CN114608531A - 一种gnss连续运行参考站墩标倾斜度测量方法 - Google Patents

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CN114608531A CN202210134049.0A CN202210134049A CN114608531A CN 114608531 A CN114608531 A CN 114608531A CN 202210134049 A CN202210134049 A CN 202210134049A CN 114608531 A CN114608531 A CN 114608531A
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李国伟
朱伟
杜彬
刘元
许�鹏
陈龙昌
贺致芬
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Abstract

本发明公开了一种GNSS连续运行参考站墩标倾斜度测量方法，所述方法包括以下步骤：将天线底盘外边缘所在圆周上等间距的四个点作为测点，获取四个测点两两之间的高差；根据所述四个测点两两之间的高差，基于秩亏***平差的函数模型，求取所述四个测点的高程估值；根据所述四个测点的高程估值，计算所述墩标的倾斜角度。本发明在不影响GNSS连续数据采集的基础上，能够高精度、高效的测量GNSS墩标的倾斜度，实现墩标稳定性的动态监测。

Description

一种GNSS连续运行参考站墩标倾斜度测量方法
技术领域
本发明属于全球导航定位***技术领域，尤其涉及一种GNSS连续运行参考站墩标倾斜度测量方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
GNSS连续运行参考站是国家重要的空间数据基础设施，是地理空间定位的动态、高精度空间和时间基准，为各行业提供了高效便捷的导航定位服务。GNSS 连续运行参考站的长跨度时间序列数据是大地测量学及地球动力学研究、区域地壳形变研究、强地震位移场检测、慢地震位移研究以及冰后期回弹分析等工作的基础数据源。GNSS连续运行参考站墩标由GNSS天线、柱体和连接杆组成，见图1，由于地质条件、建设施工等因素的影响，GNSS坐标时间序列数据中包含了参考站墩标柱体及连接杆等附属构件的倾斜变化信号，改变了时间序列的噪声模型，影响了坐标时间序列分析的精度。为了获取正确的GNSS坐标时间序列数据，必须对GNSS连续运行参考站的倾斜情况进行高精度测量，移除参考站墩标柱体及连接杆等附属构件的倾斜变化的影响。
如何高效获取GNSS连续运行参考站的高精度倾斜度成为需要亟待解决的重点问题。目前国内外针对GNSS连续运行参考站墩标的倾斜度的定量监测相关研究较少，仅利用GNSS技术监测连续运行参考站网的平均稳定水平，无法准确给出单个墩标实际倾斜量大小。有学者采用测量机器人(全站仪)进行墩标倾斜情况测量，这种方法需要建设观测墩，作业难度大，测量精度较低，并且需要选取地面基准点架设全站仪，无法排除地面基准点沉降的影响。另有学者采用垂直摆倾斜仪对GNSS连续运行参考站墩标的倾斜情况进行测量，这种方法须将GNSS 天线移除，GNSS参考站无法进行连续数据采集，影响了参考站网实时导航定位服务，造成坐标时间序列数据中断，得不偿失。此外，上述两种方法仅获取了柱体的倾斜情况，忽视了连接杆等构件的影响，无法反映墩标的整体倾斜情况。
发明内容
为克服上述现有技术的不足，本发明提出了一种GNSS连续运行参考站墩标倾斜度测量的新方法，采用高精度激光跟踪仪，测量天线底盘不同方向节点的高差，并采用秩亏***平差进行数据处理，获取GNSS连续运行参考站墩标的整体倾斜度。
为实现上述目的，本发明的一个或多个实施例提供了如下技术方案：
一种GNSS连续运行参考站墩标倾斜度测量方法，包括以下步骤：
将天线底盘外边缘所在圆周上等间距的四个点作为测点，获取四个测点两两之间的高差；
根据所述四个测点两两之间的高差，基于秩亏***平差的函数模型，求取所述四个测点的高程估值；
根据所述四个测点的高程估值，计算所述墩标的倾斜角度。
进一步地，获取四个测点两两之间的高差包括：对于每两个测点，分别获取所述两个测点的斜距和垂直角，根据所述斜距和垂直角计算所述两个测点之间的高差。
进一步地，对于某个测点，在该测点方向上距离墩标一定距离架设激光跟踪仪，测得该测点和相邻两个测点的斜距和垂直角。
进一步地，两个测点之间的高差计算方法为：
Figure RE-GDA0003612187360000021
其中，a，b表示两个测点，h1为a，b两个测点之间的高差，Da、Db分别为a，b两个测点的斜距，
Figure RE-GDA0003612187360000022
分别为a，b两个测点的垂直角。
进一步地，所述倾斜角度包括两个方向的倾斜角度，分别根据相对的两个测点高程估值计算得到。
进一步地，所述两个方向的倾斜角度计算方法为：
Figure RE-GDA0003612187360000023
Figure RE-GDA0003612187360000024
其中，βNS、βEW分别表示两个方向的倾斜角度，R为天线底盘直径，
