CN107607032A - 一种gnss形变监测*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种GNSS形变监测***。本发明的GNSS形变监测***，至少一个第一数据接收模块、至少一个第二数据接收模块、解码模块、数据选择模块和处理模块，通过第一数据接收模块和第二数据接收模块分别获取第一接收数据和第二接收数据，再通过解码模块分别解码为第一输入数据和第二输入数据，并通过数据选择模块对第二输入数据进行分组后，处理模块采用单差方式和双差方式结合的方法进行解算获取最优解。本发明的GNSS形变监测***，通过采用单差方式和双差方式结合的方法解算接收机观测数据，能够提高对检测点变形量的解算精度。

Description

一种GNSS形变监测***

技术领域

本发明涉及卫星定位导航技术领域，尤其涉及一种GNSS形变监测***。

背景技术

随着全球卫星定位***的发展，卫星导航定位技术在军事、交通、测绘、通信、时间比对、大气研究等方面已得到较为深入的应用。

由于利用全球导航卫星系(英文全称：Global Navigation Satellite System，英文缩写：GNSS)进行定位的技术，具有观测不受气候条件限制、测站间无需保持通视、可同时测定点的三维位移及自动化程度高等优点,因而不仅在板块运动、海平面变化及局部区域的地壳形变等大范围、长距离的监测项目中得到了广泛的应用,而且也为小范围、短距离、高精度的工程建筑物的变形监测以及滑坡崩塌等地质灾害的监测提供了一种新的有效手段，从而逐步取代了地基无线电导航、传统大地测量和天文测量导航定位技术。

形变监测(变形监测)是一项利用精密仪器和专业方法对发送形变的物体进行长时间的观察检查的工作，同时也将对发生形变的物体做出相应的预测和分析。GNSS形变监测(GNSS变形监测)即利用采用GNSS的定位技术，是通过对接收机观测数据进行处理解算进行形变监测的。

一般情况下，接收机观测数据用来解算通常采用三种方式，分别是单差、双差、三差方式，三差方式解算接收机观测数据除了在特定的用途之外也比较少应用，现有技术中通常应用的是双差方式解算接收机观测数据，得到的双差相位测量值是一种用来实现相对定位的关键测量值。

但是，无论是单差方式还是双差方式解算接收机观测数据。都具有一定的缺点。具体地，单差方式解算接收机观测数据，由于存在宽巷UPD，导致与双差方式解算接收机观测数据相比，在模糊度固定方面耗时较长。双差方式解算接收机观测数据虽然与单差方式解算接收机观测数据相比，固定模糊度确定耗时较短，可是在进行相对定位高度角方面的解算时精度较差。

针对现有的单差方式和双差方式解算接收机观测数据的问题，需要提供一种能够克服上述缺点的GNSS形变监测***。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种GNSS形变监测***，通过采用单差方式和双差方式结合的方法解算接收机观测数据，能够提高对检测点变形量的解算精度。

为实现上述目的，本发明的一种GNSS形变监测***，包括：

至少一个第一数据接收模块，每个第一数据接收模块接收来自对应的监测点或基准站的一个第一接收数据；

至少一个第二数据接收模块，每个第二数据接收模块接收来自对应的监测点或基准站的多个第二接收数据；

解码模块，解码模块根据第一接收数据分别确定与其对应的第一输入数据，并根据第二接收数据分别确定与其对应的第二输入数据；

数据选择模块，数据选择模块根据第二接收数是否由同一第二数据接收模块接收对对应的第二输入数据分组；以及

处理模块，处理模块对各组第二输入数据利用单差方式解算获得单差解，同时对各个第一输入数据利用双差方式解算获得双差解；并且，

处理模块根据单差解和双差解确定最优解。

进一步地，解码模块根据第一接收数据分别确定与其对应的第一输入数据的方法为：将第一接收数据解码成第一观测数据和第一导航电文，任一第一观测数据和与其对应的第一导航电文构成第一输入数据；解码模块根据第二接收数据分别确定与其对应的第二输入数据的方法为：将第二接收数据解码成第二观测数据和第二导航电文，任一第二观测数据和与其对应的第二导航电文构成第二输入数据。

进一步地，还包括修正模块，修正模块根据第一接收数据确定第一改正数据，并根据第二接收数据确定第二改正数据。

进一步地，解码模块还能够将第一改正数据解码成第一差分数据，第一输入数据还包括与其对应的第一差分数据；将第二改正数据解码成第二差分数据，第二输入数据还包括与其对应的第二差分数据。

