一种基于GPS导航卫星系统发射信号主要用于地形运动、大型设施以及民用建筑工程监控和测量的系统和方法

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一种基于GPS导航卫星系统发射信号主要用于地形运动、\n大型设施以及民用建筑工程监控和测量的系统和方法\n【技术领域】\n[0001] 本发明涉及一种基于导航卫星系统GPS(全球定位系统)发射信号的测量系统，特别是主要应用于领土的位移和变形(地形的山崩、塌方、自然运动等)以及建筑物、水坝、桥梁、公路、大型基础设施以及民用建筑工程的监控和测量的测量系统。\n【背景技术】\n[0002] 用于监控地形和大型基础设施的系统已经采用了为大地测量应用而开发的技术，因而，最初为科学应用而开发的相对昂贵的接收器，目前已经普遍应用于土木工程以及地形、基础设施的监控活动中。\n[0003] 其结果是，基于GPS系统发射信号的测量系统由于所用设备的高成本原因，其普及和使用受到限制。\n[0004] 目前，测量是利用移动站进行的，移动站在测量周期结束时被转移，并在一个不同于刚才监测地点的站点用于监控工作。测量系统成本的降低使测量站固定网络的创建成为可能，而这将能够提供对于现象监测的时间和空间的全部分析。\n【发明内容】\n[0005] 更具体地说，本发明涉及一种基于GPS系统发射信号用于监控和测量的测量系统，包括：\n[0006] 多个配备有至少一个GPS接收器的测量站；\n[0007] 一或多个基站，用于接收和处理所述多个测量站的测量；及\n[0008] 一网络，用于所述站点之间的通信。\n[0009] 因而本发明的目的在于提供一种基于GPS系统发射信号用于监控和测量的测量系统，从而能够降低所需设备的成本，并使提供用于实时监控的固定监控网络成为可能。\n[0010] 根据本发明，以上目的可通过上述的一种基于GPS系统发射信号用于监控和测量的测量系统而实现，其基本特征在于：\n[0011] GPS接收器是一个工作于单一载波的接收器；\n[0012] 测量站被分割成三角形子网，其中的每一个三角形顶点设有一站点；\n[0013] 基站被配置用于计算基线的长度，该基线通过双差分(doubledifference)连接测量站；以及\n[0014] 所述基站被配置用于实时解法的计算。\n[0015] 在本发明的一个优选实施例中，测量站所用的接收器是工作于单一载波的低成本接收器。\n[0016] 在本发明的进一步优选实施例中，测量站之间的实时通信是通过低成本的无线局域网(WLANs)或者使用工作于2.4GHZ带宽的调制解调器的点对点无线电连接来达成的。\n[0017] 根据本发明，上述主要用于大型基础设施和民用建筑工程的移位和变形的监控和测量的基于GPS系统发射信号用于监控和测量的测量系统，能够降低所需设备的成本，并能够使得这些测量设备大范围地普及，从而以恒定和持续方式用于监控和保护直接环境。\n[0018] 过去，上述的测量系统是科学研究和敏感应用领域独占的专用物，但可以预见，未来监控和探测的能力将结合在基础设备本身之中，但这只有通过低成本系统才有可能实现。\n[0019] 目前由于方案算法的复杂性以及计算机的有限计算能力，用于大地测量的测量系统仍基于数据的后验处理或后处理。由于当今计算能力已经取得巨大的进展，在需要保证系统响应的可靠性和敏捷性的场合下已经可以实施实时应用。\n[0020] 有时一项科学应用能够接受数据处理中的延时，但用于监控一个基础设施的综合系统在其所处的任何条件下都必须能够迅速而可靠地响应。\n[0021] 相比于当前无线电话和卫星导航仪的普及，本发明的解决方案通过以下有利效果，能够保证测量系统的广泛普及：\n[0022] 低成本，使固定监控网络能够普及应用；\n[0023] 测量操作中的高速度；\n[0024] 与测量操作相同的速率实时数据处理；以及\n[0025] 实时通信，使不同测量站中的数据能够存储和共享。