本发明属于测绘领域和变形监测领域，尤其涉及gnss接收机阵列及基于gnss接收机阵列的高精度变形监测方法。
背景技术：
目前，gnss接收机进行高精度变形监测技术能够全天候、全时段、实时地获取指定点高采样率、高精度的变形量，因而得到了广泛的应用，典型的应用包括桥梁动态监测、大坝变形监测、边坡监测、基坑监测、高层建筑物变形监测等多个变形监测领域。与其他变形监测手段相比，gnss变形监测具有成本低、精度高、布设方便、可连续监测等特点。由于gnss监测点通常位移量很小，并且监测精度达到毫米级别，通常主要利用gnss载波相位观测值计算变形量。
目前主流的gnss系统，如gps、beidou、glonass、galileo、qzss等测距信号集中在l波段，对应的载波相位波长为20cm左右。接收机内部相位锁定环路的跟踪精度可达1/100波长，即理想条件下载波相位的观测精度可达2mm左右。然而受到多路径、大气折射、热噪声等多个因素的影响，实际测量得到的载波相位精度、特别是低高度角条件下，往往低于2mm，甚至可达1cm-2cm。受到gnss载波相位观测精度的制约，相应地gnss变形监测系统的平面位移监测精度约为3mm-5mm。对于监测精度要求更高的应用，如提取微弱的地震信号、分析高层建筑物的风振特性、高速铁路路基沉降、桥梁结构的负荷变形等变形量在1mm量级的变形监测需求，现有的gnss变形监测技术难以实现，其原因主要是受到接收机环路跟踪精度、多路径影响等客观限制，监测精度难以进一步提升。
技术实现要素：
为了提高gnss形变监测精度，扩展高精度gnss形变监测的应用范围，本发明提出gnss接收机阵列及基于gnss接收机阵列的高精度变形监测方法。
一种gnss接收机阵列，包括若干gnss天线、与若干gnss天线一一对应的若干gnss接收机、以及一刚体支架；若干gnss天线均固定于刚体支架上；各gnss天线分别与其对应的gnss接收机信号连接；若干gnss接收机之间精密时间同步。
作为优选，若干gnss天线位置的布局为：以一gnss天线为主天线，其他gnss天线关于主天线对称布设。
进一步的，各gnss天线和各gnss接收机间的连接线缆长度相同。
进一步的，若干gnss接收机共用一共源的外部晶振、或分别采用各自的内部晶振。
进一步的，当若干gnss接收机共用一共源的外部晶振时，各gnss接收机和外部晶振间的连接线缆长度相同。
另一种gnss接收机阵列，包括一gnss天线、若干gnss接收机、以及一功分器；一gnss天线通过一功分器分别连接若干gnss接收机；若干gnss接收机之间精密时间同步。
一种基于gnss接收机阵列的高精度变形监测方法，所述gnss接收机阵列为一种gnss接收机阵列；所述高精度变形监测方法，至少包括：
将刚体支架固定于监测点；
若干gnss接收机根据各自的观测值，分别独立提取变形量；
对各独立提取的变形量进行加权平均，获得最终的变形量。
另一种基于gnss接收机阵列的高精度变形监测方法，所述gnss接收机阵列为第一种gnss接收机阵列；所述高精度变形监测方法用于紧耦合模式的接收机阵列，至少包括：
将刚体支架固定于监测点；
选择一gnss天线作为主天线，其他gnss天线作为从天线；
根据主天线和从天线相对的几何位置关系，将从天线所对应gnss接收机接收到的观测值通过站星间几何距离改化到主天线处；
利用gnss变形监测算法联合解算改化到主天线的观测值和主天线的实际观测值。
再一种基于gnss接收机阵列的高精度变形监测方法，所述gnss接收机阵列为第一种gnss接收机阵列；所述高精度变形监测方法用于松耦合模式的接收机阵列，至少包括：
将刚体支架固定于监测点；
选择一gnss天线作为主天线，其他gnss天线作为从天线；
