gps变形监测中提取大变形量的单历元解算方法研究

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1、GPS变形监测中提取大变形量的单历元解算方法研宄广丙聚海工程勘察设计有限公司摘要：提山一种综合利用宽巷组合观测值与L1观测值提取测站大变形量的GPS单历元变形监测方法。充分利用变形监测点已知以及模糊度之间的线性相关性等特点，建立了按历元解算监测点变形量的基木数学模型，并分析了影响变形量精度的主要误差来源。通过对试验数据的计算分析，对数学模型的正确性进行了论证。关键词：GPS；变形监测；整周模糊度；单历元；宽巷观测值GPS由于其高精度和连续自动监测能力，已广泛应用于结构物变形监测。根据被监测对象的特点，GPS变形监测分为

2、周期性重复测量、固定连续GPS测站阵列和实时动态监测3种监测模式。对于大坝、水库、滑坡体、构造运动等变形连续、缓慢、量级小的结构物，数据处理时宜采用静态解模式，通过多个历元的观测资料解算。而大桥、高层建筑物等结构物，在外部荷载作用下摆动变形量级较大且剧烈，应采用实时动态监测数据处理模式。目前，实时动态监测数据处理主要釆用。OTF（或ARCTF）方法，常用的有最小二乘搜索法（LS）、快速模糊度搜索法（FARA）、最小二乘模糊度降相关平差法（LAMBDA）、Cholrsky分解搜索计算法等。这些方法的模糊度解算均需多个历元

3、的观测数据，且需进行周跳的探测与修复。当卫星失锁时OTF方法必须重新初始化，使监测过程变得十分复杂。部分学者提出了实时动态监测的单历元解算方法，充分利用GPS变形监测系统中各监测点精确已知的信息，从GPS数据处理的观测方程入手，避免了常规处理中的周跳探测与模糊度分离等步骤。但该类算法大多仅适用于瞬间变形值较小的情况，若变形监测点产生不规则的大变形，如悬索桥在风力荷载作用下的摆动，这些方法则失效。木文提出一种适合于提取大变形量的GPS变形监测单历元解算算法。该算法先利用宽巷观测值对大变形量进行初步提取，将监测点初始坐标进

4、行粗略改正，然后利用L1相位观测值采用“无周跳无模糊度”算法进一步提取剩余变形量。分析表明，在监测点产生大变形时该算法能够取得很好的效果。1单历元变形监测的数学模型1.1利用宽巷组合获取变形量模型由于变形监测中基线一般较短，经过双差后的电离层、对流层残差影响能够得到很好的消除，多路径效应影响减弱。另外，当设定一定的截止高度角以及采用扼流圈技术吋，多路径效应影响可以认为为0,于是GPS双差相位观测方程可写为：提出一种“无周跳无模糊度”的监测方法，认为当变形量小于λ/2（λ为载波波长）吋，就能根

5、据计算出的双差值中的整周数来确定观测的双差值中的整周数，从而避开“周跳探测与修复”、“整周模糊度确定”等棘手问题。如图1,A为基准站，B为监测站，B′为变形后的B点位置，p和q为同步观测卫星，以高度角较大的卫星Q为参考星，则A、B两站的相位双差观测值为：在变形之前，监测站B的坐标己知，可以利用A、B两点的坐标及卫星星历计算出的卫星位置求得双差距离：由式（3）可计算出双差相位：在短基线数据处理中，经过双差后电离层、对流层、多路径效应等误差得到很好的消除，则式（2）、（4）代入式（1）组成双差观测方程:由此可见

6、，当B点坐标精确己知吋，双差模糊度ΔN可以通过Δφc—Δφ0直接取整来获将：然而，若监测站B发生变形，产生了位移δu至B1点，仍然利用B点坐标计算双差观测值就不能满足式（5）。它们的差值可以用表示：则中包含了变形信息。根据“无周跳无模糊度”算法的基本思想，当变形量小于载波半波长λ/2时，式（7）等号占端直接取整确定的双差模糊度ΔN仍为正确的双差模糊度，即变形量并没奋对相位双差观测值的整数部分造成影响，仅影响了观测值的小数部分。因此

7、，中仅包含了不足一波段的小数部分，确切地说，［-0.5,0.5］。据式（1）列出误差方程如下：而如果变形值大于λ/2、小于λ,对某些高度角较低的卫星来说，变形量对的影响可能会大于0.5周，那么应为绝对值大于0.5周的小数值。如果仍然利用“无周跳无模糊度”的解法，对直接取整（即四舍五入），求得的双差模糊度会与正确的ΔN存在1周的偏差，此时通过式（7）计算得到的绝对值仍然在［一0.5,0.5］之间，而符号也发生了变化。那么，该颗卫星所列出的方程对该历元整个方程组造成污染，经过最小二乘

8、平差就得不到正确的变形量。为了能够更进一步地提取较大变形量，本文提出当变形量大于λ/2、小于λ时，对利用监测点近似坐标计算出的双差模糊度进行±l周的搜索，确定正确的双差模糊度，进而提取较大变形量。在实际的数据处理中，要根据监测对象的需要选择合理的相位观测值组成观测方程。例如，悬索桥在风力荷