Figure RE-GDA0003612187360000031
Figure RE-GDA0003612187360000032
分别表示四个相邻测点的高程估值。
一个或多个实施例提供了一种GNSS连续运行参考站墩标倾斜度测量方法，将天线底盘外边缘所在圆周上等间距的四个点，按顺时针方向依次记为测点a、测点b、测点c和测点d，所述方法具体包括：
步骤1：在测点a方向上距离墩标一定距离架设激光跟踪仪，依次测得测点 a和测点b、测点a和测点d以及测点b和测点d的斜距和垂直角，计算得到测点a和测点b、测点a和测点b以及测点a和测点d之间的高差；
步骤2：在测点c方向上距离墩标一定距离架设激光跟踪仪，依次测得测点 d和测点c、测点b和测点c以及测点b和测点d的斜距和垂直角，计算得到测点d和测点c、测点b和测点c以及测点b和测点d之间的高差；
步骤3：在测点b方向上距离墩标一定距离架设激光跟踪仪，依次测得测点 d和测点a、测点c和测点d以及测点a和测点c的斜距和垂直角，计算得到测点d和测点a、测点c和测点d以及测点a和测点c之间的高差；
步骤4：基于秩亏***平差的函数模型，求取所述四个测点的高程估值；
步骤5：根据所述四个测点的高程估值，计算所述墩标的倾斜角度。
进一步地，两个测点之间的高差计算方法为：
Figure RE-GDA0003612187360000033
其中，a，b表示两个测点，h1为a，b两个测点之间的高差，Da、Db分别为a，b两个测点的斜距，
Figure RE-GDA0003612187360000034
分别为a，b两个测点的垂直角。
进一步地，所述倾斜角度包括两个方向的倾斜角度，分别根据相对的两个测点高程估值计算得到。
一个或多个实施例提供了一种GNSS墩标倾斜度计算方法，所述计算方法为：
Figure RE-GDA0003612187360000035
Figure RE-GDA0003612187360000036
其中，βNS、βEW分别表示两个方向的倾斜角度，R为天线底盘直径，
Figure RE-GDA0003612187360000041
Figure RE-GDA0003612187360000042
分别表示四个相邻测点的高程估值。
以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：
本发明以GNSS天线底盘为观测对象，可获取墩标的整体倾斜情况；无需移除GNSS天线，不影响GNSS参考站连续数据采集；测量天线底盘不同方向节点的高差，不需要地面基准点，可排除地面基准点沉降的影响；采用高精度激光跟踪仪，并进行高差秩亏***平差，大幅提高了测量精度。本发明能够高效实现 GNSS连续运行参考站墩标整体倾斜度高精度测量，实现墩标倾斜情况的动态监测。
通过本发明可以高效获取GNSS连续运行参考站的高精度倾斜度，实现对 GNSS连续运行参考站墩标倾斜情况的动态监测，对于利用GNSS连续运行参考站开展国家坐标框架建立与维持、广域实时精密定位具有重要意义，对于推进现代测绘基准的广泛使用，为用户提高更高精度、范围更广的测绘地理信息服务，以及大力促进测绘地理信息应用将产生显著效果。
在获取测点高差阶段，通过依次在不同测点方向架设站点的方式，能够对同一测点的斜距和垂直角进行重复观测，有利于排除粗差。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为GNSS连续运行参考站墩标外观示意图；
图2为本发明实施例中GNSS连续运行参考站墩标倾斜度测量方法流程图；
图3为本发明实施例中数据观测侧视图；
图4为本发明实施例中数据观测俯视图；
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例一
本实施例公开了一种GNSS连续运行参考站墩标倾斜度测量方法，如图2所示，包括以下步骤：
步骤1：将天线底盘外边缘所在圆周上等间距的四个点作为测点，获取四个测点两两之间的高差；
步骤2：根据所述四个测点两两之间的高差，基于秩亏***平差的函数模型，求取所述四个测点的高程估值；
步骤3：根据所述四个测点的高程估值，计算所述墩标的倾斜角度。
所述步骤1中，所述四个测点两两之间的高差获取方法为：
对于每两个测点，分别测量所述两个测点的斜距和垂直角，根据所述斜距和垂直角计算所述两个测点之间的高差。具体地，对于某个测点，在该测点方向上距离墩标一定距离(本实施例中为5米左右)架设激光跟踪仪，即可测得该测点和相邻两个测点的斜距和垂直角。
观测采用激光跟踪仪进行测量，仪器架设位置距离墩标5米左右，先在墩标某一方向架站S1，分别测量天线底盘a，b点的斜距和垂直角，获取a，b点间的高差h1，见图3和图4：
Figure RE-GDA0003612187360000051
其中Da，Db为斜距，
Figure RE-GDA0003612187360000052
为垂直角。
②同理观测a，d点间的高差h2和b，d点间的高差h5：
Figure RE-GDA0003612187360000053
Figure RE-GDA0003612187360000054
其中D'a，
Figure RE-GDA0003612187360000055
D'b，
Figure RE-GDA0003612187360000056