根据主天线和从天线相对的几何位置关系，将从天线所对应gnss接收机接收到的观测值通过站星间几何距离改化到主天线处，对改化后的观测值进行星间单差，获得改化后的星间单差观测值；
利用gnss变形监测算法联合解算改化到主天线的星间单差观测值和主天线实际的星间单差观测值。
进一步的，从天线所对应gnss接收机接收到的观测值通过站星间几何距离改化到主天线处，具体为：
根据标定的从天线和主天线的相位中心、以及导航卫星的坐标，获取从天线和主天线的相位中心到导航卫星的站星间几何距离；
根据从天线和主天线对应的站星间几何距离，获取从天线和主天线间的站星间几何距离差值；
利用站星间几何距离差值，将从天线的站星间几何距离改化到主天线处；
利用改化后的站星间几何距离，将从天线所对应gnss接收机接收到的观测值改化到主天线处。
进一步的，gnss变形监测算法为三差法、历元间单差法或双差法。
目前，gnss高精度变形监测主要的制约因素是载波相位的多路径影响和跟踪精度的限制。虽然从信号捕获跟踪的层面提升空间有限，从gnss数据处理的角度，gnss变形监测的精度仍有希望进一步提升。考虑到载波环路的噪声和多路径都表现出随机噪声的特性，本发明将若干gnss天线按照一定的几何排布安装于一刚体支架上，每个gnss天线连接一gnss接收机。由多个gnss接收机的观测值共同解算同一个监测点的变形量。具体地讲，根据多个gnss天线相位中心之间的几何位置关系，将若干gnss接收机的观测值归算至一个gnss天线处，这样形成一个虚拟的gnss接收机，但是该虚拟的gnss接收机可观测的gnss观测值数量比单个gnss接收机高数倍。将所有可用的gnss观测值联合解算变形量，可有效地抑制观测噪声和多路径的影响，并且提高gnss形变监测精度和可靠性。
与现有技术相比，本发明的积极效果如下：
(1)能够突破目前gnss形变监测精度的极限，实现1mm级的形变监测精度。特别适合超高精度形变监测的需求。
(2)通过多个gnss天线同时接收gnss信号并统一处理的方式，不但能够削弱接收机内部噪声的影响，还可以削弱多路径噪声的影响，显著提升gnss变形监测精度。
(3)通过提高冗余观测的形式，在提高监测精度的同时，也提高了变形监测的可靠性。
(4)与单接收机多天线的模式相比，具有成本低、复杂度低、技术难度低等优势；仅需使用现有成熟的gnss接收机产品即可提高变形监测性能。
(5)数据处理模型简单，不需要特殊的数据处理模型处理；对改化后的观测值，可使用现有的变形监测数据处理软件进行处理，不依赖特定模型和算法，适应性好。
附图说明
图1为本发明gnss接收机阵列的一种具体结构示意图；
图2为观测值几何距离改化的原理示意图。
图中，1-刚体支架，2-导航卫星，3-从天线，4-主天线。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明和/或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。
应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
下面将结合附图阐述本发明的具体实施方式。
参见图1，gnss接收机阵列包括若干gnss天线、与若干gnss天线一一对应的若干gnss接收机、以及一刚体支架1；若干gnss天线均固定于刚体支架1上，刚体支架1固定于监测点处；各gnss天线分别与其对应的gnss接收机信号连接；若干gnss接收机之间精密时间同步。安装gnss天线时，对若干gnss天线间的相对位置进行标定。本具体实施方式中，gnss接收机阵列包括5个gnss天线和5个gnss接收机，5个gnss天线分别记为天线0、天线1、天线2、天线3、天线4，5个gnss接收机分别记为接收机0、接收机1、接收机2、接收机3、接收机4，天线0、天线1、天线2、天线3、天线4分别与接收机0、接收机1、接收机2、接收机3、接收机4对应连接。
