（大地测量学与测量工程专业论文）gps变形监测技术及其数据处理方法研究.pdf

论文题目：g p s 变形监测技术及其数据处理方法研究 专业：大地测量学与测量工程 硕士生：赵宜行 指导教师：孟鲁闽 摘要 ( 签名) ( 签名) 变形监测是监测变形体安全性的重要手段，是为了监视变形体点位移动状况而进行 的长期、重复的测量工作，其关键在于捕捉变形敏感部位和各观测周期间的变形观测点 的变形信息。g p s 技术作为一种全新的现代空间定位技术，已经在许多的测量领域取代 传统的光学和电子测量方法，变形监测领域也不例外。g p s 变形监测的实现可以减轻外 业工作量，大大提高工作效率，从而带来直接的经济效益。但由于g p s 有别于常规的 监测技术，它本身获取的数据以及变形监测数据序列都需要进行有效的处理，才能满足 变形监测的需要。因此，对g p s 技术应用于变形监测及其变形监测数据处理的研究具 有重要的理论意义和现实意义。 本文在对g p s 测量过程中的误差来源与影响规律，以及如何减少误差和影响的各 种方法进行分析的基础上，阐述了g p s 测量技术应用于变形监测的作业模式和变形监 测网的技术设计；同时本文对主要的g p s 变形监测数据处理技术进行了介绍，对各种 处理技术的优劣进行了比较，并指出了其中存在的一些问题。 由于小波分析是一种高性能的信号分析方法，因此本文将小波理论应用到g p s 变 形监测的数据处理当中，对基于小波理论的g p s 变形监测数据的粗差探测、强噪声背 景下有用信号的提取等方面进行了研究，并结合地壳形变监测实例，从缺损数据的补全、 粗差的探测及数据的去噪等方面对g p s 变形监测实测数据进行了处理，并得到了比较 满意的结果，验证了基于小波理论的g p s 变形监测数据处理方法的可行性与有效性。 关键词：g p s ；变形监测；小波分析；数据处理 研究类型：应用研究 s u b j e c t ：d e f o r m a t i o nm o n i t o r i n gt e c h n o l o g yw i t hg p s a n dt h e r e s e a r c ho fi t sd a t ap r o c e s s i n gm e t h o d s p e c i a l t y ：g e o d e s ys u r v e y i n ge n g i n e e r i n g n a m e：z h a oy i h a n g i n s t r u c t o r ：m e n g l u - r a i n a bs t r a c t ( s i g n a t u r e ) ( s i g n a t u r e ) d e f o r m a t i o nm o n i t o r i n gi sa l li m p o r t a n tm e a ni nm o n i t o r i n gs a f e t yf o rt h ed e f o r m a b l e b o d y ，w h i c hi sl o n g t e r ma n dr e p e a t i n gs u r v e yw o r k t h a ta i m sa tt h ep o i n tm o v ec o n d i t i o n si n m o n i t o r i n gt h ed e f o r m a b l eb o d yw i t h i t sk e yp o i n ts t a y i n ga tc a t c h i n gt h ed e f o r m a t i o n i n f o r m a t i o ni nt h es e n s i t i v ed e f o r m a t i o np o s i t i o n sa n de a c hp e r i o d i cs u r v e y g p sa sam o d e m s p a c ep o s i t i o n i n gt e c h n o l o g yi san e wt e c h n o l o g yw h i c h h a sr e p l a c e dt h et r a d i t i o n a lm e t h o d s o fo p t i c a la n de l e c t r o n i cm e a s u r e m e n ti nm a n ym e a s u r e m e n ta r e a s ，i n c l u d i n gd e f o r m a t i o n m o n i t o r i n ga r e a s g p sm o n i t o r i n gc a nr e d u c et h ef i e l dw o r k sa n di m p r o v ew o r ke f f i c i e n c y g r e a t l y t h e nl e a dt ot h ed i r e c te c o n o m i cb e n e f i t h o w