一种基于GNSS的实时桥梁变形监测系统及方法与流程

本发明涉及测绘领域，具体涉及一种基于gnss的实时桥梁变形监测系统及方法。

背景技术：

gnss一般是指全球导航卫星系统，全球导航卫星系统定位是利用一组卫星的伪距、星历、卫星发射时间等观测量，同时还必须知道用户钟差。全球导航卫星系统是能在地球表面或近地空间的任何地点为用户提供全天候的三维坐标和速度以及时间信息的空基无线电导航定位系统。现有技术是利用多台gnss设备数据融合同时参与解算处理，因此会出现数据运算量大运算速度慢的问题。

技术实现要素：

针对上述现有技术的不足，本发明提供一种基于gnss的实时桥梁变形监测系统及方法，运用基准站gnssa设备与流动站n个gnssb设备之间相互独立的数据解算，从基准点和变形监测点的双差观测值的变异中直接提取变形信息，使得整个监测系统的成本大幅度降低。

本发明公开一种基于gnss的实时桥梁变形监测系统，所述系统包括数据接收模块、数据预处理模块、基线初始化解算模块、基线实时解算模块、结果输出模块；

数据接收模块1，包括用于接收基准站第一观测数据的设备gnssa，用于接收流动站第二观测数据的n个设备gnssb，其中n为大于等于1的整数，所述第一观测数据与所述第二观测数据通过有线、无线或者有线无线混合方式的通讯系统传输至数据预处理模块；

数据预处理模块2，包括用于将所述基准站第一观测数据和流动站第二观测数据同步的数据同步模块2a；用于对各类误差源进行修正的数据处理模块2b；用于伪距单点定位，获取卫星位置、接收机钟差及高度角的定位模块2c；用于组成伪距、相位双差观测值的组成模块2d；

基线初始化解算模块3，用于接收数据预处理模块所述各模块处理后的数据，从而获取基线向量及其各类误差相关信息的初始值，为误差处理模块2b提供高精度的先验信息；

基线实时解算模块4，用于接收基线初始化解算模块处理后的初始化数据进行基线解算，得到最新基线向量滤波解算结果；

结果输出模块5，用于输出基线实时解算模块计算得到的最终解算结果。

在上述技术方案中，所述数据接收模块1中设备gnssa与n个设备gnssb数据并行且独立解算处理。

在上述技术方案中，所述误差处理模块2b还包括变形监测误差处理子模块2ba、周跳探测及修复子模块2bb、整周模糊度的固定与确认子模块2bc。

在上述技术方案中，所述变形监测误差处理子模块2ba，用于处理观测中各类误差源及对监测精度的影响进行分析，确保获取准确的基线分量。

在上述技术方案中，所述周跳探测及修复子模块2bb，用于在变形监测数据处理中探测出丢失的观测值，并进行修正，恢复为正确的观测值。

在上述技术方案中，整周模糊度的固定与确认子模块2bc，用于在每一个相位观测值中，通过lambda方法确认整周模糊度，为后续基线解算做准备，所述lambda方法为最小二乘模糊度降相关平差法。

在上述技术方案中，基线初始化解算模块3通过运用otf多历元方式进行初始化，根据所述双差观测数据和卫星信息，组成双差观测方程，按照最小二乘滤波计算浮点解，并通过lambda方法固定出整周模糊度，结合质量控制指标进而获得初始化解算结果。

在上述技术方案中，基线实时解算模块4，根据所述初始化解算结果，与所述第二观测数据进行基线解算，按照最小二乘滤波方法结合基线先验信息以及第一观测数据，得到最新的基线向量滤波结果。