本发明对若干gnss天线位置的布局无要求，但考虑到应用和计算的便利性，gnss天线最好位置对称。本具体实施方式中，gnss天线位置的布局为：以天线0为中心，天线1、天线2、天线3、天线4均匀布设于天线0周围、且与天线0的距离相等。
本发明中若干gnss接收机之间应精密时间同步。为实现精密时间同步，可使若干gnss接收机共用一共源的外部晶振，也可使若干gnss接收机分别采用各自的内部晶振。当分别采用各自的内部晶振时，若干gnss接收机还应采用相同的钟差调整模型，以保证各gnss接收机之间精密时间同步。
考虑到精密时间同步，为避免引入线路延迟误差，各gnss天线和各gnss接收机间的连接线缆(即天线线缆)长度应相同；当若干gnss接收机共用一共源的外部晶振时，各gnss接收机和外部晶振间的连接线缆(即时间同步线缆)长度也应相同。
对本发明而言，组成gnss接收机阵列的gnss接收机不限于测量型多频点接收机，也可以为低成本单频点接收机。gnss接收机支持的导航系统包含但不限于gps、glonass、beidou、galileo、qzss以及低轨导航增强卫星系统。gnss接收机可以仅支持某一星座信号，也可支持多星座联合观测。共源的外部晶振不限于高稳定度的原子钟，也可以是带有或者不带驯服功能的高稳晶振或者温补晶振。
利用gnss接收机阵列实现高精度变形监测的方法至少有两种，第一种方法为：各gnss接收机根据各自的观测值，分别独自完成变形量提取；然后对各gnss接收机提取的变形量进行加权平均，以提高监测的精度和可靠性，加权平均后的变形量即最终的变形量。当gnss接收机阵列中各gnss接收机和各gnss天线型号相同，则建议使用等权方式计算平均值；否则，根据经验确定权值。各gnss接收机独自提取变形量属于本技术领域的公知技术，在此不再赘述。
第二种方法为：选择一gnss天线作为主天线，将各gnss接收机的观测值经几何距离改化到主天线处，形成一虚拟的gnss接收机；利用该虚拟的gnss接收机对所有观测值进行统一解算，以提取变形量。第二种方法的核心思想为：将若干gnss接收机的观测值合并成一个虚拟的gnss接收机的观测值，以成倍地提高可用的观测值数量，且观测值来自不同的gnss天线，通过对来自不同gnss天线的gnss观测值进行联合处理，来抑制多路径噪声和接收机噪声，从而提高变形量的监测精度和可靠性。
下面将对第二种方法的具体实施过程进行阐述。
gnss系统的观测方程如下：
式(1)中：
pi和li分别表示第i个频点的伪距观测值和载波相位观测值，其中，载波相位观测值li表示为距离的形式；
ρ和δorb分别表示站星间几何距离和卫星轨道误差；
δts和δtr分别表示卫星端钟差和接收机端钟差；
t和ii分别表示对流层延迟和第i个频点的电离层延迟误差；
br,i和bs,i分别表示第i个频点下接收机端相关的硬件偏差和卫星端相关的硬件偏差；
br,i和bs,i分别表示第i个频点下接收机端相关的初始载波相位偏差和卫星端相关的初始载波相位偏差；
λi表示第i个频点的波长；
ni表示第i个频点的载波相位模糊度；
mpi表示第i个频点的多路径误差；
∈表示接收机噪声。
对gnss接收机阵列内各不同的gnss接收机而言，卫星端的误差和传播路径相关的误差可认为完全一致，不同gnss接收机观测值的区别在于站星间几何距离ρ和接收机端偏差，所述接收机端偏差包括接收机端钟差δtr、接收机端相关的硬件偏差br,i和接收机端相关的初始载波相位偏差br,i。硬件偏差br,i变化非常缓慢，初始载波相位偏差br,i卫星信号连续跟踪的弧段内不发生改变，因而均可通过历元间差分的方法消除。需要特殊处理的部分仅包括站星间几何距离ρ和接收机端钟差δtr。
