GPS融合静态相对定位用于高精度地面沉降监测的试验与结果分析.pdf

书书书 工程地质学报 （ ） ： 北斗 融合静态相对定位用于高精度地面沉降监 测的试验与结果分析 王 利 张 勤 范丽红 赵 红 吴 丹 田 婕 李毓照 （ 长安大学地质工程与测绘学院 西安 ） （ 西部矿产资源与地质工程教育部重点实验室 西安 ） 摘 要 我国的北斗卫星导航系统（ ， 缩写为 ） 已于 年 月 日正式对亚太大部 分地区提供连续无源定位、 导航和授时服务。为了探讨 融合观测数据用于高精度地面沉降监测的效果和精度情况， 利用 台兼容 和 系统信号的 接收机， 对西安市地面沉降 监测网中的 个监测点进行了复测。通过对连 续观测 以上 个时段观测数据的处理和分析， 结果表明， 相对于单独采用 观测数据进行基线解算而言， 融合了 和 观测数据基线结果的内符合精度大大提高， 水平方向的平均中误差从 改善至 ， 垂直方向的平均中误差从 改善至 ；同时， 监测结果的外符合精度也大大增强， 、 、 方向的平均中误差分别从 、 、 改 善至 、 、 。这说明融合了 观测数据的 静态相对定位可以明显提高高精度地面沉降监测结果 的内外符合精度。 关键词 北斗卫星导航系统 高精度 地面沉降 监测 中图分类号： ， 文献标识码： 书书书 收稿日期： ；收到修改稿日期： 基金项目： 国家自然科学基金（ ， ， ， ） ，国土资源大调查项目（ ， ） ，中 央高校基本科研业务费专项（ ， ， ） 资助 第一作者简介：王利（ ） ， 男， 博士， 副教授， 主要从事 数据处理和变形监测等方面的教学与科研 ： 通讯作者简介：张勤（ ） ， 女， 博士， 教授， 博士生导师， 主要从事动态大地测量与灾害、 环境监测的理论与方法、 与 融合、 现代测量数据处理理论与方法等方面的教学与科研工作 ： （ ， ， ） （ ， ， ） （ ） ， ， ， ， ， ， ， ， ， （ ） ， ， ， 引 言 年 月 日， 我国自主研制的北斗卫星 导航系统（ ， ） 的空间信号接口控制文件 （ ） 正式版公布（ 中国卫星导航管理办公室， ） ， 这标志着 正式对亚太地区提供连续无 源定位、 导航和授时服务。此后， 世界各国的 接收机制造商纷纷开发了兼容 信号的 接 收机。 由于兼容多系统（ ） 信号的 接收机可以为用户提供丰富的导航信 息， 极大地提高卫星导航定位的可用性、 精确性、 完 好性和可靠性（ 杨元喜， ） ， 因此， 该类 接 收机的用途也将更加广泛。 同时， 近期的研究和试验结果表明， 北斗卫星导 航系统的定位、 导航和授时（ ） 服务性能已基本 达到或超过其设计性能指标（ ， ； ， ； ， ； ， ；杨元喜等， ） ， 且 在中国区域内的可 见卫星数一直保持在 颗以上， 北斗伪距和载波测 量精度已与 处在同一水平， 伪距测量精度约为 ， 载波测量精度约为 ， 已完全可采用 观测数据进行高精度导航、 定位和测量（ 高为广等， ； 施闯等， ； 杨元喜等， ） 。 目前， 北斗卫星导航系统已开始应用于滑坡监 测（ 温静等， ） 、 地质调查（ 赵康宁， ） 和减灾 救灾（ 周平根等， ； 罗腾等， ）等领域， 但这 些应用大多利用的是北斗卫星导航系统的通信功 能， 还鲜有在高精度地质灾害监测领域的应用和测 试结果。为了探讨 融合观测数据用于高 精度地面沉降监测的效果和精度情况， 作者利用 台兼容 和 系统信号的 接收机， 对西 安市地面沉降 监测网中的 个监测点进行了 复测。通过对连续观测 以上 个时段观测数据 的处 理 和 分 析， 发 现 融 合 了 观 测 数 据 的 静态相对定位可以明显提高高精度地面 沉降监测结果的内外符合精度。 地面沉降 监测试验技术方案 目前， 在缓变型地质灾害的高精度 监测 中， 为了得到高精度的测站坐标， 人们大多采用的是 静态相对定位技术。这种技术通常采用 接收 机接收到的载波相位观测值作为高精度数据处理的 基本观测量， 并且需要采用多台 接收机按照 预先设计好的网形进行长时间同步观测。因此， 本 次地面沉降 监测试验也采用静态相对定位技 术， 数据处理采用 公司的 软件和 （ ）的 软件， 观测试验自 年 月 日开始， 年 月 日结束。 