e v e r ，g p sa sad i f f e r e n tf r o mt h e t r a d i t i o n a lm o n i t o r i n gt e c h n o l o g y ，i t so w nd a t aa n dt h es e q u e n c eo fd e f o r m a t i o nm o n i t o r i n g d a t aa r ea l ln e e d e dt ob ed e a l tw i t he f f e c t i v e l yi no r d e rt om e e tt h en e e d so fd e f o r m a t i o n m o n i t o r i n g s ot h er e s e a r c hf o rg p st e c h n o l o g ya p p l i e dt om o n i t o rt h ed e f o r m a t i o na n d d e f o r m a t i o nm o n i t o r i n gd a t ap r o c e s s i n gh a sr e a l i s t i ca n da c a d e m i cs i g n i f i c a n c e b a s e do nt h ep r o c e s s i n go ft h eg p sm e 删e m e n te r r o rs o u r c e sa n dt h ei m p a c tr o l e s ，a s w e l la sh o wt or e d u c et h ee r r o r sa n dt h ei m p a c to fv a r i o u sm e t h o d st ob ea n a l y z e d ，t h i st h e s i s e x p o u n d st h a tg p sm e a s w e m e n tt e c h n o l o g ya p p l i e dt ot h eo p e r a t i n gm o d eo fd e f o r m a t i o n m o n i t o r i n ga n dt h et e c h n o l o g i c a ld e s i g no fd e f o r m a t i o nm o n i t o r i n gn e t w o r k ；a tt h es a m e t i m e ，t h i st h e s i si n t r o d u c e st h em a i nt e c h n o l o g yo ft h eg p sd e f o r m a t i o nm o n i t o r i n gd a t a p r o c e s s i n g ，c o m p a r e st h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fv a r i o u st r e a t m e n tt e c h n o l o g i e sa n d p o i n t so u ts o m ee x i s t i n gp r o b l e m s w a v e l e ta n a l y s i si sas i g n a la n a l y s i sm e t h o do fh i 曲p e r f o r m a n c e ，s ot h et h e s i sa p p l i e s w a v e l e tt h e o r yt ot h ep r o c e s s i n go fg p sd e f o r m a t i o nm o n i t o r i n gd a t a , r e s e a r c h e st h eg p s d e f o r m a t i o nm o n i t o r i n gd a t at od e t e c tg r o s se r r o r sa n dp i c ku pu s e f u ls i g n a lo fs t r o n gn o i s e b a c k g r o u n db a s e d o nt h ew a v e l e tt h e o r y ，a n dc o m b i n e dw i t ht h ec r u s td e f o r m a t i o n m o n i t o r i n ge x a m p l e sf r o mt h ep e r s p e c t i v eo fc o m p l e t e dd e f e c t i v ed a t a , g r o s se r r o rd e t e c t i o n a n dd a t ad e n o i s i n gt od e a lw i t hg p sd e f o r m a t i