进一步地，第一数据接收模块为单天线接收机，第二数据接收模块为时钟同步多天线接收机。

进一步地，处理模块包括多个计算单元，计算单元的数量根据监测点和基准站的数量确定；计算单元分别根据第一输入数据或第二输入数据确定双差解或单差解。

进一步地，处理模块还包括最优解单元，最优解单元分别根据单差解和双差解确定单差解集合和双差解集合，并在单差解集合和双差解集合中选取最优解。

进一步地，计算单元分别为单差卡曼滤波模块或双差卡曼滤波模块。

进一步地，还包括建模模块，建模模块根据最优解确定监测点形变量的预测模型。

进一步地，还包括业务逻辑模块，业务逻辑模块根据预测模型确定相应的预测数据。

本发明的GNSS形变监测***，能够通过第一数据接收模块和第二数据接收模块分别获取第一接收数据和第二接收数据，再通过解码模块分别解码为第一输入数据和第二输入数据，并通过数据选择模块对第二输入数据进行分组后，最后处理模块采用单差方式和双差方式结合的方法对第一输入数据和分组后的第二输入数据进行解算获取最优解。由于第二数据接收模块接收到的第二输入数据采用单差方式解算，因此可以提高解算的精度，然后再利用单差方式和双差方式结合的方式对单差解集合和双差解集合进行解算，降低了固定模糊度的耗时。

附图说明

图1为本发明一个实施例的GNSS形变监测***的模块示意图；

图2为本发明的处理模块的解算流程示意图；

图3为本发明另一个实施例的GNSS形变监测***的模块示意图。

具体实施方式

下面，结合附图，对本发明的结构以及工作原理等作进一步的说明。

如图1所示，本发明的一种GNSS形变监测***，包括至少一个第一数据接收模块1、至少一个第二数据接收模块2、解码模块3、数据选择模块4和处理模块5。

第一数据接收模块1用于接收来自对应的监测点或基准站的一个第一接收数据，第二数据接收模块2用于接收来自对应的监测点或基准站的多个第二接收数据，解码模块3能够根据第一接收数据分别确定与其对应的第一输入数据，并根据第二接收数据分别确定与其对应的第二输入数据，数据选择模块4能够根据第二接收数据是否由同一第二数据接收模块2接收对对应的第二输入数据分组，处理模块5可以对各组第二输入数据利用单差方式解算获得单差解，同时对各个第一输入数据利用双差方式解算获得双差解，然后根据单差解和双差解确定最优解。

其中，第一数据接收模块1和第二数据接收模块2主要是用于接收监测点和基准站的观测数据和维修发射的导航电文，并将这些数据按照一定的格式存储和传输。在本发明实施例中，第一数据接收模块1为单天线接收机，第二数据接收模块2为时钟同步多天线接收机。

而解码模块3主要对接收到的第一接收数据和第二接收数据进行解码，把其还原成可以识别的相应数据，在本发明实施例中，解码模块3根据第一接收数据分别确定与其对应的第一输入数据的方法为：将第一接收数据解码成第一观测数据和第一导航电文，任一第一观测数据和与其对应的第一导航电文构成第一输入数据；解码模块3根据第二接收数据分别确定与其对应的第二输入数据的方法为：将第二接收数据解码成第二观测数据和第二导航电文，任一第二观测数据和与其对应的第二导航电文构成第二输入数据。可见，无论是来自基准站还是来自监测点的接收数据都被解码成可识别的GNSS的观测数据和导航电文。

为了提高监测结果的准确性，在本发明实施例中还可以包括修正模块。其中，修正模块可以根据第一接收数据确定第一改正数据，并根据第二接收数据确定第二改正数据，具体地，可以根据修正模块的类型对第一接收数据内的第一观测数据和第二接收数据内的第二观测数据进行修正，从而获得第一改正数据和第二改正数据。具体地，以第一改正数据的确定方法为例，可以通过对第一接收数据中的第一观测数据和第一差分台站点数据结合获得第一改正数据。其中，第一差分台站点数据包括当前时间要对伪距和载波相位的改正值，因此，可以将第一观测数据解码后对应的伪距和载波相位加上或者减去对应的改正值，获得第一改正数据。

此时，解码模块3接收到的数据还包括第一改正数据和第二改正数据，因此，解码模块3还需要将第一改正数据解码成第一差分数据，第一输入数据还包括与其对应的可识别的第一差分数据；将第二改正数据解码成第二差分数据，第二输入数据还包括与其对应的可识别的第二差分数据。

在本发明实施例中，处理模块5用于接收第一输入数据(包括第一观测数据、第一导航电文和第一差分数据)和第二输入数据(包括第二观测数据、第二导航电文和第二差分数据)，然后通过解算得到监测点相对于基准站的相对位置和协方差矩阵作为输出数据。

为了保证计算时各组数据不会相互干扰从而提高计算结果的准确性，在本发明实施例中，处理模块5可以包括多个计算单元6，计算单元6的数量根据监测点和基准站的数量确定，即每个基准站和监测点都需要由一个计算单元6进行计算，因此，计算单元6的数量的计算公式为n＝r×b，其中，n为计算单元6的数量，r为监测点的数量，b为基准站的数量。其中，每个计算单元6可以分别根据与其对应的一个第一输入数据或一组第二输入数据确定对应的双差解或单差解，一个计算单元6仅对应一个第一输入数据或一组第二输入数据。