在上述技术方案中，所述最终解算结果包括时间信息、基线向量、协方差阵信息、精度评定信息、卫星信息、坐标信息及观测值残差。

本发明还公开一种基于gnss的实时桥梁变形监测方法，所述方法步骤如下：

1)通过数据接收模块实时接收基准站第一观测数据及流动站第二观测数据，将所述第一和第二观测数据传送至数据预处理模块；

2)数据预处理模块接受所述第一和第二观测数据，并进行预处理，将预处理后的观测数据传送至基线初始化解算模块；

3)基线初始化解算模块接收所述预处理后的观测数据，解算获取基线向量，并将获取所述基线向量传送至基线实时解算模块；

4)基线实时解算模块将获取所述基线向量及相关信息进行基线解算，得到最新解算结果；

5)输出解算结果，确定桥梁实时位移信息。

本发明一种基于gnss的实时桥梁变形监测系统及方法，具有以下有益效果：

1)运用基准站gnssa设备与流动站n个gnssb设备之前相互独立的数据解算，理论上能无限台观测站设备参与其中；

2)对所观测的单频或双频、单系统或多系统融合gnss数据按照用户所设定的解算时段长度自动进行时段模式的解算，最小时间可以达到0.2秒解算一次，从0.2秒到其他间隔均可以设置，其他监测系统一般是大于1秒；

3)实时与事后解算均支持；

4)同时支持gps/bds/glonass单频/双频数据处理；

5)能够对所观测的gnss数据进行实时滤波解算；

6)具有导航卫星系统及其载波频率的选择与设定功能；

7)具有对流层延迟误差的实时建模和实时估计功能；

8)有剔除指定卫星观测数据的功能；

9)具有抵抗观测值粗差的功能；

10)具有自适应监测点变形的解算功能；

11)具有内符合精度评定功能。

附图说明

图1为本发明一种基于gnss的实时桥梁变形监测系统gnss设备连接图；

图2为本发明一种基于gnss的实时桥梁变形监测系统模块图；

图3为本发明一种基于gnss的实时桥梁变形监测系统数据处理流程图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述

本发明公开一种基于gnss的实时桥梁变形监测系统系统，所述系统包括数据接收模块、数据预处理模块、基线初始化解算模块、基线实时解算模块、结果输出模块，如图2所示；

数据接收模块1，包括用于接收基准站第一观测数据的设备gnssa，用于接收流动站第二观测数据的n个设备gnssb或gnssc等，其中n为大于等于1的整数，所述第一观测数据与所述第二观测数据通过有线、无线或者有线无线混合方式的通讯系统传输至数据预处理模块，如图1所示；

其中，所述数据接收模块1中设备gnssa与n个设备gnssb数据并行且独立解算处理。

数据预处理模块2，包括用于将所述基准站第一观测数据和流动站第二观测数据同步的数据同步模块2a；用于对各类误差源进行修正的误差处理模块2b；用于伪距单点定位，获取卫星位置、接收机钟差及高度角的定位模块2c；用于组成伪距、相位双差观测值的组成模块2d，如图2所示；

其中，所述误差处理模块2b还包括变形监测误差处理子模块2ba、周跳探测及修复子模块2bb、整周模糊度的固定与确认子模块2bc；

所述变形监测误差处理子模块2ba，用于处理观测中各类误差源及对监测精度的影响进行分析，确保获取准确的基线分量。

具体的，所述变形监测系统针对变形监测这一特定应用场景，在gps/beidou观测中的各类误差源及其对监测精度的影响情况进行分析，并针对各误差源的不同特点，给出了相应的应对措施。包括：1)星历误差，2)卫星钟误差，3)相对论效应，4)对流层延迟误差，5)电离层延迟误差，6)多路径效应，7)地球自转改正，8)接收机钟误差，9)天线相位中心误差，10)起算点坐标误差等。所述变形监测系统能够合理的处理各类误差(采用模型改正或参数估计)，确保获得准确可靠的基线向量。

其中，所述周跳探测及修复子模块2bb，用于在变形监测数据处理中探测出丢失的观测值，并进行修正，恢复为正确的观测值。

具体的，在进行gnss载波相位测量中，要达到高精度定位，需要保证载波相位观测数据中无周跳，因此，正确探测与修复周跳是gnss载波相位数据处理中的一个关键问题。周跳探测就是利用观测的信息来发现周跳。在探测出周跳后，利用观测信息来估计丢失的周数，从而修正周跳后的载波相位观测值，称为周跳修复。如果能探测出何时何处产生了周跳并求出丢失的整周数的准确数值的话，就能对随后的观测值一一加以改正，把它们恢复为正确的观测值，这一工作称为周跳探测及修复。周跳探测与修复一般都首先初步探测一些明显的周跳并修复，然后利用残差信息o-c(observationminuscomputation)探测一些较小的周跳，并在确认周跳的情况下进行修复，对于不能确认的周跳，就作为未知参数进行估计(和整周模糊度参数融合在一起)。

