本发明涉及桥梁形变监测技术领域，尤其涉及一种基于组合差分GNSS的桥梁形变多频动态分析方法。
背景技术：
GPS定位系统由于其定位的高度灵活性和常规测量技术无法比拟的高精度，成为测量学科中革命性变化。随着GPS定位精度的提高和高采样频率，提供了建筑物实时或准实时位移监测的可能。受GPS单点定位精度所限，目前应用在高精度建筑物位移监测中，通常采用GNSS监测的方法。
差分GNSS的基本工作原理如图1所示，主要是依据卫星时钟误差、卫星星历误差、电离层延时与对流层延时所具有的空间相关性和时间相关性。对于处于同一地域内的不同接收机，他们的测量值中所包含的上述4种误差成分近似相等或者高度相关。通常将其中的一个接收机作为参考站，称之为基准站(或基站)，而该接收机也被称之为基准站接收机。基准站接收机的位置是预先精确制导的，这样可以准确计算从卫星到基准站接收机的真实几何距离。如果将基准站接收机对卫星的距离测量值与这一真实几何距离相比较，那么两者的差异就等于基准站接收机对这一卫星的测量误差。由于在同一时刻、同一地域内的其他接收机对同一卫星的距离测量值有相关或相近的误差，如果基准站将其接收机的测量误差通过电波发射台播送给流动站(即用户)接收机，那么流动站就可以利用接收到的基准接收机的测量误差来校正流动站接收机对同一卫星的距离测量值，从而提高流动站接收机的测量和定位的精度。其中，通常将这种由基准站播发的、用来降低甚至消除流动站GNSS测量误差的校正测量误差的校正量称为差分校正量。
差分GNSS根据其系统构成的基站个数可分为三种类型：单基准差分、具有多基站的局域差分和广域差分。单基准差分GNSS系统的结构和算法简单，且技术较成熟，主要用于小范围内的差分定位工作。对于较大范围的区域，则应用局域差分技术，对一个国家或多个国家的广大区域应用广域差分技术。按基站发送信息的不同方式，差分GNSS可分为四种方式，分别为：位置差分方式、伪距差分方式、载波相位差分方式和相位平滑伪距差分方式。无论何种差分，都是由流动站接收基站发送来的改正数，并对其观测值进行改正以获取精密定位的结果。他们的区别在于发送的改正数的内容不同，其定位精度不同，差分原理也有所不同。
(1)位置差分
最简单的差分方法是位置差分，基站的GNSS接收机通过观测4颗及4颗以上的卫星后可三维定位，解算出基准站的坐标。由于存在时钟误差、大气影响、轨道误差、接收机噪声和多路径效应等，解算出的基准站坐标与已知坐标会存在误差。
(2)伪距差分
伪距差分是目前用途最广的一种技术，几乎所有的商用差分GNSS接收机都是采用该技术。其原理是，基准站上的接收机测得它到它可见卫星的距离，并将其计算得到的距离和含有误差的测量值进行比较，利用一个a-b滤波器将对此差值进行滤波来求得偏差，然后再将所有可见卫星的测距误差发送给用户站，用户站利用该测距误差来改正相应测量的伪距。最后，用户站利用改正后的伪距测量值来解出自己的位置坐标，进而就能进行公共误差的消去和定位精度的提高。
(3)载波相位差分
载波相位查分技术又称为RTK技术，该技术建立在实时性处理两测站之间的载波相位测量值得基础上，实时提供用户站的三维坐标，且可达到厘米级的精度。
实现载波相位差分GNSS的方法修正法和差分法两种。前者类似伪距差分，基站将得到的载波相位修正量发播给用户，用以改正其载波相位测量值，然后求解坐标。后者是将基站采集到的载波相位测量值发送给用户，然后进行组差分系统数据链的要求不高，用户的计算量不大；差分法对差分系统数据链的要求比较高，用户的计算量比较大，但其定位精度一般高于前者。目前这两种方法分别应用在不同的领域。
(4)相位平滑伪距差分
由于与载波相位相比，码相位测量的精度低了2个数量级，因此，如果可以得到载波的模糊度就能获得接近没有噪声伪距测量值。在一般的情况下，虽然无法得到模糊解，但是可以得到载波的多普勒计数。而考虑到高精度的多普勒观测量，它准确地反映出载波相位的变化信息，因此获取比只采用码伪距观测量更高的精度。这一思想就被称为相位平滑伪距观测。
上述几种差分定位方法对比如下：
位置差分系统认为基准站接收机的定位误差与用户接收机的定位误差相关，于是它将基准站接收机的定位值与经精密测绘得到的真实值之差作为差分校正量并将之播发出去，用以对用户接收机进行直接校正。虽然位置差分的思路相当简单，但是他有一个严重缺陷：为了让处于不同位置的基准站接收机与用户接收机更大程度的拥有一个相同的定位结果误差，这两个接收机必须至少采用同一种定位算法和同一套卫星测量值组合，而在这实际操作中会遇到很多困难。
与差分校正量在定位领域内位置差分不同，其他三种差分量则均在测距领域内。由于载波相位测量值的精度比伪距测量值的精度高出几个数量级，因而基于载波相位的差分系统通常具有更高的定位精度，可以用来实现精密定位。除了高精度之外，载波相位测量值的另一个主要特点是其所包含着整周模糊度，而事实上，我们可以发现，利用载波相位测量值实现精密定位的根本任务正是求解出载波相位测量值中的整周模糊度。载波相位平滑后的伪距的特点是没有整周模糊度，其精度介于伪距与载波相位之间。一般来说，基于伪距的差分系统可以获得分米级或厘米级的定位精度，而基于载波相位的差分系统的定位精度能达到毫米级。