o nm o n i t o r i n gd a t a , t h e ng e t sas a t i s f i e dr e s u l t ， t h u sv e r i f yt h ef e a s i b i l i t ya n de f f e c t i v i t yo ft h eg p sd e f o r m a t i o nm o n i t o r i n gd a t ap r o c e s s i n g m e t h o dw h i c hi sb a s e do nw a v e l e tt h e o r y k e yw o r d s ：g p s d e f o r m a t i o nm o n i t o r i n gd a t ap r o c e s s i n gw a v e l e ta n a l y s i s t h e s i s ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 姿种技大学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 糊一签丝孟芍熙 学位论文知识产权声明书 毯 6 趱 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期问 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采州影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题冉撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 指导教师签名： q 缸 伊| 峰 t 月e l 1 绪论 1 绪论 1 1 变形监测概述 变形是自然界普遍存在的现象，它是指变形体在各种负荷作用下，其形状、大小及 位置在时间和空间域中的变化。变形体的变形在一定范围内被认为是允许的，如果超出 允许值，则可能引发灾害。自然界的变形危害现象很普遍，如地震、滑坡、岩崩、地表 沉陷、火山爆发、溃坝、桥梁与建筑物的倒塌等。所谓变形监测，就是利用测量与专用 仪器和方法对变形体的变形现象进行监视观测的工作。其任务是首先在变形区域内布设 若干变形监测点( 或者叫观测点) ，然后定期对其进行观测，采集监测点的各期变形信 息，对观测数据进行处理，计算出监测点的变形量及其变化速率，进行变形分析，找出 规律，并作出预测，对其变形引起的破坏提出防范措施。 变形体的范畴可以大到整个地球，小到一个工程建( 构) 筑物的块体，它包括自然 和人工的构筑物。根据变形体的研究范围，可将变形监测研究对象划分为这样3 类i l j 。 ( 1 ) 全球性变形研究，如监测全球板块运动、地极运动、地球自转速率变化、地 潮等； ( 2 ) 区域性变形研究，如地壳变形监测、城市地面沉降等； ( 3 ) 工程和局部性变形研究，如监测工程建筑物的三维变形、滑坡体的滑动、地 下开采引起的地表移动和下沉等。 在精密工程测量当中，最具代表性的变形体有大坝、桥梁、矿区、高层( 耸) 建筑 物、防护堤、边坡、隧道、地铁、地表沉降等。 目前，变形监测研究在国内外受到了广泛的重视。随着各种大型建筑的大量涌现以 及滑坡等地质灾害的频繁发生，变形监测研究的重要性更加突出，推动着变形监测理论 和技术方法的迅速发展。目前，变形监测正向多门学科交叉联合的边缘学科方向发展， 成为相关学科的研究人员合作研究的领域。已有的研究工作涉及到地壳形变、滑坡、大 坝、桥梁、隧道、高层建筑、结构工程及矿区地面变形等。随着科学技术的进步和对变 形监测的要求的不断提高，变形监测技术也在不断地向前发展。 1 2 g p s 技术在变形监测中的应用 变形监测是指在各种荷载作用下，确定变形体在空间状态和时间上的变化特征，即 获取点与点之间的相对位移信息，了解变形体的形变规律，为减灾、防灾提供依据。 变形测量一般分为大地形变监测，工业与民用建筑物变形监测，建筑物稳定性监测， 钢筋混凝土建筑物变形监测，地表沉降观测等，根据不同的应用领域，变形监测的精度 西安科技大学硕士学位论文 要求在亚毫米级至毫米级。 随着g p s 接收机硬件性能的提高和软件处理技术的进步，g p s 相对定位的精度从 以前的1 0 。7 提高到1 0 母量级。进入9 0 年代以来，由于g p s 定位技术具有测站间无须通 视、观测不受气候条件限制，可同时测定点的三维坐标，自动化程度高等特点，g p s 技 术逐渐成为变形监测中的一种重要手段。 应用g p s 技术进行板块运动和地壳形变监测为描述地球动力状态的一些物理模型 提供了直接的经验。比如8 0 年代的监测手段s l r ( 卫星激光测距) 和v l b i ( 甚长基线 干涉) ，g p s 作业具有极大的灵活性，得到了广泛的应用。如：在美国加利福尼亚州， 从1 9 9 0 年开始，南加州的地震中心小组便沿着州内震断层布设了站间距1 0 1 5 k m 的许 多个g p s 跟踪站阵列，根据这些g p s 跟踪站测得的变形量为地震预报提供信息。