在本发明实施例中，计算单元6分别为单差卡曼滤波模块或双差卡曼滤波模块。如图2所示，即单天线接收机和单天线接收机之间进行联合解算时使用双差卡曼滤波模块，时钟同步多天线接收机的天线之间进行解算时使用单差卡尔曼滤波模块。单差卡尔曼滤波模块和双差卡曼滤波模块之间的主要区别在于在高程方向单差卡曼滤波和双差卡曼滤波相比可以获得更高的精度，双差卡曼滤波和单差卡曼滤波相比在现有的模糊度固定方法之下可以更快的得到模糊度的固定解。如果只是使用单差卡曼滤波算法(即单差方式进行解算)，单差方式的相位模糊度固定需要的时间较长，如果只使用双差卡曼滤波算法(即双差方式进行解算)，虽然模糊度容易固定，但是高程方向的误差较大。

因此，为了时单差解和双差解可以更好地进行融合，处理模块5还包括最优解单元7，最优解单元7分别根据单差解和双差解确定单差解集合和双差解集合，并在单差解集合和双差解集合中确定最优解，该最优解即为每个监测点到基准站的相对位置解(基线)。最优解单元7的作用是对单差解和双差解进行优选，使双差解的模糊度可以用于单差，从而使单差解的模糊度解算速度大大提高，同时提高部分监测点在高程方向的精度。确定最优解的过程主要是根据两个方面：一个是模糊度的解，根据单差方式和双差方式解算出来的模糊度的最小方差择优选择。一个是双差方式和单差方式解算得出的监测点和基准站的相对位置的最小方差择优选择。由于双差方式解算固定模糊度快，因此最开始得到的模糊度的固定解基本上是双差卡尔曼滤波的解。但是对相对位置进行确定时，在单差方式和双差方式的解相差不大时，比如差值不超过M(我们一般取M＝3)的情况下，优先使用单差卡尔曼滤波的解。

在本发明实施例中，所使用的***的原理和方法如下：

卡尔曼滤波所使用的***基本原理可以用下面的方式来表达：

已知待估计的随机信号的状态方程和观测方程为：

其中，X_k为在t_k时刻的状态向量；X_k-1为在t_k前一时刻的的状态向量；Φ_k,k-1为t_k-1时刻至t_k时刻的转移矩阵；Γ_k-1为***噪声驱动阵；W_k为***激励噪声序列；H_k为量测阵；V_k为量测噪声序列；Z_k为t_k时刻的m×1状态观测向量。

已知噪声的统计特性如下：

其中，E为数学期望，Q_k和R_k分别为动态噪声和观测噪声的方差矩阵，δ_ki为Kronecker函数，也就是有

卡尔曼滤波的计算过程可以用下面的公式来进行计算：

首先，给定初始条件W_k＝0，并假设有初值

从而获得一步状态预测公式

然后计算预测协方差矩阵

并进行状态估计，从而得到

计算卡尔曼增益矩阵

最后，计算更新后预测协方差矩阵

P_k＝(I-K_kH_k)P_k/k-1

其中，上标T表示矩阵转置，上标-1表示求逆，也就是矩阵的逆。已知动态***在t_k-1时刻的状态时，如果假设W_k-1＝0，就可以计算出下一时刻t_k的状态预报值在时刻t_k的观测数据为L_k，利用此对预报值进行修正，得到时刻t_k时***的状态估计值如此经过反复递推计算，最终达到滤波的目的。

在实际运算中我们让单差卡曼滤波和双差卡曼滤波的单差解和双差解互通有无，这样只要有一种滤波方式能够获得某个卫星的整周模糊度，则相当于另外一个也得到了该模糊度的解，其中，双差观测方程为

式中,为双差相位观测值；为测站到卫星的真实双差几何距离；为双差整周模糊度；为双差后的对流层残差项；为双差后的电离层残差项；为双差后的轨道误差残差项；为多路径残差；为测量噪声残差。

单差观测方程为

Δφ＝Δρ+ΔN+ΔT-ΔI+ΔR+M(Δφ)+Δφ_upd+ε(Δφ)

式中,Δφ为双差相位观测值；Δρ为测站到卫星的真实双差几何距离；ΔN为双差整周模糊度；ΔT为双差后的对流层残差项；ΔI为双差后的电离层残差项；ΔR为双差后的轨道误差残差项；M(Δφ)为多路径残差；Δφ_upd为两个天线的UPD差值；ε(Δφ)为测量噪声残差。