监测布网和观测方案 自 年起， 长安大学采用 卫星定位技 术建立了西安地区地面沉降地裂缝 监测网， 并 开展了定期监测工作， 监测获取了高精度、 准确的西 安地区地面沉降地裂缝的年度变形数据（ 张勤等， ， ， ） 。这些监测点和监测数据可以 为本次试验提供便利条件和参考信息。 基于西安地区原有的高精度地面沉降 监 测网， 本次试验从该网中选择了 个具有代表性的 监测点， 这些监测点全部为具有强制对中装置的观 测墩， 监测点之间的基线长度从几十米至几十千米 不等 （ 图 ） 。同时， 这 个监测点的观测环境也各 不相同， 有好有差， 具有充分的代表性。 野外观测采用了兼容 观测数据的 接 工程地质学报 收机和天线， 其型号分别为：台 型 接收机， 台 型 接收机， 以及 个能够接收 卫星信号的 型 扼流圈天线。 图 地面沉降 监测试验网网点分布图 本次试验设计共观测 个时段， 各时段的观测 点名称如下： 第 时段： ， ， ， ， 第 时段： ， ， ， ， 第 时段： ， ， ， ， 第 时段： ， ， ， ， 构网时保持各时段之间均有 个公共点相连， 每时段观测时间长度为 ， 观测数据采样间隔为 。其中， 第 时段在晚间进行观测， 第 时段 在白天观测， 且第 、 时段的网形完全相同。 数据处理方案 为了研究融合了 观测数据的 静 态相对定位技术在地面沉降监测中的应用效果， 对 本次监测试验的 观测数据采用如下 种方案 进行处理： 方案 ： 从原始观测数据文件中提取出 观 测数据， 形成仅包含 观测数据的 格式文 件， 利 用 的 高 精 度 数 据 处 理 软 件 和 （ ） 发布的精密星历对 观测数据进行基线解算， 简 记为 ； 方案 ： 利用 软件， 单独对 观测数据 进行基线解算， 简记为 ； 方案 ： 利用 软件， 对 和 组合观 测数据进行联合基线解算， 简记为 。 将上述 个观测时段形成的 个观测数据文 件和广播星历文件导入相应的软件， 分别进行计算， 共得到 条基线， 然后对基线解算结果进行对比和 分析。 测试结果与分析 本试验按上述 种方案完成数据处理工作之 后， 以方案 中 软件的计算结果作为参考 值， 将方案 、 方案 的计算结果与方案 的结果进 行对比、 分析， 以研究北斗卫星导航系统在高精度地 面沉降监测中的实际应用效果。 基线结果的内符合精度分析 由 个观测时段获得的全部 条基线的中误 差及其平均值 （ 表 和图 、 图 ） 可以反映基线结 果的内符合精度情况。上述图表中均按 种基线处 理方案分别进行精度统计。 书书书 表 基线的内符合精度统计结果 方向解算方案 中误差 最大值最小值平均值 水平方向 垂直方向 图 基线水平方向的精度 从上述图表中可以很明显地看出， 除去与个别 观测环境较差的点相连的基线之外， 大部分基线结 （ ） 王 利等：北斗 融合静态相对定位用于高精度地面沉降监测的试验与结果分析 图 基线垂直方向的精度 果水平方向的中误差在 以内， 垂直方向的中 误差在 以内， 且基线的精度与基线长度相关 性不强， 某些 以上的长基线的精度比短基线 的精度还要高；而融合了 和 观测数据的 基线结果的内符合精度大大提高， 水平方向的中误 差平均值从 改善至 左右， 垂直方向的 中误差平均值从 改善至 左右。这说 明北斗观测数据的加入， 对提高基线结果内符合精 度的效果非常显著。 图 融合定位与 单系统定位基线结果的差异 基线结果的外符合精度分析 为了进一步研究基线解算结果的准确性， 还需 要分析其外符合精度情况， 即 组合定位获 得的基线结果与 单系统定位所获得基线结果 的差异。由于 软件在进行基线解算 时采用了严密的数学模型和精密星历， 且该软件与 、 等商业 数据处理软件处理基线结果 的差异可控制在 以内（ 刘紫平等， ； 吴平伟 等， ） ， 处理结果具有足够高的准确性和可靠 性， 因此在分析基线结果的外符合精度时， 均以 软件的计算结果为真值进行统计。表 和 图 给出了由 个观测时段获得的 条基线的外 符合精度情况。 书书书 表 融合定位与 单系统定位基线结果的差异 方向计算方案 中误差 最大值最小值平均值 方向 方向 方向 从上述图表中可以看出， 除去与个别观测环境 较差的点相连的基线之外， 大部分基线结果在 方 向的外符合精度在 以内， 方向和 方向的 外符合精度在 以内；同时还发现， 融合了 和 观测数据的监测结果的外符合精度得 到了较大幅度的提高， 方向的平均中误差从 改善至 左右， 方向的平均中误差从 改善至 左右， 方向的平均中误差从 改善至 左右。 