我国 也成功建立了国家地壳形变g p s 监测网、青藏高原地壳运动g p s 观测网等。 g p s 用于短距离变形监测的精度可达亚毫米级，从而为大型建筑物( 如大坝、桥梁、 大型厂房等) 及滑坡崩塌等高精度变形监测提供了一种新的手段。早在1 9 8 8 年9 月， 美国工程兵测绘研究所就已经将g p s 用于大型建筑物的形变监测，研制了一种利用g p s 载波相位观测值近似实时监测大型建筑物的连续监测系统c d m s 。在我国，清江隔河岩 大坝外观g p s 监测系统也是一次成功的应用。 g p s 用于变形监测的作业主要方法有经典静态测量方法和动态测量方法。经典静态 测量方法用于缓慢变形场合，如地壳板块运动，城市地表沉降等。对于缓慢变形场合， 常用静态基线解算方法，如f a r a ( f a s ta m b i g u i t yr e s o l u t i o na p p r o a c h ) 法等。对于动 态变形监测常用o t f ( o nt h ef l y ) 方法或模糊度函数法求解整周模糊度。有关的研究表 明：将g p s 用于动态变形监测的水平精度不低于常规方法，但高程分量比常规方法低， 不过其效率是常规方法无法比拟的。 1 3g p s 变形监测技术的发展趋势 根据对国内外g p s 变形监测的现状分析和对变形监测的客观要求，可将g p s 变形 监测的发展趋势概括为以下几个方面1 2 j ： ( 1 ) 建立g p s 变形监控在线实时分析系统 对于大坝、大型桥梁、高层建( 构) 筑物、滑坡和地区性地壳变形监测，研究建立 技术先进而又实用的g p s 变形监控在线实时分析系统是一个重要的发展趋势。这种系 统由数据采集、数据传输和数据处理与分析等几个主要部分组成，可以使监测数据得到 及时的分析和处理，从而实时地评价变形的现状和预测其发展趋势，为灾害发生的可能 性分析与预报提供科学依据，这对处于活跃阶段的滑坡体变形及断层的相对运动监测具 有特别重要的意义。由于建立连续运行的g p s 网络系统进行大坝和滑坡等变形监测， 成本较为昂贵，因此，研究低成本的g p s 一机多天线变形在线实时监测分析系统也是 2 1 绪论 一个颇有实际意义的研究方向。 ( 2 ) 建立“3 s ”( g p s 、g i s 、r s ) 集成变形监测系统 随着计算机技术、无线电通讯技术、空间技术及地球科学的迅猛发展，“3 s ”( g p s 、 g i s 、r s ) 技术已从各自独立发展进入相互集成融合的阶段。“3 s ”技术集成，可为分析、 研究包括变形信息在内的各种灾变信息之间的相互关系提供技术支撑，特别是时态g i s ( t e m p o r a lg i s ，简称t g i s ) 技术的应用，它可以描述四维空间的地质现象，除具有一 般g i s 的功能外，还能够记载研究区域内各种地质现象随时间的演绎过程，这对滑坡等 地质灾害的监测预报具有非常重要的作用。因此，研究“3 s ”集成变形监测系统，也是变 形监测技术的重要发展趋势之一。 ( 3 ) 建立g p s 与其它变形监测技术集成组合的综合变形监测系统 为克服g p s 技术用于变形监测的不足和局限性，根据变形监测的对象和目的，将 g p s 与其它变形监测技术( 如i n s a r 、摄影测量和特殊变形测量技术等) 集成组合形 成综合变形监测系统，可实现不同监测技术之间的优势互补。例如，将g p s 与i n s a r 集成组合成g p s i n s 变形监测系统，可从离散点位测定进入到四维形变场( x ，y ，z ，t ) 的整体动态精确测定，使g p s 变形监测技术应用范围更加广阔。现在g p s 等空间测地 技术不仅可以应用于水库大坝及各种滑坡的精密外观形变监测，而且已经用于研究板块 运动、亚板块运动等问题，这在过去是不敢想象的。g p s 等空间测地技术集成组合应用 于大范围、整体性的地壳运动监测，将使地壳形变观测在空间域的控制能力和分辨能力 方面得到极大的提高，这也为g p s 等空间测地技术用于大型工程的变形监测带来了新 的机遇，为推进高精度变形监测的研究注入新的活力。 1 4g p s 变形监测数据处理方法的现状 在g p s 监测系统中，数据处理的主要工作是观测资料的解算，如g p s 差分求解、 g p s 监测网平差等，以提供高精度、高可靠性的相对位置信息。而数据分析的重点则包 括变形基准的确定，正确区分变形与误差，提取变形特征，并解释其变形成因。 根据变形体的研究范围，可将变形监测研究对象分为全球性变形研究；区域性变形 研究；工程和局部性变形研究3 类。 根据被监测对象的特点，存在3 种不同的作业和监测模式：周期性重复测量、固定 连续g p s 测站阵列和实时动态监测。其中，周期性重复监测是最常用的一种监测模式， 一般采用静态相对定位方式进行数据处理。每一期观测值相当于进行一次相对定位，通 过计算两期间监测点的位置变化( 坐标差) 来测定变形量。对于小范围内的监测网，有 时也采用快速静态定位方式进行数据处理。固定连续g p s 测站阵列是在一些重点或关 键地区( 如滑坡危险地段) 或敏感工程建筑物( 如大坝) 布设永久g p s 监测站，在这 些测站上进行连续观测，数据传输到数据处理中心进行处理。