北斗卫星导航系统的毫米级精度变形监测算法与实现

北斗卫星导航系统的毫米级精度变形监测算法与实现

肖玉钢1, 姜卫平2, 陈华1, 袁鹏2, 席瑞杰1

1. 武汉大学测绘学院，湖北武汉430079;

2. 武汉大学卫星导航定位技术研究中心，湖北武汉430079 收稿日期：2014-12-08；修回日期：2015-07-08

基金项目：国家863计划（2012AA12A209）；国家自然科学基金（41374033）。

第一作者简介：肖玉钢（1984—），男，博士生，研究方向为GNSS高精度定位定轨算法。

通信作者：姜卫平，wpjiang@

摘要：研究了北斗卫星导航系统（BeiDou Navigation Satellite System，BDS）毫米级精度变形监测算法。首先改进了TurboEdit方法，以能够探测到1周的小周跳；针对BDS星座结构给出更为高效的独立双差观测值搜索方法；对于模糊度固定，采用决策函数和序贯模糊度固定相结合的方法。在此基础上，研制了BDS变形监测软件。最后，利用变形监测试验平台的实测数据，从星座分布、解算精度等方面分析了BDS在变形监测中应用的可行性。结果表明，目前在试验区域内BDS与GPS在卫星几何分布等方面基本相当。BDS的短基线解算精度略低于GPS，但仍可达到平面1 mm以内、高程2 mm以内的精度水平。

关键词：北斗卫星导航系统变形监测软件实现精度分析

Research and Realization of Deformation Monitoring Algorithm with Millimeter Level Precision Based on BeiDou Navigation Satellite System

XIAO Yugang1, JIANG Weiping2, CHEN Hua1, YUAN Peng2, XI Ruijie1

Abstract: The deformation monitoring algorithm with millimeter level precision based on BeiDou Navigation Satellite System (BDS) was researched. The TurboEdit method was improved to detect small cycle slips, e.g. 1 cycle. Focusing on BDS constellation, a more efficient algorithm used to construct double-differenced observations was developed. The Bootstrap+Decision function method was utilized to improve the probability of biases fixing. Based on the improved algorithm above, a deformation monitoring software based on BDS was achieved. Afterwards, the availability of BDS in the field of deformation monitoring was analyzed in terms of satellites distribution and precision and accuracy of solutions, utilizing the observations acquired from the experimental platform. The conclusion was drawn that

currently BDS is similar to GPS in terms of satellites distribution in the test area. The precision of short baselines derived from BDS is better than 1 mm for the horizontal components, better than 2 mm for the vertical components, which is still a little lower than GPS.

Key words: BeiDou Navigation Satellite

System deformation monitoring software achievement precision analysis

随着各种大型结构体的大量涌现以及滑坡、泥石流等地质灾害的频繁发生，变形监测研究的重要性日益突出，变形监测理论和技术方法也在迅速发展。全球卫星导航系统(GNSS)具有全天候、高精度等优点，早在20世纪80年代中后期，就被作为一种变形监测技术手段。1995年以来，GNSS被用于监测滑坡、大坝等缓慢变形，如在Pacoima、清江隔河岩等大坝建立的GPS 变形监测系统，对GPS用于高精度变形监测的可行性进行了分析，精度达毫米级。结果表明，GPS解算所得变形量与水库蓄水量具有高度一致性[1, 2, 3, 4]。为降低变形监测系统的建设成本，文献[5]提出了一机多天线变形监测系统，采用附加的多天线转换开关实现一台接收机与多个天线的时分单通连接。同时，考虑到监测特点(如监测站坐标已知)，文献[6—8]提出了“无周跳无模糊度”的变形监测方法。对于桥梁、高大建筑物等结构体的动态变形，适宜采用实时监测系统进行，文献[9]研制了GPS变形监测数据处理软件GPSMON，定位精度为亚厘米级；文献[10]集成GPS、加速度计、伪卫星等技术，建立了桥梁变形实时监测系统。同时，Geo++、Leica、Trimble等测量仪器公司也开发了GPS 变形监测系统，并得到了广泛的应用。

中国自20世纪80年代开始研制北斗系统，并实施了系统建设的“三步走”规划[11]。2012年底，北斗卫星导航系统空间信