各不同gnss天线的站星间几何距离ρ不一致可利用图2所示的模型进行改正。见图2所示，将从天线3相位中心记为b，主天线4相位中心记为a，从天线3和主天线4的相位中心位置可提前标定。给定t时刻，导航卫星2的坐标可通过广播星历计算，则可分别计算t时刻下从天线3和主天线4的相位中心到导航卫星2的站星间几何距离，分别记为ρa和ρb。相应地，根据ρa和ρb即可计算从天线3和主天线4间的站星间几何距离差值dρba：
dρba＝ρb-ρa(2)
相应地，利用站星间几何距离差值dρba，将从天线3的观测值改化到主天线4的站星间几何距离可表示为：
式(3)中，
类似地，采用相同方法对其他从天线进行几何距离改化。
本发明中，可从若干gnss天线任意选择一gnss天线作为主天线，其他gnss天线即为从天线。为使计算更简便，一种优选方案为：选择gnss接收机阵列中位于几何中心的gnss天线作为主天线。
采用以上提出的几何距离改化方法的前提是：假设各gnss接收机间的时间同步误差小于200ns。由于卫星处于高速运动状态，当gnss接收机时间存在明显不同步时，则不能认为主天线与从天线进行同步观测，相应的卫星位置也不能视为相同，因而不能使用上述几何距离改化方法。
由于gnss天线固定于监测点处，监测点可能存在一定位移，但是由于主天线与从天线的相对位置固定，因而监测点的移动对距离改化量dρba的影响可忽略。
不同gnss接收机的接收机端钟差δtr改化策略包括两种，当若干gnss接收机共用一共源的外部晶振时，采用第一种改化策略；当若干gnss接收机不共用一共源外部晶振时，采用第二种改化策略。
(1)第一种改化策略：
不同gnss接收机使用共源的外部晶振，这种方式称为接收机阵列的紧耦合模式。紧耦合模式下，可以认为将多个gnss接收机组成了一个大型的虚拟gnss接收机，该虚拟gnss接收机支持的通道数等于所有gnss接收机通道数的总和。应注意，实现虚拟gnss接收机的前提是天线线缆和时间同步线缆长度均相等。这种情况下，各gnss接收机接收到信号的接收机端钟差均相同，因而只需要执行站星间几何距离改正，无需额外考虑接收机端钟差改化。相应地，改化后的虚拟gnss接收机观测值表示如下：
式(4)中：
pb,i和lb,i分别表示从天线第i个频点的伪距观测值和载波相位观测值；
dρba表示从天线和主天线间的站星间几何距离差值。
(2)第二种改化策略：
不同gnss接收机不共用一共源的外部晶振，这种方式称为接收机阵列的松耦合模式。松耦合模式下，不同gnss接收机的钟差不同，因而需要在进行站星间几何距离改化的同时对接收机端钟差进行改化。按1mm监测精度的需求进行估算，那么时间同步精度需要达到皮秒量级，目前尚没有这么高精度的时间同步手段，因此可通过星间一次差分消除接收机端钟差项，来实现高精度的时间同步。进行星间单差后再进行站星间几何距离改化，即可实现从天线至主天线的观测值改化。
具体的改化方法可表达为：
式(5)中：
▽(·)表示星间单差操作符；
m、n表示参与星间单差的两颗卫星，其中，n表示参考星；
上述，星间单差指卫星m和参考星n间单差。
gnss接收机使用共源的外部晶振时，可构造非差形式的改化观测值，见式(4)，而不使用共源的外部晶振时，仅能恢复出星间单差形式的改化观测值，见式(5)。非差形式的改化观测值可进一步通过星间求差的方式获得星间单差形式的改化观测值。
