量的誤差方程，依據(jù)最小二乘原理，可以解算出該歷元監(jiān)測點的形變信息的改正數(shù)和整周未知數(shù)，從而評定觀測精度。 若某一時段觀測了多個歷元，可以取各歷元形變信息的平均值，即求監(jiān)測點P2的平均變形信息，并依據(jù)歷元間計算值與平均值，求出該時段的平均形變信息從而進(jìn)行評定精度。

4.3 分析模型各種誤差 似單差法解算形變信息精度誤來源差大致可以分為兩大類：一類是觀測數(shù)據(jù)本身含有誤差；另一類是模型建立過程中的近似計算忽略掉某些非主要因素，進(jìn)而引起的模型誤差。應(yīng)用廣義平差相關(guān)方法可以解決第一類誤差，本文重點討論第二類模型誤差。

利用GNSS單歷元算法進(jìn)行形變信息解算，需要通過初始觀測信息固定雙差模糊度，確定雙差模糊度受形變量大小的影響。當(dāng)解算較大形變時需要進(jìn)行模糊度搜索，搜索速率會影響單歷元算法的實效性。利用單歷元算法進(jìn)行形變監(jiān)控測量需要對形變信息精度進(jìn)行分析，從而達(dá)到實際工程監(jiān)控測量的精度需要。

5 結(jié)論與展望

由于GNSS單歷元算法不需要解決周跳的探測和修復(fù)等若干問題，利用建筑物形變監(jiān)控網(wǎng)的初始高精基線信息作為求解雙差整周未知數(shù)的條件，不必解求雙差整周未知數(shù)，這樣可以更為容易的求解整周未知數(shù)的固定值。GNSS單歷元算法適用于小形變的監(jiān)控測量，因此當(dāng)測站同步觀測衛(wèi)星多于兩顆的情況下，就可以利用似單差法解求出監(jiān)測點的形變信息。為提高GNSS動態(tài)監(jiān)控測量的精度，建筑物的監(jiān)控測量內(nèi)容和形變分析應(yīng)該與初期的結(jié)構(gòu)設(shè)計相結(jié)合，為建筑物的健康運營提供指導(dǎo)。

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