D'd，
Figure RE-GDA0003612187360000057
为本测站Da，
Figure RE-GDA0003612187360000058
Db，
Figure RE-GDA0003612187360000059
Dd，
Figure RE-GDA00036121873600000510
的重复观测，用来检核测量重复性，排除粗差，两者差值应小于2倍标准精度指标。
③同理在距离墩标5米左右的位置S2架设激光追踪仪，测量d，c点间的高差h3、c，b点间的高差h4和b，d点间的高差h'5：
Figure RE-GDA0003612187360000061
Figure RE-GDA0003612187360000062
Figure RE-GDA0003612187360000063
其中D'd，
Figure RE-GDA0003612187360000064
D'b，
Figure RE-GDA0003612187360000065
D'c，
Figure RE-GDA0003612187360000066
为本测站对应观测的重复观测，用来排除粗差。
④同理在d点对面设站S3，测量a，d点间的高差h'2、d，c点间的高差h'3、 a，c点间的高差h6：
Figure RE-GDA0003612187360000067
Figure RE-GDA0003612187360000068
Figure RE-GDA0003612187360000069
其中D'a，
Figure RE-GDA00036121873600000610
D'c，
Figure RE-GDA00036121873600000611
D'd，
Figure RE-GDA00036121873600000612
为对应观测的重复观测，用来排除粗差。
所述步骤2中，基于秩亏***平差的函数模型，求取所述四个测点的高程估值具体包括：
通过步骤1获取天线底座4个测点间的高差值h1，h2，h3，h4，h5，h6，由于观测条件相同，视为等精度观测，采用秩亏***平差模型进行网平差，求取最佳估值，并评价精度。
①数学模型
Figure RE-GDA00036121873600000613
式中观测量
Figure RE-GDA00036121873600000614
系数矩阵
Figure RE-GDA00036121873600000615
Figure RE-GDA00036121873600000616
为4个测点的高程，为待求量，
Figure RE-GDA0003612187360000071
②随机模型
D＝σ0Q＝σ0P-1
式中σ0取1，P取单位矩阵(6×6)。
③参数求解
误差方程
Figure RE-GDA0003612187360000072
其中
Figure RE-GDA0003612187360000073
l＝L-BX0。
由于缺少已知点，采用秩亏***平差，将条件方程
Figure RE-GDA0003612187360000074
其中 ST＝[1 1 11]。
可得法方程：
Figure RE-GDA0003612187360000075
将上式第1个方程左乘ST，得：
STSK＝0
因STS正则，则K＝0。将第2方程式左乘S与第一式相加，则
Figure RE-GDA0003612187360000076
Figure RE-GDA0003612187360000077
Figure RE-GDA0003612187360000081
的协因素阵
Figure RE-GDA0003612187360000082
Figure RE-GDA0003612187360000083
式中f为自由度，在本次计算中f＝3。
所述步骤3中，根据所述四个测点的高程估值，计算所述墩标在两个方向上的倾斜角度。其中墩标倾斜角度α＝β，故通过计算β获取墩标的倾斜角度。
南北方向倾斜度：
Figure RE-GDA0003612187360000084
式中R为天线地盘直径。
Figure RE-GDA0003612187360000085
ΔhNS为正则天线底盘南节点d向下倾斜，即参考站墩标向南倾斜；ΔhNS为负则天线底盘南节点b向下倾斜，即参考站墩标向北倾斜。
同理东西方向倾斜度为：
Figure RE-GDA0003612187360000086
式中R为天线地盘直径。
Figure RE-GDA0003612187360000087
ΔhEW为正则天线底盘西节点a 向下倾斜，即参考站墩标向西倾斜，ΔhEW为负则天线底盘东节点c向下倾斜，即参考站墩标向东倾斜。
实施例二
本实施例的目的是提供一种GNSS连续运行参考站墩标倾斜度测量方法，得到底盘4个节点高差，见表1：
表1 各节点高差观测值(单位：mm)
Figure RE-GDA0003612187360000088
Figure RE-GDA0003612187360000091
选底盘直径R＝379mm的某型号GNSS天线，按本发明中方法进行秩亏***平差。迭代直至收敛，可得
Figure RE-GDA0003612187360000092
即本发明可实现10μm数量级的高精度倾斜量测量。进一步可计算：
Figure RE-GDA0003612187360000093