\n【附图说明】\n[0026] 以下将配合参照附图对本发明进行详细说明，所提供的这些附图仅只是作为本发明的非限定性实例而已，其中：\n[0027] 图1显示了干涉测量法的基本原理；\n[0028] 图2显示了根据本发明提出的网络几何图的一个实例；\n[0029] 图3显示了一个测量站的体系结构的一个实例；以及\n[0030] 图4特别显示了一个基站的体系结构的一个实例。\n【具体实施方式】\n[0031] 干涉测量法是通过卫星信号进行测量的测地应用中的一项基本技术，干涉测量法的原理如图1所示。\n[0032] 根据图1，两个设在不同位置的天线10接收由卫星20发射的信号S，设定两个天线10之间的距离为D12，通常认为该距离D12为两个天线间的“基线”，可通过如下公式几何地计算出：\n[0033] \n[0034] 其中，λ为波长， 为测量精度，α为卫星20的仰角角度。\n[0035] 从卫星信号中获得的测量值提供两个天线10间的相对距离，并估算出基线D12的长度。由于两个天线10与卫星20之间的距离通常要比基线D12大得多，可以假设由卫星20发射的，同时被两个天线10接收的信号S能被吸收到一个平面波前(plane wave front)。\n[0036] 天线10接收到的两个信号Sa、Sb之间的相位差可由等式(1)得出：\n[0037] \n[0038] 其中，Δφ为卫星和两个天线10之间传播路径差(未知)， 为测量的电相位差，N·λ是波长的整数，用于计算几何距离Δφ，几何距离Δφ用于根据D12计算卫星20的特定仰角α。\n[0039] 在卫星属于GPS系统的特殊情况下，发射信号的载波频率是在带宽L中，也就是\n1575MHz，相应的波长λ≈19cm。在此条件下，可得到一个5mm范围的测量精确度。GPS系统中的卫星发送信号到两个不同的载波L1和L2上，两者都在带宽L内。\n[0040] 对于由载波相位追踪而获得的未解调信号，其周期特性中固有的模糊度(ambiguity)的分辨，是基线D12的长度计算中最大的挑战。\n[0041] 在根据本发明的测量系统中，测量站中所使用的接收器工作于单一载波上，更具体地说，在载波L1上。\n[0042] 第二载波L2的缺省阻止了一种用于分辨载波的技术的使用，这种技术使用一种通过载波L1、L2的载波差获得的虚拟信号，该虚拟信号提供一个大约为384MHz的虚拟载波，相当于波长λ大约为86cm。\n[0043] 对于测量和监控的应用，关于固定基线的约束缓和了问题，由于在测量的一开始模糊度(ambiguity)问题就可以得以分辨，此计算结果在后续的测量中也可以使用。\n[0044] 然而，由于GPS接收器中生成的本地编码与卫星发射信号的载波之间的校正(alignment)临时性丢失而产生的误差(也可理解为载波追踪回路锁闭的缺乏)、由电离层突发散射(闪烁)所引起的误差、或者由卫星发射器上的振荡器故障引起的相位误差，要求对模糊度(ambiguity)进行持续控制，以防止在两个信号之间的相位差Δφ测量方案中出现诸如整数量波长的错误。此外，其目的也是为了阻止所述错误在计算基线D12长度时可能循环产生出更多误差。\n[0045] 的物理测量方法，与以前不同的是，它优先联合到信号的接收功率、热噪声、天线和接收器的噪声指数、接收器的载波相位锁闭环的带宽(即同样结合于环的运行，和相同的噪声带宽)，以及在GPS接收器内的本地振荡器频率上的稳定性上。\n[0046] 考虑上面所有的参数，一个典型的新型接收器能够恢复载波相位，该载波相位叠加了一个均方误差5mm的噪声，主要是带宽1Hz的热噪声，该热噪声在频率上适合用于实时测量应用。\n[0047] 两个接收器形成一个带有非连接元件的干涉仪，其中的两个本地振荡器相互独立，这使得测量变得更加困难。在基线长度值的计算中，需要恢复两个振荡器之间的相位差和频率差。\n[0048] 一般而言，接收器需要有一个以上的卫星，以便能够写出一个方程组，方程组的解决定所有现存的未知数值。\n[0049] 导航信号是大地测量的理想信号，只要导航信号是由非常稳定的信号源产生的，例如由卫星上的原子时钟(铷、铯振荡器)产生的，并准确知道发射器的位置。\n[0050] 导航信号一般用于伪距离(其称之为准范围)计算，伪距离由载波上调制的限制长度的准随机编码(PRN)导出。