在gnss变形监测的预解算模块中，某一个历元的双差观测值可表示为如下形式：

上式中，为双差相位数据，为双差站星距，为双差模糊度，为双差后的残余误差，比如观测误差、多路径等，f为载波频率，c为光速。可以看出，通过双差，消除了轨道误差、卫星钟差、对流层、电离层、接收机钟差等影响，双差相位可表示为以上三项的多项式，对于静态基线来说，第一项的随时间的变化是非常平滑的，第三项的值非常小，在没发生周跳的情况下，第二项即也不发生变化，那么双差相位观测值的随时间的变化也应该是平滑的。一旦发生了周跳，即发生了突变，则双差观测值也不再平滑而发生了突变。因此，我们可以以双差观测值为检测量，通过时间序列，来检测出周跳。

该方法只用到了一个频率观测数据，因此适合于单频/双频接收机。该方法只能探测出双差观测量的周跳，不能确定发生周跳的非差数据位置，因而不利于周跳分析。同样，该方法是通过分析随时间序列的变化来探测和分析周跳，如果观测的采样率越高，和的变化越小，则观测值的变化越平缓，越容易探测出中存在的周跳。

整周模糊度的固定与确认子模块2bc，用于在每一个相位观测值中，通过lambda方法确认整周模糊度，为后续基线解算做准备，所述lambda方法为最小二乘模糊度降相关平差法。

具体的，gps接收机只能测量载波相位的不足整数部分以及在一段时间内变化的部分。因此在每一个相位观测值中，存在着一个常量未知数，被称为初始整周模糊度(简称整周模糊度)。在载波相位测量值被转换成卫星和接收机之间精密的几何距离之前，这一模糊度参数必须被解算出来。一旦所有的模糊度正确被解算出来，利用四颗卫星将很容易地获得厘米级精度的定位结果。在采用双差最小二乘算法进行基线解算时，整周模糊度的确定是非常关键的问题。目前相关学者提出了一系列的整周模糊度确定方法，在变形监测系统中，在初始化阶段采用了lambda法确定整周模糊度，而初始化完成之后是采用已知基线法在坐标域内单历元确定整周模糊度。

其中lambda法为最小二乘模糊度降相关平差法(least-squareambiguitydecorrelationadjustment，lambda)是由荷兰delft大学的teunissen教授于1993年提出的。该方法是目前快速静态定位中最成功的一种模糊度搜索方法，它可缩小搜索的范围，加快搜索过程，已被广泛采用。其基本步骤分为两步：①z变换；②搜索算法。

基于先验坐标信息的单历元整周模糊度确定方法；

对于短边监测网而言，忽略各种系统误差的影响，则双差载波相位观测方程可以简写为如下形式：

当基准站坐标在米级范围内时，其坐标误差对基线分量的影响较小，此处忽略该误差，认定基准站坐标精确已知，将其固定，并给定流动站坐标的近似值，则可以计算得到双差观测值的几何距离近似值，基于该坐标初始值对其进行线性化，可以得到：

其中为双差星地几何距离的近似值，分别为流动站至基准星和流动星的方向余弦，△2为流动站坐标误差量，由此可见，基于一个历元的观测数据，测站坐标误差引起的模糊度参数浮点解的误差不会超过流动站坐标的误差。同时考虑到双差相位观测值精度较高，因而如果能够获得基线向量的高精度先验信息，利用一个或少数几个历元的观测数据就可以获得模糊度参数的高精度浮点解结果，与准确的固定解之间的偏差较小，采用取整法或其它模糊度固定方法，可以非常容易的获得模糊度固定解，从而实现模糊度固定。

在变形监测中，由于测站坐标的历元间变化量较小，结合之前历元的测站坐标结果，可以快速获得当前历元较高精度的基线向量，将测站坐标代入，就可以采用单历元方式直接计算双差模糊度参数。

