GPS_CORS精密区域地表位移动态监测技术研究

基线监测墩 (带强制对中器 ), 配备南方双频 GPS接 收机及 Choke R ing 天线 ( 站编号 SOUT )。将 GPS天 线安置在位移改 正基座上。位 移改正基座由 本项 目与中国地震局地震研究所合作研发, 通过调整基 座的测微鼓轮装置, 天线中心可在互相垂直的水平 导轨上精确移动, 其精度为 ? 0. 01 mm。试验中设 置采样率为 1 s, 每 15 m in人为调整天线中心东西方 向位移量, 模拟监测点高精度位移形变。
2. 整周模糊度搜索
由于模糊度间的相关性较小, 所以可以对每颗
卫星进行独立搜索, 其搜索空间为
$ý
N~ I
{ x | $ý
N
( tn
)-
RN
(
tn
)
tA 2
( n)
<x<
$ý
N(
tn ) +
R N ( tn )
tA ( n) } H Z
2
( 3)
其中, tA ( n )是显著性水平为 A、自由度为 n 的 t 分 2
P recise M onitoring T echnique for R egional Surface D eform ation U sing GPS /CORS Observation
TANG L im ing, L I Chenggang, ZHANG Jianguo, SH I X iao chun, W E I P ingx in
另 选 取 SDGT-GTCH 所 在 基 线 ( 基 线 长 度 40. 7 km ) , 并视 GTCH 为 监测 点, SDGT 作为 基准 点, 进行长时间连续监测, 监测时段为 2008年 8月 22 日 6: 00) 18: 00 ( DOY235 日 ) ( 12 h, 采 样 率
表 2 水平方向监测精度统计
R2
=
E 1 n
n i= 1
[$$N w ( tn )
-
$$
~ N
w
] 2。
三、试验结果分析
为检验本方法的数学模型的正确性, 建设位移 形变模拟试验场, 基于 GDCORS试验网络进行了位 移形变模 拟试验 [ 6-7] 。如图 1 所 示, 选 取 GDCORS 网络 6个参考站构成 CORS试验网络, 平均站间距 离为 59 km。各参考站配备 T rim ble GPS RS接收机 及 T rim ble Zephyr天线, 数据通过 ADSL 网络实时回 传至数据中心。如图 2所示, 在广东省国土资源厅 测绘院办公楼顶建设位移模拟试验场, 监测点位于
进行处理和固定, 因此该模型最终解为实时解算模
收稿日期: 2009-11-11; 修回日期: 2010-03-03 作者简介: 唐力明 ( 1970) ) , 男, 湖南宜章人, 高级工程师, 主要从事 3S技术集成方面的研究。
2010年 第 5期
唐力明, 等: GPS /CORS精密区域地表位移动态监测技术研究
摘要: 提出一种同时适用于中等距离和短距离范围的 GPS /COR S准实 时动态监 测技术, 并 详细论述 该技术实 现厘米级 甚至毫米 级动态监测的算法模型和实现方法。基于 G DCO RS 数据进行了准实时地表形变位移 动态监测的试 验, 监测结果不仅 验证了上述 动态定位模型的正确性, 也为基于 G PS /COR S监测技术对省级区域地质灾害进行连续高时空分辨率监测的应用提供了参考。 关键词: GPS; COR S; 形变监测; 载波相位动态定位
针对以 上问 题, 本文提 出一 种 基于 连续 运行 GPS参考站系统 ( CORS) 实现地质灾害地表形变动 态监测的技术, 利用成本较低的双频或单频 GPS数 据采集终端, 即可在计算中心实现网络覆盖范围内 的厘米 级甚至 毫米级 地表位 移形 变的 动态 监测。
以广东省连续运行卫星定位服务系统 ( GDCORS) 为 例, 通过全省均匀覆盖的 78个 GPS 参考站联网, 构 成了统一的连续动态高精度的空间数据参考框架, 利用 CORS高质量、连续的 GPS观 测数据, 直 接在 全球统一空间基准框架下 ( 如 ITRF2005) 实现地质 灾害地表形变动态监测, 为采集国土资源地质灾害 信息提供了空间信息和专题数据支撑平台。