伪距离代表着在卫星发射的编码和接收器内产生的本地参考编码之间的相关性基础上进行的距离测量。\n[0051] 这种伪随机编码的光谱特性使其成为用于卫星导航接收器的位置判断的理想编码。\n[0052] 在基于载波相位测量来确定天线位置时，其中一个问题是关联到载波循环的整数N，此整数N用于等式(1)中的总相位Δφ，或者换句话说，用于等式(1)中的N·λ项。\n[0053] 然而，在大地测量中，可以利用这样的事实，即天线是准静止的，或者在低动态下运动，从而设定天线的一个名义上的位置，并因此限定分辨中Δφ的初始偏差不大于λ，从而能够获得对模糊度的一个先验分辨。\n[0054] 同时，通常需要有一个必要的校验，即所述假设在数据处理上是正确的(首先，尽可能地去补偿在相位测量(循环疏忽)中由单个接收器导致的连续性的不足)，即使在由大量单个基线形成的网络上，所述假设可以大大降低计算时间，允许实时基线方案。\n[0055] 这里所说的方案能够处理基于天线标称(nominal)位置的先验知识的单个基线上数据，用于降低计算的复杂性以及同时减轻相位测量中模糊性分辨的问题，相位测量与单个载波(L1)的操作相关。\n[0056] 为分辨模糊性问题而假设天线一个标称位置的情况不应当考虑方案中无限时期的一个常数。假设构成网络的天线不是静态的，而是以低动态运动的，这就是需监控的现象。因此，在年或者月的间隔中，由起始时间t0决定的天线坐标xi(t0)在时间t1处可能会处在一个不同的位置xi(t1)，这里t1＞t0。\n[0057] 因而，在较长的时间间隔内定时地重新校准天线的标称位置是非常必要地，相应地，还需要定时重新校准测量网络的数据点的标称位置。\n[0058] 因此，天线的标称位置被认为是一个非静态、低动态的变量，偶尔或者持续的被更新。但天线的标称坐标的评估过程的时间常数τ却比监控现象的时间常数大得多，这个导致了与短期天线的标称位置的偏离。\n[0059] 这能够短期内考虑静态网络，并且因而考虑从被控现象引发的天线位置的变位的有效测量，同时长期累积的、可能影响模糊性测定的变化通过天线标称位置的定期重新校准解决了。该天线标称位置带有一个非常大的时间常数。\n[0060] 本方案假设用一个线性估量和一个相关持续时间常数更新天线的标称位置，时间常数大于检测时现象的时间常数。\n[0061] 基于编码测量，伪距离的测量可以由等式(2)给出模型：\n[0062] ΔRi＝ρi+c·Δti+Δρiono，i+Δρtropo，i+εi (2)\n[0063] 其中，\n[0064] ρi为i-th卫星和接收器之间的距离；\n[0065] Δti为卫星上的导航系统时钟和接收器时钟之间的当时同步时间差；\n[0066] Δρiono，i为由于电离层的延时，在轨道上由信号发送引起的额外误差，该参数取决于频率(对于电波频率而言电离层是一个分散介质)；\n[0067] Δρtropo，i为由于对流层的延时，在轨道上由信号发送引起的额外误差，该参数独立于频率，以及\n[0068] εi为残余误差，取决于i-th卫星的观测，包括多重路径引起的误差。\n[0069] 即使由于信号结构(GPS系统中模糊性保持在1.5s的水平)模糊性不影响伪距离的测量，测量也由于带宽以及信噪比(SNR)被限制在米级精度上。这对于使用可以消除传播延时的微分修正系统也同样可行。这些结果对于测地或者高精度测量应用而言明显是不够的。\n[0070] 在连接中，载波相位上的测量被选用于高精度测量。\n[0071] 和从编码中得到的伪距离的测量一样，从载波相位获得的，用载波循环次数表示的伪距离测量φi，可从等式(3)中推导出：\n[0072] \n[0073] 电离层辐射项的负值是由于，在分散介质里，相位和电磁波族速率的乘积为c2，因此相位的传播速度高于光速。\n[0074] 即使载波的相位提供更加精确测量，但模糊性的解析仍对其有影响。为了解决模糊性的问题，人们已经开发出许多技术，主要基于观测数量的单差分，双差分以及三差分。