Figure RE-GDA0003612187360000094
Figure RE-GDA0003612187360000095
Figure RE-GDA0003612187360000096
GNSS连续运行参考站墩标向南倾斜0.2479°，向东倾斜0.3360°。若墩标高度为5m，则墩标向南平移了0.0216cm，向东平移了0.0293cm。
以上一个或多个实施例提供的GNSS连续运行参考站墩标倾斜度测量方法，无须移除天线，能够在不影响GNSS连续数据采集的基础上，高精度、高效的测量GNSS墩标的倾斜度，实现墩标稳定性的动态监测。并且，在获取测点高差阶段，通过依次在不同测点方向架设站点的方式，能够对同一测点的斜距和垂直角进行重复观测，有利于排除粗差。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种GNSS连续运行参考站墩标倾斜度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
将天线底盘外边缘所在圆周上等间距的四个点作为测点，获取四个测点两两之间的高差；
根据所述四个测点两两之间的高差，基于秩亏***平差的函数模型，求取所述四个测点的高程估值；
根据所述四个测点的高程估值，计算所述墩标的倾斜角度。
2.如权利要求1所述的GNSS连续运行参考站墩标倾斜度测量方法，其特征在于，获取四个测点两两之间的高差包括：对于每两个测点，分别获取所述两个测点的斜距和垂直角，根据所述斜距和垂直角计算所述两个测点之间的高差。
3.如权利要求2所述的GNSS连续运行参考站墩标倾斜度测量方法，其特征在于，对于某个测点，在该测点方向上距离墩标一定距离架设激光跟踪仪，测得该测点和相邻两个测点之间，以及相邻两点之间的斜距和垂直角。
4.如权利要求2所述的GNSS连续运行参考站墩标倾斜度测量方法，其特征在于，两个测点之间的高差计算方法为：
Figure FDA0003503997770000011
其中，a，b表示两个测点，h1为a，b两个测点之间的高差，Da、Db分别为a，b两个测点的斜距，
Figure FDA0003503997770000012
分别为a，b两个测点的垂直角。
5.如权利要求1所述的GNSS连续运行参考站墩标倾斜度测量方法，其特征在于，所述倾斜角度包括两个方向的倾斜角度，分别根据相对的两个测点高程估值计算得到。
6.如权利要求5所述的GNSS连续运行参考站墩标倾斜度测量方法，其特征在于，所述两个方向的倾斜角度计算方法为：
Figure FDA0003503997770000013
Figure FDA0003503997770000014
其中，βNS、βEW分别表示两个方向的倾斜角度，R为天线底盘直径，
Figure FDA0003503997770000015
Figure FDA0003503997770000016
分别表示四个相邻测点的高程估值。
7.一种GNSS连续运行参考站墩标倾斜度测量方法，将天线底盘外边缘所在圆周上等间距的四个点，按顺时针方向依次记为测点a、测点b、测点c和测点d，其特征在于，所述方法具体包括：
步骤1：在测点a方向上距离墩标一定距离架设激光跟踪仪，依次测得测点a和测点b、测点a和测点d以及测点b和测点d的斜距和垂直角，计算得到测点a和测点b、测点a和测点b以及测点a和测点d之间的高差；
步骤2：在测点c方向上距离墩标一定距离架设激光跟踪仪，依次测得测点d和测点c、测点b和测点c以及测点b和测点d的斜距和垂直角，计算得到测点d和测点c、测点b和测点c以及测点b和测点d之间的高差；
步骤3：在测点b方向上距离墩标一定距离架设激光跟踪仪，依次测得测点d和测点a、测点c和测点d以及测点a和测点c的斜距和垂直角，计算得到测点d和测点a、测点c和测点d以及测点a和测点c之间的高差；
步骤4：基于秩亏***平差的函数模型，求取所述四个测点的高程估值；
步骤5：根据所述四个测点的高程估值，计算所述墩标的倾斜角度。
8.如权利要求7所述的一种GNSS连续运行参考站墩标倾斜度测量方法，其特征在于，两个测点之间的高差计算方法为：
Figure FDA0003503997770000021
其中，a，b表示两个测点，h1为a，b两个测点之间的高差，Da、Db分别为a，b两个测点的斜距，
Figure FDA0003503997770000022
分别为a，b两个测点的垂直角。
9.如权利要求1所述的GNSS连续运行参考站墩标倾斜度测量方法，其特征在于，所述倾斜角度包括两个方向的倾斜角度，分别根据相对的两个测点高程估值计算得到。
10.一种GNSS连续运行参考站墩标倾斜度计算方法，其特征在于，所述计算方法为：
Figure FDA0003503997770000023
Figure FDA0003503997770000024
其中，βNS、βEW分别表示两个方向的倾斜角度，R为天线底盘直径，
Figure FDA0003503997770000031
Figure FDA0003503997770000032
分别表示四个相邻测点的高程估值。
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