应注意，虽然松耦合模式不需要进行严格的时间同步，但是考虑到卫星位置在主从天线观测时刻相同的假设，仍应保证两接收机的时间同步误差小于200纳秒。对于普通gnss接收机，只要开启‘clocksteering’模式，即可获得优于100纳秒的时间同步精度。但是如果gnss接收机使用接收机端钟差积累到1毫秒或者1微秒再进行调整的策略时，无法保证200纳秒的时间同步精度。
对观测值进行几何距离改化和/或接收机端钟差改化后，即可获得大量有效的gnss观测数据。后续的变形监测算法可使用目前已有的变形监测算法。本发明方法不依赖特定的数学模型和算法。为便于理解，下面将介绍一种gnss高精度形变监测的数学模型，应注意，以下所介绍的数学模型仅为形变监测数据处理的数学模型之一，本发明所述的变形监测系统可应用的数学模型包括但不限于以下所述的三差观测值模型。
gnss高精度形变监测通常使用三差观测值模型，如下：
式(6)中：
δ▽(·)表示星间双差运算操作符,星间双差运算操作指在站间单差的基础上再做一次星间单差；
dδ▽(·)表示在时间域上对双差观测值进行差分，即三差运算操作符；
pt和pt-1分别表示相邻历元t和t-1下的伪距观测值；
lt和lt-1分别表示相邻历元t和t-1下的载波相位观测值；
mp表示多路径误差
∈表示接收机噪声。
为了公式简洁，式(6)不再区分观测值的频点。
考虑到变形监测网的参考站和监测站之间的距离通常较近，可认为双差观测值完全消除了大气误差。在一定时间内，载波相位模糊度可视为常数，因而三差观测值也可消除载波相位模糊度参数，剩余量为三差的变形量、多路径误差以及接收机噪声。三差的变形量可解释为监测站与参考站之间的相对位移在时间域上的变化量。假设参考站点位置不动，那么求得的三差变形量即为监测点在时间域上的形变曲线。构造出用于形变监测的观测值后，需要对数据进行预处理，包括周跳监测和粗差探测。然后采用最小二乘法或者卡尔曼滤波法进行形变量参数估计。
差分操作虽然能很好地消除系统性噪声的影响，但每进行一次差分，对应的观测值的噪声方差会放大2倍。考虑到观测噪声在时间域上的相关性，三差观测值的方差大约是原始观测值的4～8倍，因而三差观测值的接收机噪声和多路径噪声是限制形变监测精度的主要制约因素。采用接收机阵列的形式形成虚拟大型接收机，可成倍地提高可用观测值个数，有效地抑制观测噪声。
除了前述多天线多接收机模式的gnss接收机阵列，还可以采用单天线多接收机模式，所述单天线多接收机模式指仅包括一gnss天线，该一gnss天线通过一功分器分别连接多台gnss接收机。本发明优选采用多天线多接收机模式的gnss接收机阵列，因为不同gnss天线的多路径随机噪声不同，对不同gnss天线对应的观测值进行联合解算，不但可削弱接收机噪声的影响，也可以抵消部分多路径噪声的影响。本发明gnss接收机阵列的另外一种实现方式是，将一gnss天线的射频信号采用功分器分到多个gnss接收机进行同步跟踪。该方式也可成倍地提高观测值数量，且无需做几何距离改化，仅处理钟差参数就可以达到目的。但是该方式仅能削弱接收机内部噪声的影响，同一gnss天线接收到的射频信号分到各gnss接收机后，其信号中的多路径分量对所有接收机均相同，因而无法通过联合多个接收机处理的形式削弱或消除多路径误差。多路径噪声作为制约载波相位监测精度的主要因素，削弱其影响对提高监测精度更为关键。单天线多接收机的方案在技术上也是可行方案，但其对监测精度的提升效果从原理上将不如多天线阵列的方案。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明专利精神作举例说明。本发明专利所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明专利的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。