\n[0075] 从等式(3)中，可以从相同卫星A发射信号开始时在两个接收器的两个测量数量之间进行差分，消除与卫星无关的误差项。\n[0076] 因此可以得出等式(4)中的第一相位差：\n[0077] \n[0078] \n[0079] 对于传播中电离项和对流项已经被消除的新测量，Δτ为两个接收器上的两个振A A A\n荡器(时钟)之间的同步瞬时差，N 为模糊性的整型单差(N ＝N1-N2)，ε 是噪音残余项(随机误差和多重路径)。\n[0080] 等式(5)，\n[0081] \n[0082] 其中，为基线的矢量， 为卫星A微线单位矢量。可以得出等式(6)，[0083] \n[0084] 第一差分仍然带有所述接收器的两个振荡器之间的同步瞬时差。该同步瞬时差可以通过在的第二差分减去两个不同卫星上计算的第一差分消除。通常，最终方案计算涉及一个共用卫星H的双差分以及计算各自卫星的双差分。例如，关于参考卫星H而言，卫星A的第二差分如等式(7)：\n[0085] \n[0086] \n[0087] \n[0088] \n[0089] 其中，NAH为关于两个卫星A和H的所述基线模糊性之间的差分，εAH为两个噪音分量之间的差分。\n[0090] 由接收器的振荡器之间的不完全同步所引起的误差已经可以由双差分消除。\n[0091] 在根据本发明测量系统的一个优选实施例中，随机选取网络中的测量站50为网络参考点，一组基线连接参考站50到任意其他工作站30上，网络呈星行拓扑。\n[0092] 成对基线形成三角形子网，因而整个网络被分割成三角形模型，在三角形模型的每个角顶上带有一个用于接收GPS信号的天线，对所有三角形而言有一个共同的顶点。\n[0093] 图2展示了一个三角形子网的结构，其中，两个测量站30和一个参考站50被连接到一个基站40上，用于数据处理。\n[0094] 当这种拓扑大范围延伸时，通过一起连接共同的接收器到相邻的子网实现子网的模块化。\n[0095] 带有相对的角形成约束的基线的两个单个方案的结合解决了每个基本的三角形的问题。\n[0096] 这个方案产生关于参考站50顶角的正确坐标(三角形中对两个基线而言共同的顶点)。\n[0097] 因此，对于网络的单站30，50而言，由网络几何的变形所引起的位移通过规划的地面坐标的一个本地系统坐标上基线的方案，也就是说在坐标的东、北以及在关于网络参考站50垂直的分量上被分解。\n[0098] 如果这个工作站50通过引入一个测量站到网络中，相应地参考于一个绝对位置，网络本身绝对参考于建立的绝对参考点。\n[0099] 单个基线的解决导致了以一个好的准确度、在由基线本身决定的方向位移，也就是说基线长度变形的测定。在很多应用中所述位移的测定是非常有意义的，所述位移表现于一个本地地面系统元素上。\n[0100] 这就意味着，垂直于基线的变形的影响(两者都在所处的平面上并沿与所述平面正交的方向)通常在准确度上不及基线本身所决定的方向上的影响。\n[0101] 为了提高与这些元素相关的测定，这里所说的测量系统首先解决单个基线问题，并接着在延伸到整个网络的方案中结合所述方案，整个网络被分解成三角形模块，每个三角形模块都是由两个基线和一个共同顶点组成，该顶点通常(但不是必须)网络参照天线(或者接收器)。在这种情况下，在网络拓扑上可以使用一个先验的几何信息，来约束方案中垂直于基线的元素并改进他们的测定。\n[0102] 所提方案显然可延伸到有大量子网的结合方案或者一个扩展的测地测量系统中。\n与使用特殊运算法则相关的执行速度可以实时地解决在测量抽样中同频率的步骤以及解决单个基线问题。因此，系统在整个补偿网络上有效地完成变形的实时评估。\n[0103] 在原理上，该方法与传统地形学上的网络调节方法相类似。在传统地形学上，大量网络数据点之间的三边测量法/三角测量法在参数评估准则的应用下被“关闭”，使得在整个网络，而不是单个测量中剩余误差为最小。\n[0104] 这里所述的方案可以解决基于三角形模型的基线问题，该三角形模型用于改进沿着单个基线评估的第一次位移测定以及用于使用网络几何约束来改进垂直于基线的元素在高度上的评估。因此，通常在细化测定的同时，改进了它本身的可靠性。