如图3所示，在本发明另一实施例中，GNSS形变监测***还可以包括建模模块。建模模块可以根据最优解确定监测站形变量的预测模型，即根据处理模块5的输出结果(最优解)和监测点的物理、数学等的相关特性进行建模。其中，建模主要使用多项式拟合模型来逼近形式未知的变形因素之间的函数变量关系。例如，对工程建筑物而言，可以考察变形过程中的某一个点的累积变形值和对应的影响因子比如时间之间的关系，由于采用多项式模型进行拟合，多项式模型中的阶数n其实事先并不知道，因此需要采取对n行添项增加的建模方法。具体来说从n＝k＝1开始，逐次升高，每增加一项就拟合一次多项式，并估计出系数和残差平方和做统计检验，当新添加时间的更高次项不能使得残差平方和显著下降时，表明拟合的多项式已经较优的表达了变形量和时间的关系，这样得到的多项式的表达式能够较好的表达式就和相变量的关系，由于多项式已知，还可以用来预测未来的型变量，只要把时间代入上述多项式即可。

在本发明另一实施例中，GNSS形变监测***还可以包括业务逻辑模块，业务逻辑模块可以根据预测模型确定相应的预测数据。例如根据操作员放入需要提供数据的各种转换形式，如某时刻的变形量、报警时间、阶段变形量、数据监测状态等。

综上所述，本发明实施例的GNSS形变监测***同时具有单天线接收机和多天线接收机，在解算时利用单差方式和双差方式结合的方法进行解算，有效克服了传统的变形监测软件在高程方向误差较大的问题，并且解决了单差算法固定模糊度时间较长的问题。

以上，仅为本发明的示意性描述，本领域技术人员应该知道，在不偏离本发明的工作原理的基础上，可以对本发明作出多种改进，这均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种GNSS形变监测***，其特征在于，包括：

至少一个第一数据接收模块，每个所述第一数据接收模块接收来自对应的监测点或基准站的一个第一接收数据；

至少一个第二数据接收模块，每个所述第二数据接收模块接收来自对应的所述监测点或所述基准站的多个第二接收数据；

解码模块，所述解码模块根据所述第一接收数据分别确定与其对应的第一输入数据，并根据所述第二接收数据分别确定与其对应的第二输入数据；

数据选择模块，所述数据选择模块根据所述第二接收数据是否由同一所述第二数据接收模块接收对对应的所述第二输入数据分组；以及

处理模块，所述处理模块对各组所述第二输入数据利用单差方式解算获得单差解，同时对各个所述第一输入数据利用双差方式解算获得双差解；并且，

所述处理模块根据所述单差解和所述双差解确定最优解。

2.如权利要求1所述的GNSS形变监测***，其特征在于，所述解码模块根据所述第一接收数据分别确定与其对应的第一输入数据的方法为：将所述第一接收数据解码成第一观测数据和第一导航电文，任一所述第一观测数据和与其对应的所述第一导航电文构成第一输入数据；所述解码模块根据所述第二接收数据分别确定与其对应的第二输入数据的方法为：将所述第二接收数据解码成第二观测数据和第二导航电文，任一所述第二观测数据和与其对应的所述第二导航电文构成第二输入数据。

3.如权利要求2所述的GNSS形变监测***，其特征在于，还包括修正模块，所述修正模块根据所述第一接收数据确定第一改正数据，并根据所述第二接收数据确定第二改正数据。

4.如权利要求3所述的GNSS形变监测***，其特征在于，所述解码模块还能够将所述第一改正数据解码成第一差分数据，所述第一输入数据还包括与其对应的所述第一差分数据；将所述第二改正数据解码成第二差分数据，所述第二输入数据还包括与其对应的所述第二差分数据。

5.如权利要求1所述的GNSS形变监测***，其特征在于，所述第一数据接收模块为单天线接收机，所述第二数据接收模块为时钟同步多天线接收机。

6.如权利要求1所述的GNSS形变监测***，其特征在于，所述处理模块包括多个计算单元，所述计算单元的数量根据所述监测点和所述基准站的数量确定；所述计算单元分别根据所述第一输入数据或所述第二输入数据确定所述双差解或所述单差解。

7.如权利要求6所述的GNSS形变监测***，其特征在于，所述处理模块还包括最优解单元，所述最优解单元分别根据所述单差解和所述双差解确定单差解集合和双差解集合，并在所述单差解集合和所述双差解集合中选取所述最优解。

8.如权利要求6所述的GNSS形变监测***，其特征在于，所述计算单元分别为单差卡曼滤波模块或双差卡曼滤波模块。

9.如权利要求1所述的GNSS形变监测***，其特征在于，还包括建模模块，所述建模模块根据所述最优解确定监测点形变量的预测模型。

10.如权利要求9所述的GNSS形变监测***，其特征在于，还包括业务逻辑模块，所述业务逻辑模块根据所述预测模型确定相应的预测数据。