由于研究的是缓慢变形， 3 西安科技大学硕士学位论文 因此几分钟甚至几十分钟的数据可以作为一组，采用静态相对定位方式进行处理。实时 动态监测模式主要是实施监测工程建筑物的动态变形，如大桥在载荷作用下的快速变 形。这种监测的特点是数据采样密度高，而且要计算出每个历元的位置。目前，数据处 理主要采用o t f 处理方式：观测开始后用几分钟的观测数据解算整周模糊度，然后用 求得的整周模糊度解算每一历元监测点的位置。 随着g p s 技术在变形监测中的广泛应用，数据处理的方法也日趋多样化。如：静 态数据处理方法；单历元解算方法；动态卡尔曼滤波方法；谱分析方法：小波变换方法； 神经网络方法等。各种方法的基本思想如下： ( 1 ) 静态数据处理方法p j 该方法以每一期观测值作为一次相对定位，通过计算两期之间监测点的位置变化 ( 坐标差) 来测定变形量。其数据处理流程一般是：各期分别采用静态相对定位方式获 得基线向量：然后进行网平差，并对观测质量进行评价和分析，以获得监测点的坐标； 最后，根据监测点的两期坐标差采用统计检验方法确定该坐标差是否是变形量。 在这种方法中，监测网一般由基准点和监测点构成。基准点用于建立监测网的基准， 即保证变形分析在同一基准下进行。监测网首期坐标作为变形分析的基础。在这种数据 处理方式中，存在两个问题需要解决：其一是如何采取有效的方法正确剔除观测值中的 粗差；其二是如何判断基准点是否稳定，如果不稳定，如何采用有效的方法使变形信息 不受基准点变化的影响。 剔除观测值中的粗差，可以采用两种方法来实现，其一是统计检验粗差探测方法； 其二是抗差估计方法。对于粗差探测方法，是一种传统的方法，对独立观测值具有较好 的效果，但对相关观测值及在多粗差的情况下，其效果较差1 4 j 。抗差估计方法是近年来 发展起来的一种估计方法，其主要目的在于克服观测值中的粗差对参数估计的影响，并 可对粗差进行近于实际的估计。国内外众多学者1 3 儿5 。1 3 j 对抗差估计进行了深入地研究， 构造了多种抗差估计模型。 对于周期性观测的监测网，基准点的稳定性问题是变形分析中的另一个主要问题。 为建立稳定的变形分析基准，应根据监测网中有无稳定的基准点来选择相应的平差方 法。g p s 监测网中有远离形变区域的稳定的基准点，在各期进行静态平差时，可以选定 一个共同的基准点作为位置基准进行g p s 网的经典自由网平差，对应的变形分析基准 为固定基准；当g p s 监测网点均位于形变区域内时，应采用秩亏自由网平差。此时， g p s 网的位置基准为各网点近似坐标的平均值，即为网的重心基准，该基准在平差后是 不变的；如果在g p s 监测网中，有一部分点相对于另外一部分点是稳定的，则可采用 拟稳平差方法进行数据处理，其位置基准为稳定点的重心坐标，该重心坐标平差前后是 保持不变的。采用不同的基准所对应的位移场( 变形量) 不刚1 4 j ，而实际上变形量是唯 一的。对于局部范围的变形监测而言，一般以采用固定基准为宜。为保证选取的基准点 4 1 绪论 是稳定的，除在布点的时候要考虑地质条件因素以外，在数据处理过程中，也需要采取 一定的措施对基准点的稳定性进行检验【1 4 儿”】。但是有时在监测区域附近很难找到稳定的 基准点( 如在矿区进行变形监测) ，采用固定基准进行变形分析时，如果基准点发生了 位移，若不加处理则无疑会导致变形分析的结果失真。但如果能采用一定的数据处理方 法，探测到基准点位移量的大小，然后从变形分析结果中移去该位移量，则仍能保证变 形分析结果的正确性。 ( 2 ) 单历元解算方法l j j 对于动态定位，近年来国内外专家主要研究了整周模糊度的在航求解方法( o t f ) ， 并提出了多种o t f 方法。在o t f 方法中，周跳的探测与修复是一个重要的问题。为了 从根本上解决该问题，国内外一些学者提出了单历元解算模糊度的方法。1 9 9 3 年c r o s s 等 提出了单历元快速模糊度解算的初始设想【1 6 1 ，随后c o r b e t t 等对这一设想进行了发展【1 7 1 1 1 引。 该方法的基本思想是：首先确定g p s 点的近似坐标( 要求与精确值之差不超过2 m ) ； 第二，选择p o d p 值最小、几何图形最优的4 颗卫星为基本卫星星座，采用l 1 载波建 立3 个双差方程。用近似坐标解算3 个双差模糊度的实数解，并按四舍五入方法固定为 整数，取5 周的变化构成搜索空间( 共1 3 3 1 组模糊度) 。对所有的模糊度组合，利用 双差方程计算出相应的坐标；第三。根据计算的坐标，利用所有的测站、所有卫星的 l l ，l 2 观测值计算模糊度函数值。将模糊度函数值大于一定数值的模糊度筛选出来， 构建新的模糊度搜索空间；第四，在新的模糊度搜索空间中，根据双差方程，采用最小 二乘估计方法计算残差平方和，然后采用f 检验确定正确的模糊度。实验表明，对于小 于l k m 的基线，单历元j 下确解算模糊度的成功率为1 0 0 ，但当基线较长时成功率有所 下降。 陈永奇于1 9 9 6 年研制了一种基于双频单历元观测的g p s 变形监测数据处理软件， 其单历元解算模糊度的基本思想州与上述方法相同，但在搜索正确的模糊度时，采用了 基于模型可分离度的检验方法，以提高模糊度正确解算的成功率。