GPS伪卫星组合定位方法在变形监测中的应用上课讲义

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。GPS伪卫星组合定位方法在变形监测中的应用-GPS伪卫星组合定位方法在变形监测中的应用摘要一般情况下有三种伪卫星系统在变形监测中使用，即全球定位系统(GPS)结合伪卫星增强系统，单一伪卫星系统和伪卫星反向定位系统。本文侧重于研究这三种系统的测量结果和分析收集的实验数据。结果表明，螺旋天线的使用可以减少伪卫星的多路径错误。对GPS结合伪卫星系统和单一伪卫星系统的性能评估，证明其适合精确（厘米级）定位。关键词：伪卫星，反向GPS，变形监测1引言全球定位系统（GPS）已经被证明是非常有价值的精密变形监测工具，

2、利用载波相位进行测量。它已被广泛用于测量地壳运动，地面沉降和监测火山活动，以及新建的桥梁，水坝，建筑物和其他结构的监测。当使用全球定位系统进行准确，可用，可靠和完整定位时是非常依赖于卫星的数量和几何分布的。在某些情况下，例如监测城市建设和环境变化时，GPS卫星定位系统的可用性可能不足以满足定位要求。此时可用陆地基站发射类似GPS的信号（称为“伪卫星”或PLS）改变卫星间的几何形状。当有足够的设备支持下，可以完全取代GPS星座。变形监测系统中使用伪卫星的方式一般有三种：i.第一种方式是GPS结合伪卫星(一个或多个)进行增强，这种方式适合于改善现有的GPS星座在进行几何定位时不能达到要求的情况。常

3、见的应用包括飞机精密降落（科布，1997）在定位深层地雷（石鲍威尔，1999年）。ii.在第二种情况下只用单一伪卫星系统完全取代GPS星座。这可以使隧道卫星为基础的变形监测应用延伸在室内，在没有GPS信号的地下或者隧道里依然可以定位。这样的室内导航系统实验室测试结果是肯等人提出的（2000年）。iii.最后一种情况是伪卫星反向定位的变形监测系统，其中一个“星座”的GPS接收机跟踪移动的伪卫星。该系统由数组GPS接收机，一个参考伪卫星基站（或GPS卫星）和一个移动伪卫星。伪卫星反向定位背后的想法是由哈克特等人首先提出（1995年）。该系统的目的是为军用飞机提供精确定位，概念验证被证明用在陆地基站

4、车辆上。更多新的伪卫星反向定位研究已在新南威尔士大学进行（戴等人，2001年，辻井等人，2001）。决定是否在一个反向定位系统中使用增强伪卫星或GPS卫星的结果。本文将集中在上述三个场景中收集的实验数据分析。2实验研究1中所述的GPS结合伪卫星的方式的性能通过三个静态实验进行了调查，在2001年12月进行，新南威尔士大学（UNSW）。IntegriNauticsIN200C(IN200)和全球模拟系统GSS4100(GSS)都使用了伪卫星，连同NovAtelMillennium(NovAtel)和加拿大马可尼公司的Allstar(Allstar)GPS接收机。IN200系统伪卫星在10占空比时

5、开启脉冲模式，以减少干扰和远近问题。对于其输出功率的每个尝试调整，都具有良好的信号信噪比，而且不干扰GPS信号。在GSS伪卫星中没有脉冲功率衰减选项，在必要时它的功率是使用内嵌的放大器来推动的。NovAtel公司和全明星的GPS接收机允许跟踪被分配到各个渠道的特定的PRN码，这是一个使用伪卫星时重要的要求。2.1GPS的增强与伪卫星新南威尔士大学电气工程系（电气工程系）在建筑物的屋顶上进行了实验。IN200和GSS伪卫星分别设置在屋顶上已知位置的永久极。这两个伪卫星相连接到被动天线设置发送PRN码12和32。这些天线垂直安装在自己身边并且天线指向试验区的方向。两个NovAtel接收机用于收集G

6、PS和伪卫星的数据。基准站接收机设置在永久点，与三脚架上的流动站接收器相距约11.4米。图1显示了相对伪卫星和接收机的位置，表1记录近似仰角和两个伪卫星与移动GPS接收机的距离。约收集记录1个小时在1Hz时GPS和伪卫星的数据。在此期间，6个GPS卫星定位系统进行了跟踪。为了调查使用不同的伪卫星天线，把IN200的贴片天线换成10英寸螺旋天线并记录额外20分钟的数据。最后，再收集30分钟没有附加任何伪卫星的数据。这是没有任何的伪卫星干扰所允许的测定流动站坐标的最高精度。在新南威尔士大学使用其开发的软件进行伪卫星和GPS数据基线处理。对于在一个静态的环境中并且没有达到伪卫星测量的最短距离，多路径