\n[0105] 既然由多重路径引起的误差是经过处理后在方案中的余留误差的主要来源，为了提供修正，目前有降小该误差的特定技术，该修正考虑将多重路径用到实时方案中，用于基线位移的评估。\n[0106] 根据本发明的测量系统基于一组全自动的测量站30。一个测量站30的基本结构的方框图如图3所示，工作站30的核心部分用一个GPS接收器32表示，该接收器32可以追踪仅在载波L1的频率上发射信号的载波的编码和相位。\n[0107] 一个本地微控制器34控制GPS接收器32和一个电波频率单元之间的物理通信，定义通信协议并控制GPS接收器32的操作。\n[0108] 微控制器34连接到一个本地网络卡36上，该本地网络卡36的功能是作为通向本地网络LAN或者通向一个点对点电波连接的地点。如果需要远距离通信，该微控制器34在同一频率带工作。\n[0109] 对工作站30的供电通过主分配网络37(220V，50Hz)实现，或者使用一排太阳能电池38通过充电调节电池39实现。\n[0110] 蓄电池35用于天气情况不好的情况下，在最坏的情况下提供48小时的持续供电。\n[0111] 基站40通过商用处理器42进行开发(如图4所示)。基站40从测量站30上接收数据，测量站30排列在通过电波频率接收器或者无线局域网(WLANs)的收发器的领域上。基站40储存原始数据，根据一个或者多个工作站30处理用于获取基线准确值的测量，并显示和储存结果。\n[0112] 既然原始数据和处理数据都被储存了，可以方便地再次使用这些数据，用于执行后处理，同时整个系统能够保持固有的实时工作能力。\n[0113] 在构建网络的方法上，第一步是安装测量站30和基站40，在工作站30位置固定以及检验与基站40的通信后，必须对网络进行初始化，该操作主要有如下效果：\n[0114] 每个工作站30相互参考于网络上选择的参考站50。根据第一次初始化运行时形成的基准坐标计算天线的校正值作为位移。\n[0115] 如果网络参考站50在一个绝对测量参考位置上，则网络本身也绝对参考。\n[0116] 通过收集工作站30上的数据可以获得初始方案，通常10-20分钟的数据的接收对于计算第一个方案而言是足够的。收集的数据是使用于商业上可行程序进行后处理。初始坐标和网络几何一起被输入到一个配置数据文件中，(为了定义哪个基线是被解决的以及关于哪个基准站)。\n[0117] 在初始研究结束后，网络准备实时运行，并且设定网络没有来自操作者的其他外部干预。原始数据和处理数据实时地显示和储存在基站中。\n[0118] 该方案的计算速度目前是1Hz，但根据需要，该速度可以更快，如5Hz或者10Hz，这种速度限制与处理时间无关，仅仅与选择的GPS接收器32能力相关。\n[0119] 传播多重路径(影响编码上的测量和载波相位上的测量)是该方案中误差的其中一个起因，随着一个恒星日的精确相关性的间隔，误差在每日的基础上重复，一个恒星日等于GPS卫星的两次轨道周期(每个GPS卫星准确的出现对于位于地球上的观察者而言同样的位置，但每天预先出现3′56″)。因此，一个减小由于多重路径引起的误差的方案就是获得用于多重路径的每日效应校准的功能。这个可以通过使用在一天或者多天的周期内由系统提供的相同数据获得。这些曲线是可重复的，并可以用为在移位的计算上的校正。目前，这些校正在后处理阶段进行，以利于试验的方便。但这些校正能够在实时中进行处理。\n[0120] 通过多重路径的校正曲线改进了均方误差值，典型地降低到东向的大约3-4毫米，南向的5毫米，垂直方向的大约9-10毫米。\n[0121] 上面所得结果与这里接收器的理论极限相接近，并不远离由两频率专用接收器获得的最好结果。\n[0122] 当然，在没有与本发明的原理相背离的基础上，实际构建细节和其具体实施可能与这里描述和图示仅作为实例的有很大的不同，但并不背离本发明的范围。\n[0123] 这里所提的基于GPS信号的接收，在监控和测试系统中的描述和使用的原理和技术应当涉及到其他已经存在的卫星系统(Glonass，EGNOS，WAAS以及其他卫星)或者第二代GNSS系统(Galileo)的使用。