熊永良等也提出了一 种基于双频单历元观测的模糊度解算方法以处理g p s 变形监测数据，其基本思想【2 l j 仍 然与上述方法一样，但对于不同变形特征的监测对象，在单历元解算模糊度时实施不同 的约束条件，以提高模糊度正确解算的成功率和速度。 对于高精度g p s 实时监测来说，c o r b e t t 、陈永奇和熊永良提出的方法，从理论上 来说都有其广阔的应用前景，不过后一种方法仅适用于主要变形特征能预知的监测对 象。用于变形监测来说，这些方法的本质仍然是在解算基线向量。在这些方法中，4 颗 基本定位星座的选择是至关重要的，对单历元解算模糊度的正确性具有较大的影响，同 时要求所有测站上都具有l 1 载波观测值。当监测环境较差时，这些条件可能难以满足。 单历元解算方法，虽然避免了周跳的探测与修复，但模糊度的结算仍然是保证定位精度 的一个关键问题。另外由于要采用搜索算法和统计检验来选择正确的模糊度，因此在响 5 西安科技大学硕士学位论文 应速度上仍不是最佳的方案。基于此，徐绍锉于2 0 0 1 年提出了一种g p s 变形监测信息 的单历元解算方法【2 0 】。这种方法，避免了模糊度的解算、周跳的探测与修复，不解算基 线向量，直接从载波相位观测值中提取变形信息该方法适用于周期性重复测量、固定连 续g p s 测站阵列和实时动态监测等三种监测模式的g p s 监测网。 ( 3 ) 动态卡尔曼滤波方法p 1 对于局部地区周期性重复测量的g p s 监测网，若将监测点看作是动态变化的，则 可以采用k a l m a n ( 卡尔曼) 滤波方法进行数据处理。 k a l m a n ( 卡尔曼) 滤波方法的关键思想是：状态变量的引入：建立状态方程和 观测方程；用射影方法求最优滤波器。k a l m a n 滤波器给出了一套容易在计算机上实 时实现的最优递推滤波算法，适合处理多变量系统和时间系统，适合处理非平稳随机过 程。 但是卡尔曼滤波理论对动态系统提出了严格的要求，即要求系统噪声和观测噪声为 零均值白噪声。这一条件在实践中往往难以满足，致使滤波结果失真。在g p s 监测网 观测过程中，由于受到周跳、整周模糊度解算误差及多路经效应等的影响，致使基线向 量中可能含有粗差。当采用标准卡尔曼滤波模型的结果进行变形分析时，则不可避免的 导致变形分析结果的失真。因此，采用卡尔曼滤波动态处理g p s 监测网数据时，如何 克服观测粗差对滤波结果的影响，从而保证变形分析结果的正确性，是我们必须要考虑 的问题。栾瑞吲2 2 1 ，张华海等2 3 1 ，余学祥等口4 1 对此方法应用于变形监测数据处理领 域进行了有益的研究。 ( 4 ) 谱分析方法【1 1 动态变形分析既可以在时间域进行，也可以在频率域进行。频谱分析方法是将时间 域内的数据序列通过傅立叶( f o u r i e r ) 级数转换到频率域内进行分析，它有利于确定时 间序列的准确周期，并判别隐蔽性和复杂性的周期数据。频谱分析法用于确定动态变形 特征是一种常用的方法，尤其是在建筑物结构振动监测方面被广为采用。但是，频谱分 析法的苛刻条件是数据序列的等时间间隔要求，这为一些工程变形监测分析的实用性增 加了难度，因为对于非等间隔时间序列进行插补和平滑处理必然会带入人为因素的影 响。 ( 5 ) 小波变换方法【l 】 诞生于2 0 世纪8 0 年代末的小波分析理论，是一种最新的时频局部化分析方法，被 认为是自傅立叶分析方法后的突破性进展。将小波变换用于g p s 动态变形分析克服了 经典傅立叶分析不能描述信号时频特征的缺陷，利用小波变换的多分辨率特性，实现了 g p s 动态监测数据的滤波、变形特征信息的提取以及不同变形频率的分离，可望有效的 求解变形的非线性系统问题。但是这一研究领域刚刚起步，在变形分析方面尚无实质性 的研究成果。第2 l 届i u g g 大会“小波理论及其应用”被i a g 确定为大地测量新理论的 6 1 绪论 研究方向之一。在1 9 9 9 年召开的第2 2 届i u g g 大会上，“小波理论及其在大地测量和 地球动力学中的应用”再次被l a g 确定为g i v 分会( 大地测量理论与方法) 的新的研究 小组。可见，开展小波理论及其应用研究的重要性。从目前的应用研究来看，虽然小波 分析要求大子样容量的时间序列数据，但是，长序列数据可从g p s ，t p s 等集成的自动 化监测系统中得到保障。小波分析为高精度变形特征提取提供了一种数学工具，可实现 其它方法无法解决的难题，对非平稳信号消噪有着其它方法不可比拟的优点。因此，小 波分析理论在g p s 变形监测( 尤其是动态变形监测) 的数据处理与分析方面将可发挥 巨大的作用。 1 5 本文研究的主要内容 随着科学技术的进步和对变形监测的要求的不断提高，变形监测技术也在不断地向 前发展。目前，g p s 以其连续、实时、高精度、全天候测量和自动化程度高等优点，在 g p s 技术在变形监测领域的应用越来越广泛。然而，g p s 技术在变形监测方面的应用也 存在不足和局限性。