7、是占主导地位的错误，且理论上是一个常数。因此使用前需要确定多路径与伪卫星数据相关的位置计算的任何偏差。第一阶段是只有静态流动站接收机并使用GPS数据坐标处理计算数据。然后使用GPS流动站和其SV21伪卫星数据作为参考卫星，用计算机进行载波相位双差残差计算（假设没有长期的偏差）。图中双差残差PL12（GSS），PL32（IN200）和GPSSV3图2A，B，C。SV3的双差残差是典型的高海拔GPS的卫星，平均接近零，但视觉上有一些小的多路径。同样，所有其它GPS卫星双差残差意味着都接近于零。这是从图2AB，这两个伪卫星残差是从零抵消，并有显著的偏差。在视觉上偏差出现常数，剩余的时间序列意味着PL

8、12（GSS）和PL32（IN200）其值分别为-7.0和-42.3毫米。这些偏差值用于数据处理并纠正伪卫星数据。螺旋天线与IN200伪卫星的载波相位双差残差数据也被记录供计算使用。螺旋天线比贴片天线有更多的定向增益模式。图2d显示PL32使用（IN200）双差残差参考GPS卫星14。剩余时间序列的平均偏差为9.7毫米。这是远远小于使用贴片天线的偏差的-42.3毫米。这表明，定向波束螺旋天线，可以帮助减少伪卫星多路径错误。时间序列的标准偏差在图2bD是没有直接的可比性，因为在不同时间收集数据，参考卫星也不同，虽然他们很相似。为了评估单一GPS的性能和GPSPL的定位，单历元的L1载波相位解决方

9、案进行了计算。图3和图4显示单一GPS和GPS-PL的解决方案的水平和垂直方向的错误的系列时间。表2总结了水平和垂直组件和其定位精度值的标准偏差。很显然，垂直分量的精度已提高到一定程度，它们几乎是相同的工作水平。其他的的低海拔伪卫星测量已经大大改进的垂直几何，表现为值VDOP较小（见表2）。有趣的是，GPS的伪卫星解决方案的精度是略微高于单一GPS的，尽管单一GPS在几何水平略有改善。仔细检查水平时间序列的两个解决方案，GPS的伪卫星轻微显下降趋势。这种趋势的原因是未知的，目前正在调查中。在基于GPS的变形监测系统，尤其是伪卫星使用必要的高度组件是可以提供极其宝贵的高精度额外信息。2.2伪卫星

10、定位该实验的目的是研究一个可能被用于变形监测的球定位系统(GPS)结合伪卫星增强系统。在本次测试使用四个伪卫星（两个IN200和两个GSS），所需的最低数量三维定位，加上两个NovAtel接收机。在伪卫星的位置安装伪卫星基站定位系统，是确保良好的几何和良好定位精度的关键。不幸的是这往往在后期难以实现。特别是伪卫星在高仰角的位置通常是最容易出问题的。出于这个原因，选定电气工程系的大楼外的人行道（连同天台）作为试验区是一个很好的选择（见图5）。两个GSS伪卫星（分配PRNS12：32）分别放置在建筑的屋顶永久点上，约30米高地，并连接、双螺旋天线其长度为8或者10英寸。这些都是为直接把伪卫星信号发

11、送到地面上的试验区。此外，两个IN200伪卫星（分配PRNS24）放置在地面并将贴片天线安装在三脚架上。这些都是垂直安装在测试区旁边方向指向天线区。两个NovAtel的GPS接收机被用来收集GPS和伪卫星的数据，所有天线安装在三脚架上。GPS接收机之间的距离约为2.5米，表3总结了海拔从GPS接收机记录伪卫星的近似角度和距离约记录30分钟GPS和伪卫星在1Hz速度时采集的数据，在此期间5个GPS卫星被跟踪。实验结束后一个小时的GPS数据收集使用徕卡系统500GPS接收机作为接收器在地面记录伪卫星位置，并将参考点设在电气工程系建筑的屋顶上。徕卡接收机数据被用来精确的确定伪卫星和GPS接收机坐标。

12、在2.1讨论过，这是必要的多路径偏差伪卫星计算数据。使用的加工坐标，载波相位双差残差使用SV23作为参考卫星单一GPS的伪卫星数据计算。双差剩余时间为4个伪卫星序列图，在图6。剩余时间序列从零一个恒定的偏移，这种偏见可能是由于多。表3总结为每个系列的剩余时间及其标准差的平均值（偏置）。有趣的是，需要注意的是最小的偏差值（1.8mm）的螺旋天线的PL12是，而PL2使用贴片天线的最大偏差值（11.2毫米）。此外，屋顶上的PL12具有最低的标准差，而陆基PL4有最大的。在实验的人有时会走过PL4和GPS之间的视线线接收器。这可以解释的数据峰值和一般随机出现在比较其他伪残差为了评估性能的单一伪卫星定

13、位，单历元载波相位解决方案计算使用的四个伪卫星，的PL12选择作为参考PL。同时固定的GPS接收机和伪卫星，承运人相位模糊的决议不能执行使用一个正常的程序。因此最初的双差载波相位含糊使用该基地的已知坐标确定和流动站接收机。图7显示了伪-只有水平和垂直误差的时间序列L1载波相位单历元定位的解决方案。表4总结，水平和垂直组件，位置的标准偏差稀释精度值。更糟的精度垂直完全是由于贫困几何。如果伪卫星被放置在最佳配置（Dai等，2001），然后更精度可以得到。这清楚地看到该数据峰值呈现残差PL4传播到横向和垂直位置。使用五个可用的GPS数据卫星，单一GPS和GPS-PL的位置计算解决方案。图8和9显示水