获得模糊度参数的固定解以后，需要对其进行验证，确认上述固定解的可靠性，否则可能导致产生严重错误的结果。本自研形变监测软件中采用ratio检验和双频相关约束检验。

ratio检验是基于lambda方法进行模糊度固定，可以获得模糊度参数的多组备选解，通常采用ratio检验方式进行确认，它表示的是将模糊度参数固定为基于lambda方法获得的次优解和最优解后进行参数估计的残差中误差的比值，可以表示为：

ratio＝s次优/s最优

该指标反映出了整周模糊度参数的可靠性，该值越大，模糊度固定解的可靠性越高。需要指出的是，上述指标与多种因素相关，包括观测数据质量、观测条件好坏(卫星星座的几何图形分布和变化)等。因而，在实际数据处理中需要进行相应的调整，在本自研形变监测软件中，根据经验和相关文献，直接将上述限差固定为3。

双频相关约束检验，是根据观测方程可见不同频率的模糊度固定解之间应该满足如下关系：

其中，为不同频率上的模糊度参数固定解及双差相位观测值。根据误差传播率，可以得到：因而，对于一组模糊度参数备选解而言，假设为可能正确的模糊度结果，则计算得到的在误差的范围内应该为一整数，如果满足要求，则认为该组备选解可以作为候选结果，否则予以舍弃，如图3所示。

基线初始化解算模块3，用于接收数据预处理模块所述各模块处理后的数据，从而获取基线向量及其各类误差相关信息的初始值，为误差处理模块2b提供高精度的先验信息；

其中，基线初始化解算模块通过运用otf多历元方式进行初始化，根据所述双差观测数据和卫星信息，组成双差观测方程，按照最小二乘滤波计算浮点解，并通过lambda方法固定出整周模糊度，结合质量控制指标进而获得初始化解算结果。由于基线较短，其快速静态解算(小于30分钟)结果一般可优于2cm，可以满足后续处理的精度要求。

基线实时解算模块4，用于接收基线初始化解算模块处理后的初始化数据进行基线解算，得到最新基线向量滤波解算结果；

其中，根据所述初始化解算结果，与所述第二观测数据进行基线解算，按照最小二乘滤波方法结合基线先验信息以及第一观测数据，得到最新的基线向量滤波结果。

结果输出模块5，用于输出基线实时解算模块计算得到的最终解算结果。

其中，所述最终解算结果包括时间信息、基线向量、协方差阵信息、精度评定信息、卫星信息、坐标信息及观测值残差。

本发明还公开一种基于gnss的实时桥梁变形监测方法，所述方法步骤如下：

1)通过数据接收模块实时接收基准站第一观测数据及流动站第二观测数据，将所述第一和第二观测数据传送至数据预处理模块；

2)数据预处理模块接受所述第一和第二观测数据，并进行预处理，将预处理后的观测数据传送至基线初始化解算模块；

3)基线初始化解算模块接收所述预处理后的观测数据，解算获取基线向量，并将获取所述基线向量传送至基线实时解算模块；

4)基线实时解算模块将获取所述基线向量及相关信息进行基线解算，得到最新解算结果；

5)输出解算结果，确定桥梁实时位移信息。

本发明一种基于gnss的实时桥梁变形监测系统及方法，从基准点和变形监测点的双差观测值的变异中直接提取变形信息，不通过原来那种复杂的两期gps定位结果求变形值而提出一种新方法，建立新模型、新方法，编制新系统。从而避开周跳的探测及修复，确定整周模糊度等问题。而且新模型可仅使用单频观测值，为短距离高精度变形监测中使用单频接收机提供了可能，使整个gps监测系统的成本大幅度降低。

以上方法实施例与系统实施例是一一对应的，方法实施例简略之处，参见系统实施例即可。

说明书中未阐述的部分均为现有技术或公知常识。本实施方式仅用于说明该发明，而不用于限制本发明的范围，本领域技术人员对于本发明所做的等价置换等修改均认为是落入该发明权利要求书所保护范围内。