因此，本文主要进行了以下的工作： ( 1 ) 分析总结了影响g p s 变形监测的各种误差以及减少误差的各种方法； ( 2 ) 介绍了g p s 定位系统的特点及基本定位方法等基本理论，总结了应用g p s 技 术进行变形监测的优点与不足以及g p s 技术用于变形监测的作业模式、测量方法和变 形监测网的技术设计； ( 3 ) 阐述了g p s 变形监测的数据处理，介绍了g p s 变形监测数据处理技术的现状 及发展，对各种处理技术的优劣进行了比较； ( 4 ) 阐述t d , 波变换的基本理论和方法，在m m l a b 中实现小波变换，将小波理论 应用到g p s 变形监测的数据处理当中，并结合地壳形变监测实例，从缺损数据的补全、 粗差的探测及数据的去噪等方面对g p s 变形监测数据进行了处理。 7 西安科技大学硕士学位论文 2g p s 变形监测技术 2 1g p s 定位系统的特点 g p s 作为一种导航定位系统，以其高精度、全天候、高效率、多功能、易操作、应 用广等特点著称。 ( 1 ) 定位精度高 目前，g p s 测量基线的精度己经由过去的1 0 - 6 - 1 0 - 7 提高到1 0 。8 1 0 一，而g p s 静 态相对定位的精度也提高到了毫米级甚至亚毫米级，尤其是高程精度也达到了毫米级。 g p s 实时动态定位精度也有显著性的突破，可以达到厘米级的定位精度，可以满足各种 工程测量的要求。大型建筑物、构筑物变形监测，在采用特殊的观测措施、精密星历和 适当的数据处理模型和软件后，平面精度可达亚毫米级，高程精度可稳定在l m m 左右。 ( 2 ) 观测时间短 随着g p s 系统的不断完善，软件水平的不断提高，观测时间已由以前的几小时缩 短至现在的几十分钟，甚至几分钟，目前采用静态相对定位模式，观测2 0 k m 以内的基 线所需观测时间，对于双频接收机仅需1 5 2 0 m i n ；采用快速静态相对定位模式，当每 个流动站与基准站相距在1 5 k m 以内时，流动站观测时间只需l 2 m i n ；采取实时动态定 位模式，流动站出发时观测1 2 m i n 进行动态初始化，然后可随时定位，每站观测仅需 几秒钟。因而用g p s 技术建立控制网，可以大大提高作业效率。 ( 3 ) 测站间无需通视 经典测量技术均有严格的通视要求，必须建造大量的规标，这给经典测量的实施带 来了相当的困难。g p s 测量只要求测站上空开阔，与卫星间保持通视即可，不要求测站 之间互相通视，因而不再需要建造规标。这一优点既可大大减少测量工作的经费和时间 ( 一般造标费用约占总经费的3 0 5 0 ) ，同时也使选点工作变得非常灵活，完全可 以根据工作的需要来确定点位位置，也可省去经典测量中的传算点、过渡点的测量工作。 ( 4 ) 仪器操作简便 随着g p s 接收机的不断改进，g p s 测量的自动化程度越来越高，有的己趋于“傻瓜 化”。在观测中测量员的主要任务只是安置仪器，边接电缆线，量取天线高和气象数据， 监视仪器的工作状态，而其它观测工作，如卫星的捕获，跟踪观测和记录等均由仪器自 动完成。结束测量时，仅需关闭电源，收好接收机，便完成了野外数据采集任务。如果 在一个测站上需作较长时间的连续观测，有的接收机还可以实行无人值守的数据采集， 通过数据通讯方式，将所采集的数据传送到数据处理中心，实现全自动化的数据采集与 处理。另外，现在的接收机体积也越来越小，相应的重量也越来越轻，使得携带和搬运 8 2g p s 变形监测技术 都很方便，极大地减轻了测量工作者的劳动强度，也使野外测量工作变得轻松愉快。 ( 5 ) 全球全天候定位 g p s 卫星的数目较多，且分布均匀，保证了全球地面被连续覆盖，使得地球上任何 地方的用户在任何时间至少可以同时观测到4 颗g p s 卫星，可以随时进行全球全天候 的各项观测工作，般除打雷闪电不宜观测外，其它天气( 如阴雨下雪、起风下雾等) 均不受影响，这是经典测量手段望尘莫及的。这一特点，保证了变形监测的连续性和自 动化。 ( 6 ) 可提供全球统一的三维地心坐标 经典大地测量将平面与高程采用不同方法分阶段别施测，而g p s 测量可同时精确 测定观测站平面位置和大地高程。目前g p s 可满足四等水准测量的精度。g p s 测量的 这一特点，不仅为研究大地水准面的形状和确定地面点的高程开辟了新途径，同时也为 其在航空物探、航空摄影测量及精密导航中的应用，提供了重要的高程数据。另外，g p s 定位是在全球统一的w g s 8 4 坐标系统中计算的，因此全球不同地点的测量成果是相互 关联的。 ( 7 ) 应用广泛 随着g p s 定位技术的发展，其应用的领域在不断拓宽，g p s 技术可应用于国民经 济的各个领域。目前，在导航方面，它不仅广泛地用于海上、空中和陆地运动目标的导 航，而且在运动目标的监控与管理，以及运动目标的报警与救援等方面，也已获得成功 地应用；对于测绘行业而言，g p s 定位系统己应用于：大地测量、地籍测量、航空摄影 测量、海洋测绘、地壳板块运动监测，建立各种工程监测网和进行各种工程测量等。g p s 技术在工程测量中的应用有着广泛的前景，特别是自动变形监测系统、工程施工的自动 控制系统是未来应用研究的重要方向之一。 2 2g p s 测量定位理论基础 2 2 1g p s 测量定位原理 g p s 观测量，是用户利用g p s 定位的重要依据之一。