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测绘通报
文章编号: 0494-091Baidu Nhomakorabea( 2010) 05-0006-04
中图分类号: P228. 4
2010年 第 5期 文献标识码: B
GPS /CORS精密区域地表位移动态监测技术研究
唐力明1, 李成钢 1, 张建国 2, 石晓春1, 魏平新 2
( 1. 广东省国土资源厅测绘院, 广东 广州 510500; 2. 广东省地质环境监测总站, 广东 广州 510510)
一、引 言
以 GPS 技术为代表的卫星空间定位技术因其 全天候、自动化、精度高等特点日益成为地壳形变、 精密工程形变监测、地质灾害地表形变监测等领域 的主要监测手段。国内外已有很多 GPS 静态测量 技术应用于大型地质灾 害监测的案例 [ 1] 。如印度
洋地震引发的海啸等突发事件的出现, 不仅对利用 现有卫星定位处理技术监测地震等自 然灾害提出 了更高要求, 也凸显出以多 期复测、事 后处理为主 的现有 监测 技术 的不 足。近 年来, 在香 港青 马大 桥、广州虎门大桥、日 本明石大桥等大 型桥梁监测 项目 中, 已 开始采用 载波相位 实时动态 差分 ( real tim e kinem at ic, RTK ) 技 术, 基于 固 化 在 商 用双 频 GPS接收机内部的 RTK 算法实现厘米级实时形变 监测 [ 2] 。但以下 缺陷限制了该监测模 式在其他形 变监测领域的应用: ¹ RTK 算法固化在接收机内, 由各厂商开发研制, 并非面向形变监测技术特点设 计, 解算性能各异; º 固化 RTK 算法的 GPS双频机 价格昂贵, 系统应用成本高; » 对双向无线网络通 信要求高, 野外环境的网络通信数据延迟和中断往 往导致接收机反复初始化甚至初始化失败。
的综合距离相关误差。其中, I 为电离层延迟, T 为
对流层偏差, O 为卫星轨道偏差。
由于引入了 CORS误差改正模型确定的改正参
数
f ij U, V u
(SU ),
新模型 不仅适用于
1
km 以内的 短基
线, 且可有效减弱 1 km 以上中距离定位中基线距离
相关误差 SU 影响, 使式 ( 1)可采用短基线解算模型
0. 843 0 ? 1. 223 7
30 s) , 测定 GPS /CORS动态监测模型在长距离应用 中的实 际精 度和 稳定 性, 监测结 果如 图 5 和 表 2 所示。
图 5 基线水平方向位移形变监测序列
图 3 位移形变模拟先验值与监测值的比较
图 4 监测偏差时间序列
如图 3所示, 监测结果很好地反映了各测段位 移量发生的时刻及绝对位移量, 从监测序列中可明 显发现, 包括 20mm、10mm、5mm、3 mm 在内的这几 次位移调整量突变的准确数值和所在时刻, 监测值 围绕真值保持 5mm 以内的上下波动。采用移动平 滑滤波除噪后 ( 平滑窗口为 60历元 ), 拟合值与真 值相差保持在 1. 5mm 以内。如图 4所示, 消除先验 位移量后, 整个测段内监测结果 误差呈现 5 mm 以 内均匀的上下波动, 并呈现明显无序的随机误差性 质, 表明监测结果主要受多路径和观测噪声的影 响。采用移动平滑滤波除噪后, 监测误差得到明显 削弱, 其波动维持在 1. 5 mm 以内。对图 3、图 4监 测序列进行统计分析, 结果见表 1。各测段监测平 均偏差为 - 0. 797 3~ 1. 466 2 mm, 整个测段平均偏 差 0. 843 0 mm, 中误差为 ? 1. 223 7 mm, 证明 GPS / CORS 技 术在 短距 离准 实 时监 测 中 水平 方 向 可 完全 达到 ? 2. 00 mm 以内的监测精度。
二、GPS /COR S动态监测模型
GPS /CORS动态解算数学模型由 CORS网络误
差模型与双频模糊度实时解算模型构成, 其定位参
数估计的最终观测方程如下
K$
Uij Vu
+
K$
N
ij Vu
-
$
Qij Vu
=
f ij U,
Vu
( SU )
+
$$M
ij VuU
+
E$$
U
( 1)
其中, K为载波相位波长; f 为载波频率; U为载波