观测时间对基线结果的影响分析 在高精度地面沉降 监测中， 外业观测时 间长短是影响定位结果精度和可靠性的重要因素。 因此， 为了研究采用 单系统和 双系 统融合定位时观测时间长短对基线结果的影响， 分 别给出了不同观测时段长度对基线结果的影响， 即 不同观测时间段下（ 、 、 、 、 ） ， 采用 种 计算方案所获得的基线结果在水平方向和垂直方向 上的精度变化情况 （ 图 、 图 ） 。 工程地质学报 图 不同观测时段下基线水平方向的精度 ； ； ； ； 从图 和图 中可以看出， 无论是水平方向， 还 是垂直方向， 基线结果的精度与观测时段长短密切 相关， 以上的观测时间基本可以使所有基线水 图 不同观测时段下基线垂直方向的精度 ； ； ； ； 平方向的精度控制在 以内、 垂直方向的精度控 制在 以内；相反， 如果观测时间少于 ， 对 于个别观测环境较差的点（ 主要受多路经效应的影 响） ， 其精度则难以保证。因此， 在高精度地面沉降 监测过程中， 即便是采用了兼容多系统观测数据的 （ ） 王 利等：北斗 融合静态相对定位用于高精度地面沉降监测的试验与结果分析 接收机和天线， 长时间的静态观测仍然是获 取高精度定位结果的一个关键环节， 观测时段长度 仍然不能低于 。 同时， 从图 中还可以看出， 观测结果中有 条基线的精度显著降低， 反而低于 观测结果的 精度， 图 中也有类似的结果， 但不太明显。分析其 原因， 发现在这 条基线中， 有 个监测点都位于马 路边上， 观测时（ 上午 点） 正处于交通 高峰期， 此时马路上的车流量逐渐增大， 从而导致了 观测数据质量的降低；而且由于车辆大部分 是沿马路行驶， 因此主要影响水平方向观测结果的 精度。 结论和建议 为了研究北斗卫星导航系统（ ） 在高精度地 面沉降监测中的应用效果， 作者于 年 月 日至 年 月 日， 利用兼容 和 信号 的 接收机在汾渭盆地西安地区地面沉降监测 网点上进行了北斗 融合静态相对定位用于高 精度地面沉降监测的首次测试。 通过对基线结果的分析， 可以发现： （ ） 融合了 和 观测数据的基线结果 的内符合精度得到提高， 水平方向的中误差平均值 从 改善至 左右， 垂直方向的中误差平 均值从 改善至 左右。 （ ） 融合了 和 观测数据的监测结果 的外符合精度也得到了较大幅度的提高， 、 、 方 向的外符合精度平均值分别从 、 、 改善至 、 、 。 （ ） 基线结果的精度与观测时段长短密切相 关， 以上的观测时间基本可以使所有基线水平 方向的中误差控制在 以内、 垂直方向的中误差 控制在 以内， 即便是采用了兼容 和 观测数据的 接收机和天线， 长时间的静态观 测仍然是获取高精度定位结果的一个关键环节。 （ ） 融合了 观测数据的 静态相 对定位可以明显提高高精度地面沉降监测结果的 内、 外符合精度， 完全可在高精度地面沉降监测中采 用该类观测数据和方法。 由于观测数据有限， 本次测试仅仅分析了 以及 融合观测数据对基线解算结果的影 响， 对于 和 观测数据在准确探测地面沉降 和地裂缝变形量方面的效果， 还需要进行更多的试 验和测试。 致 谢 感谢天宝中国研发中心（ 西安） 总经理秦 新华博士为本次试验提供了兼容 信号的 接收机和扼流圈天线。 参考文献 （ ） ， ， ， ， ， （ ） ： ， ， ， ： ， ， ， ， ， ， （ ） ， ： ， ， ，（ ） ： ， ， ， ： ，（ ） ： ， ， ， ， ， （ ） ： ， ， ， ， （ ） ： ， ， ， ： ， （ ） ： ， ， ， ， （ ） ： ， ，（ ） ： ， ， ， ： ， （ ） ： ， ， （ ） ： ， ， ， 工程地质学报 ， （ ） ： ， ， ， ， （ ） ： ， ， ， ， （ ） ： ， （ ） ： ， ， ， ，（ ） ： 高为广，苏牡丹，李军正， 等 北斗卫星导航系统试运行服务 性能评估 武汉大学学报（ 信息科学版） ， （ ） ： 刘紫平，余代俊，惠海鹏 几款商用 数据处理软件基线解 算结果比较分析 矿山测量，（ ） ： 罗腾，白征东，过静臖，等 基于北斗卫星系统的地质灾