14、平和垂直方向的位置误差时间序列，表4总结标准偏差和精度稀释值。单一GPS的HDOP值解决方案是高的（5）在试验开始时，这是由于试验区附近的高楼大厦拦截卫星。高的HDOP的原因水平精度差，在与结果标准偏差为11.5毫米，这是略逊于垂直精度。“精确GPS的-PL结果是最好的，类似的横向和纵向的，因改进的伪卫星信号几何修正。在这个实验中，只有4厘米级单一伪卫星系统定位已被证明伪卫星。当然单一伪卫星定位允许一个基于室内的各种如采矿和隧道的变形应用。为了进行实验如上所述在室内的情况下，则必须解决的时间标签错误。时间标记错误的产生是因为所使用的伪卫星是不同步的GPS卫星定位系统不同，。因此，GPS接收机，

15、记录在同一时间测量，接收订单采样时间必须调整到一个主伪卫星数据电文。这需要一个固件修改的GPS接收机。2.3伪卫星反向定位该实验的目的是评估性能的低成本倒使用伪卫星定位系统。在以前的实验在新南威尔士大学进行（辻井等，2001）六双频率的NovAtel接收机使用。对于这项研究六L1-只有低成本CMC全明星接收机一起使用两个IN200伪卫星。使用两个在本次测试的伪卫星允许PL-only和GPS-PL倒定位方案，而只有后者的情况下，以前的研究。在新南威尔士大学的电气工程系建筑的屋顶上进行实验。供参考伪卫星10英寸的螺旋束天线被安装在一个永久的支柱。这是坐落次要的辅助建筑的屋顶，约4米以上的主要屋顶上

16、。此位置有一个明确的试验区行的视线，约61米了。测试配置区域，如图10所示。为流动站，伪卫星，贴片天线安装3米以上2员工连接到一个木制的铁路主屋顶。PL贴片天线直接面对在屋顶上下来，直接以上的PL天线和GPS接收天线安装朝上。这将提供为流动站PL天线的参考位置。六GPS流动站PL天线周围全明星接收天线安装在三脚架上。至确保良好的定位几何，5GPS天线约间隔同样围绕了一圈，最后在中心直接流动站PL天线天线下方。“参考和流动站PLS被分配伪随机数分别为32和12。约一小时的伪卫星和GPS定位系统（GPS）数据收集在1Hz的速率使用ALLSTAR接收机。不幸的是，由于记录的问题，接收6号全明星数据丢

17、失，所以下面的结果是基于5个接收器。在GPS数据采集网络接收器的位置和使用徕卡系统500GPS接收机流动站GPS天线。徕卡数据被用来确定精确的伪卫星和GPS定位系统（GPS）坐标。如上所述1，有两种特殊情况下，伪卫星反向定位，特点是使用双差分参考伪卫星或GPS卫星选择。数据在这个实验中收集处理两种情况。首先任何多路径偏见相关与伪卫星数据进行了测定。使用徕卡数据计算出的坐标，四载波相位双差分残差计算，使用接收1号参考接收机，既倒的定位情况。GPS-PL残差倒定位（使用SV21的PL12）给出了图11中，而那些在PL-only倒位置（使用PL32和PL12）图12。应当指出，虽然最大和最小y轴值的

18、范围是始终5厘米有时是不同的。意味着（偏差）值和双差残差的标准偏差见表5。在这两个数字的双差残差视觉有恒定的偏差，可能造成特等多径。在GPS接收机2和3的PL情况下，它可以清楚地看到正弦波动。这可能是从GPSSV21多路径，因为没有这种波动在PL-only的情况下（这些视觉上出现更多的随机）。此外，残留物时，只使用伪卫星有更好的精度比GPS-PL，标准偏差值大约一半。进一步探讨多路径特性，载波相位双差残差计算机使用的参考SV21和PL32参考。这些双差残差绘于图13。正如预期的那样，在视觉上的正弦的波动几乎是相同的那些在图11（SV21的PL12），这证实了GPS多路径SV21存在。此外，表5给出的偏置值显示PL32（螺旋天线）参考比较流动站伪卫星多路少的PL12（与贴片天线）。为了评估两个倒定位性能情况下，单历元载波相位解决方案GPS-PL的情况下，计算（使用SV21的PL12）和PL-only的情况下（使用PL32的PL12）。最初的双差载波相位使用已知的决心含糊坐标。图14和图15显示水平和垂直误差的时间序列GPS-PL的PL-倒置定位场景。位置的标准偏差表6给出了在这两种情况下的组件。PL-唯一的精度比GPS-PL的情况下，尤其是在高度组件。更糟在GPSPL的精度情况下纯粹是由于随时间变化GPS多路径上的参考GPS卫星