目前，各GNSS系统都有着自己不同程度的优化，但是各GNSS系统受到其自身星座与卫星信号本身易受干扰和遮蔽等方面的限制，使得单一系统的定位性能(可靠性、精度和完整性)难得到保证。
另外，目前的载波相位差分方法中，对GNSS信号进行处理时通常采用各种信号去噪的方法，如小波变换降噪、KALMAN滤波、FFT变换等各种方法，将观测模型中的粗差去掉，但在桥梁变形监测中，这些所谓的粗差往往包含重要的信息，如风力作用下、车辆通行甚至是地震等自然灾害引起的桥梁振动。这些振动量若超过桥梁设计载荷值，极易发生重大事故。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种基于组合差分GNSS的桥梁形变多频动态分析方法，从而解决现有技术中存在的前述问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种基于组合差分GNSS的桥梁形变多频动态分析方法，包括如下步骤：
S1，建立北斗GPS双模双差观测模型，利用所述观测模型获得的观测值构建双模双差分定位模型，基于所述双模双差分定位模型构建参数矩阵；
S2，选取小波基函数，对所述参数矩阵进行小波分析，分解出高频信号和低频信号；
S3，针对高频信号，通过快速动态解算，获取桥梁在车辆通行或风力作用下引起的动力响应，结合桥梁安全设计参数值，为桥梁安全预警提供依据；针对低频信号，利用已知的基线长度的约束条件，直接简化搜索空间，然后根据模糊度搜索过程中获取到的可能的模糊度组合的集合中选取最优，并进行整周模糊度可靠性检测，求取的整周模糊度，进行载波相位差分解算，求取固定解；
S4，通过长序列GNSS监测值，获取一定时期内桥梁长期微小变形监测量，为桥梁结构稳定性提供评判依据。
本发明的有益效果是：本发明实施例提供的基于组合差分GNSS的桥梁形变多频动态分析方法，利用正交小波快速分解算法处理桥梁GNSS监测信号，将分析信号在不同频带上分离，并对形变信号进行多尺度分析，利用高频信号分析桥梁在风力、车辆通行或其他地震灾害等外力作用下的瞬间位移，利用降噪后的低频信号分析桥梁动态变形体的形变轨迹，最后利用上述分析结果进一步分析桥梁形变趋势，因此，本发明通过分析GNSS监测信号中不同频率的特性，可有效地对桥梁的静力响应和动力响应进行分解，解决了现有的桥梁监测系统中，无法判断桥梁三维位移变化是由什么原因引起桥梁变形的难题，有效地保证了后续的监测分析，对大桥的安全监测提供了较好的保障。
附图说明
图1是差分GNSS的基本工作原理示意图；
图2是本发明实施例提供的桥梁形变多频动态分析方法流程示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
北斗卫星导航系统的星座布局除了采用中地球轨道卫星(MEO)外，还拥有5颗对地静止轨道卫星(GEO)，其特点是保持对地面的相对位置不便，在进行组合差分处理中将其作为主星，其稳定性要优于以最大仰角或最大信噪比等方式选择出来的主星，可有效改进解算精度。国内外专家学者对组合GNSS系统进行了研究和仿真测试，认为组合系统能够有效地解决卫星信号的遮挡问题，消除多路径效应的影响，是提高定位性能的重要手段。因此，本发明利用北斗和GPS进行组合GNSS差分，采用一种改进的载波相位GNSS算法，使差分监测精度达到毫米级。
另外，本发明对GNSS观测信号进行多尺度小波分析，尤其是通过高频信号，提取桥梁瞬间变形量，从而可以反应桥梁车辆通行量是否超出桥梁安全设计值，负载为桥梁安全性监测提供重要的数据支持。
如图2所示，本发明实施例提供了一种基于组合差分GNSS的桥梁形变多频动态分析方法，包括如下步骤：
S1，建立北斗GPS双模双差观测模型，利用所述观测模型获得的观测值构建双模双差分定位模型，基于所述双模双差分定位模型构建参数矩阵；
S2，选取小波基函数，对所述参数矩阵进行小波分析，分解出高频信号和低频信号；
S3，针对高频信号，通过快速动态解算，获取桥梁在车辆通行或风力作用下引起的动力响应，结合桥梁安全设计参数值，为桥梁安全预警提供依据；针对低频信号，利用已知的基线长度的约束条件，直接简化搜索空间，然后根据模糊度搜索过程中获取到的可能的模糊度组合的集合中选取最优，并进行整周模糊度可靠性检测，求取的整周模糊度，进行载波相位差分解算，求取固定解；
S4，通过长序列GNSS监测值，获取一定时期内桥梁长期微小变形监测量，为桥梁结构稳定性提供评判依据。
通过采用本发明公开的上述技术方案，得到了如下有益的效果：本发明实施例提供的基于组合差分GNSS的桥梁形变多频动态分析方法，利用正交小波快速分解算法处理桥梁GNSS监测信号，将分析信号在不同频带上分离，并对形变信号进行多尺度分析，利用高频信号分析桥梁在风力、车辆通行或其他地震灾害等外力作用下的瞬间位移，利用降噪后的低频信号分析桥梁动态变形体的形变轨迹，最后利用上述分析结果进一步分析桥梁形变趋势，因此，本发明通过分析GNSS监测信号中不同频率的特性，可有效地对桥梁的静力响应和动力响应进行分解，解决了现有的桥梁监测系统中，无法判断桥梁三维位移变化是由什么原因引起桥梁变形的难题，有效地保证了后续的监测分析，对大桥的安全监测提供了较好的保障。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。