基于北斗的GNSS高边坡实时监测系统开发与应用研究文献综述

 2022-10-08 12:04:30

文献综述(或调研报告):

1、引言

近年来,我国高速公路的建设日益增长,随之带来的是日益突出的防护需要。在特殊地形进行人工开挖,有时为了满足对线形和道路走向的特定要求,不可避免地形成了高边坡。高边坡失稳轻则阻塞交通、导致财产损失,重则造成人员伤亡,给生产生活带来极大的安全隐患。因此,开发有效的高边坡实时监测系统,是对公路高边坡灾害进行有效监测和预警,减少公路边坡灾害造成的经济损失的迫切需求。

随着卫星导航定位系统的快速发展,可用的观测卫星数量越来越多,卫星数据中包含的频段也在逐步增加,尤其是北斗三代卫星已经向全球提供服务,这为导航定位技术的发展带来了很多的机遇。

目前基线解算所采用的技术为差分技术[1-4],站星间的二次差能够消除卫星钟差,接收机钟差等未知数,当基线长度较短时还能消除大气延迟[5]。传统的边坡监测系统采用的双差模型为松组合模型模型,且实时监测能力不足。系统间的紧组合模型可以在观测环境较差时增强模型结构、提高解算精度[6],整周模糊度的快速固定方法有单历元双频相关法[7]、OTF[8]法等,同时北斗三号系统能够通过多频信号组合使用等方式提高服务精度,通过近十多年的实践证明,利用GNSS定位技术进行精密工程测量和大地测量,平差后控制点的平面位置精度为plusmn;2mm 1ppm,高程精度为plusmn;4mm 1ppm,可以满足高边坡实时监测的要求。

2、国内外研究现状

目前,国内外许多学者针对不同系统间组合和GNSS动态定位做出了研究,内容涉及不同长度的基线和频率下的各系统组合方案以及单历元、多历元情况下模糊度的快速固定。

1994年,陈永奇提出单历元解算法用于GPS变形数据处理[9],单历元解算指当接收到4颗以上有效卫星时,就可以通过一个历元的观测数据确定整周模糊度,进而计算得到该历元时刻待定点厘米级或亚厘米级精度的坐标,单历元解算法使数据处理不受连续跟踪中断的影响。2003年孙红星提出了单历元解算整周模糊值的双频相关法[7],通过双频相位观测数据的内在关系,在观测值平差值域构建一个整周模糊值误差带,将从初始定位中得到的整周模糊值限制在此误差带内,从而剔除了大多数错误的备选值,使后来创建的模糊值域搜索空间大幅度缩小,并且由于最终搜索空间中元素的“稀疏”特性,使得后来的统计检验有效性大大增强,从而实现了只用一个历元的C/A码和双频相位数据就可以搜索到正确的整周模糊值。针对单历元伪距观测值精度较低、模糊度浮点解精度较差等问题,祝会忠等[10](2011)提出了利用单历元测码伪距观测值和双频载波相位观测值组成双差观测方程解算整周模糊度的方法。采用基于LABMDA方法的逐步解算方法来确定双差相位观测值的宽巷模糊度。确定宽巷模糊度后,可以利用宽巷模糊度值和载波相位观测值,准确解算出L1/L2双差整周模糊度。该方法进行GPS整周模糊度单历元解算具有较高的效率和成功率。2013年,唐卫明等人[11]进行了北斗系统单历元模糊度固定及基线解算,结果表明,对于15km以下的短基线,北斗系统模糊度固定成功率及定位精度基本达到与GPS相当水平,模糊度成功固定率达80%左右,定位精度平面上优于3cm,高程上优于6cm。应当注意,该实验实施时,北斗二号卫星建立尚不完善,北斗三号卫星也没有提供全球服务。

国外学者Alex Parkins[12](2011)指出部分模糊度固定解算比固定观测历元中的所有模糊度具有更高的成功率,并基于此提出了一种新的单历元模糊度固定技术。该方法仅在未能解算所有模糊度时进行,根据特定规则排列所有模糊度,然后依次对每个模糊度进行解算,如果其中一个模糊度得到固定,则将固定的模糊度与来自先前时期的每个模糊度的值“加权”进行比较。如果所有模糊度都固定完成,则接受该子集。Teunissen[13](2014)等从理论上推导了GPS和北斗组合系统相比当个系统在模糊度解算和定位方面的提升,并验证了组合系统在高度截止角为40°时仍然具有较好的定位性能;Odolinski[14](2016)比较和分析了GPS和北斗双系统单频和单系统双频在短基线情况下的模糊度和定位解算性能,结果表明低成本的双系统单频定位显著优于高成本的单系统双频,且更适应复杂的观测环境。

国内外对于GPS、Galileo和BDS-2的多频载波相位组合观测值的研究较为丰富,对于北斗三号的载波相位组合观测值的研究较少。文章[15-18]给出了北斗民用信号B1C、B2a和B3I信号的相关内容。其中,北斗二号B1I信号仍采用原有D1/D2导航电文,北斗三号B1I/B3I信号电文在原有D1/D2导航电文基础上进行了扩展升级,北斗三号B1C和B2a信号则采用了全新设计的B-CNAV1、B-CNAV2导航电文。几类导航电文的速率、编码方案、电文编排结构、播发方式、数据内容等均有所区别。2018年,付伟[19]等人对BDS-3的三频载波相位线性组合观测值进行了详细的理论推导分析[16],基于函数极值法求解了BDS-3三频载波相位组合观测值最优线性组合,并利用北斗三号的实测数据进行长短基线下宽巷/超宽巷双差模糊度解算,验证最优宽巷与超宽巷组合的性能。由于包含GLONASS系统的模型较为复杂,所以在课题中不作讨论。

1996年,国外的丘基卡玛塔铜矿安装并使用了一整套边坡监测系统,通过安置测斜仪、测压计、水温观测井、GPS接收机、伸张计等多种设备,对边坡和露天矿坑进行全面监测。总得来说国外地质灾害监测因为起步较早,各种现代的科技手段已经在系统中得到了深入应用。我国在长江大桥、南浦大桥等几十座大桥上完成搭建或正在搭建实时监测系统,虽然仍然没有达到成熟阶段,但是也取得了丰富的成果。但纵观国内外的实时监测系统,都还没有对北斗三号卫星数据进行处理,相应的精度指标也无从得知。

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