布函数; Z为整数集合。
3. 整周模糊度固定
计算每个候选模糊度的验后方差, 它们的方差
比 ratio 服从 F 分布, 给定显著性水平 A, 若满足下 式, 则接受方差最小的候选模糊度 [ 5]
ratio =
R21 R20
>
FA ( n,
n)
( 4)
其 中, R20
为
最小
方
差;
R
2 1
为 次 小 方 差;
1. 双频模糊度浮点值估计 采用载波相位观 测值求解双频载 波相位模糊
度浮点值
K$ U- $$ Q+ fU ( SU ) = [ $MF ( Hp ) $MF ( Hq ) K] # ZD p
ZD q + E
( 2)
$N
其中, $MF ( Hi )与 ZD i 分别为测站 i所在位置的对
流层映射函数及天顶对流层延迟。
图 1 GDCOR S试验网型
图 2 位移形变模拟试验场布置
位移形变模拟试验于当地时间 2008年 8月 21 日 9时 ( DOY234 日 ) 进行, 对监测站 SOUT 作连续 位移改正试验, 每 15 m in人为调整天线中心在东西 方向的位移量并作为先验值, 将 GTCH 站作为基准 站, 采用 GPS /CORS算法分析短距离监测的精度和 可靠性。如表 1, 本次测试共进行了 7个测段, 采样 率 1 s, 每测段 15 m in( 900历元 ) , 共计 6 300个历元 的监测数据。根据先验设定值, 各测段先验位移刻 度分 别 为 0. 000 mm、 20. 000 mm、 10. 000 mm、 5. 000 mm、2. 000 mm、1. 000 mm、0. 000 mm, 天线相 位中心经过 7个测段的连续位移量重新回到初始位 置。将该位移量作为先验值, 与准实时的监测位移 量相比较, 其结果如图 3 所示。去除每测段间人工 位移调整过程中的少量历元, 将监测结果与先验值 求差, 可取 得消除 先验位 移量 后的监 测结 果的 偏 差, 如图 4中的 DE B ias序列 ( 东西方向监测偏差 ) 。
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型的多站融合解。 CORS 实时改正模型引擎由电离 层 NL IM 线性内插模型、对流层全球先验模型纠正、 轨道误差精密星历纠正三种误差纠正模型组成, 笔 者及相关学者已在文献 [ 3-5] 中对各模型进行了详 细论述。
GPS /CORS动态解算模型流程可概括为模糊度 固定 (包括双频模糊度估计、搜索、检核 ) 以及定位 参数求解两个过程。定位参数求解采用式 ( 1), 模 糊度固定过程如下:
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测绘通报
2010年 第 5期
表 1 位移形变模拟试验监测结果及统 计
mm
时段号 起始历元 先验值 监测均值 偏差 中误差
1时段 2时段 3时段 4时段 5时段 6时段 7时段 总计
1 0. 000 0 - 0. 797 3 - 0. 797 3 ? 1. 311 5 901 20. 000 0 20. 490 9 0. 490 9 ? 1. 245 8 1 801 10. 000 0 10. 890 3 0. 890 3 ? 1. 302 3 2 701 5. 000 0 5. 314 9 0. 314 9 ? 1. 329 0 3 601 2. 000 0 3. 466 2 1. 466 2 ? 1. 147 0 4 501 1. 000 0 0. 466 4 - 0. 533 6 ? 1. 213 5 5 451 0. 000 0 1. 150 0 1. 150 0 ? 1. 050 5
相位观测值; N 为 整周 模糊度; Q为站星 间几何 距
离; M 为多路径效应误差; E为接收机噪声; i、j为卫
星标号; V、u 分别为虚拟参考站所对应的主参考站
以及移动站标号;
f ij U,
Vu
(
SU
)为
COR S 网 络 误 差 模 型
纠正值; SU = - I + T + O 为载波相位观测值所对应
mm
指标
平均值 中误差
平 面精度
北方向
东方向
0. 483 ? 15. 788