利用g p s 定位，无论用何种 方法，都是通过观测g p s 卫星获得的某种观测量来实现的。g p s 卫星信号含有多种定 位信息，根据不同的要求，可以从中获得不同的观测量。目前在g p s 定位测量中，广 泛采用的观测量为码伪距和载波相位。 ( 1 ) 码伪距观测方程 所谓码相位观测，是指对g p s 卫星发射的测距信号( c a 码或p 码) 到达用户接 收机天线( 观测站) 的传播时间进行观测的方法。因此这种观测方法，也称为时间延迟 测量。时间延迟量乘以光速，即为所测卫星发射天线至用户接收机天线之间的几何距离。 9 西安科技大学硕士学位论文 但实际上，要使卫星钟和接收机钟保持严格同步是难以实现的，通过码相位观测所确定 的卫星至观测站的距离，都不可避免地会含有卫星钟和接收机钟非同步误差以及大气折 射的影响。这种距离并非真正的几何距离通常称为测码伪距，简称为伪距。它是g p s 定位的一种基本观测量，其观测方程的常用形式为： = c ( z t j ) = c ( 弓+ 死+ 兀，+ 瓦) 一( 弓+ i ，) ( 2 17 其中：卜为光速； z 接收机收到信号时的钟面读数； 丁卫星在该信号反射时的钟面读数； 乃卫星信号发射时刻的g p s 系统j 下确时间； 信号在真空中运行的时间，为真空几何距离； 兀，由于空气中有电离层、对流层介质而产生的延迟时间： 乇用户接收机钟与g p s 系统确定时间的偏差； 瓦卫星钟与g p s 系统正确时间的偏差。 接收机的复制码与其接收的相应码的相关精度，约为码元宽度的1 。对c a 码来 说，由于其码元宽度约为2 9 3 m ，所以其观侧精度约为2 9 3 m i 而p 码的码元宽度约为 2 9 3 m ，其观测精度约为0 2 9 3 m ，比c a 码的观侧精度高1 0 倍。一般导航型、手持型 接收机定位要求不是太高，都采用伪距观测。 ( 2 ) 载波相位测量观测方程 载波相位观测，是对接收机接收到的具有多普勒频移的载波信号，与接收机产生的 参考载波信号之间的相位差进行观测。由于接收机钟不能与卫星钟严格保持同步，通过 载波相位观测所确定的卫星至观测站的距离，都不可避免地会含有钟差的影响，这种距 离称为测相伪距，又称载波相位观测量。 载波相位观测量方程为： 肿j ，) = 以，) + c 【4 f ( f ) 一以，) ) + i 硕，) + i 砷) 一无：；u ( 2 2 ) 其中：名载波波长： 4 ，( f 1 接收机钟在观测历元t 相对理想g p s 时的钟差； 吲，) 卫星钟在观测历元t 相对理想g p s 时的钟差； i 卿) 观测历元t 电离层折射对卫星载波信号传播路径的影响： 1 0 2g p s 变形监测技术 ) 观测历元t 对流层折射对卫星载波信号传播路径的影响； j v ：； ，0 ) 相应起始观测历元t o 载波相位差的整周数； ：，1 载波相位的实际观测量。 载波相位的观测精度远较码相位的观测精度高。例如，对载波l l 而言，其波长为 1 9 c m ，相应的观测误差约为1 9 r a m ，它是g p s 精密定位里重要的基本观测量。但是， 载波相位观测的主要问题是，它无法直接测定卫星载波信号在传播路线上相位变化的整 周数，因而存在整周不定性问题。另外，在接收机跟踪g p s 卫星进行观测的过程中， 常常由于多种原因产生整周跳变现象。虽然有关载波相位整周不确定性问题，通常可以 通过数据处理适当地解决，但使数据处理变得非常复杂。 2 2 2g p s 测量方式 g p s 定位的方法是多种多样的，用户可以根据不同的用途采用不同的定位方法。 g p s 定位方法可依据不同的分类标准，作如下划分： ( 1 ) 根据定位所采用的观测量分为伪距定位和载波相位定位； ( 2 ) 根据定位的模式分为绝对定位( 单点定位) 和相对定位( 差分定位) ； ( 3 ) 根据获取定位结果的时间分为实时定位和非实时定位； ( 4 ) 根据定位时接收机的运动状态分为动态定位和静态定位。 对于g p s 用于变形监测，为了获得高精度的测量结果，一般采取测相伪距静态相 对定位，同时按照工程建筑物的重要性，确定是否需要进行实时的测量。 2 3g p s 测量的误差分析 g p s 测量的误差来源于g p s 卫星、卫星信号的传播过程和地面接收设备。在高精 度的g p s 测量中，还应考虑与地球整体运动有关的地球潮汐、负荷潮及相对论效应等 若根据误差的性质，上述误差可分为系统误差和偶然误差两类。偶然误差主要包括信号 的多路径效应及观测误差等：系统误差主要包括卫星的轨道误差、卫星钟差、接收机钟 差以及大气折射误差等。 系统误差远大于偶然误差，它是g p s 测量的主要误差源。同时系统误差有一定的 规律可循，根据其产生的原因可采取不同的措施加以消除或减弱。主要的措施有：a 、 建立系统误差模型，对观测量进行修正；b 、引入相应的未知参数，在数据处理中同其 他未知参数一并求解；c 、将不同观测站对相同卫星进行的同步观测值求差。下面对影 响观测量的主要三类误差来源作简单介绍。 西安科技大学硕士学位论文 2 3 1 与卫星有关的误差 ( 1 ) 卫星钟差 钟的性能由其振荡器的频率稳定性来表示，g p s 卫星上安装的高稳定性的原子钟， 其晶体振荡器的日稳定性优于1 0 一- ，而一