GNSS变形监测

GNSS变形监测,主要内容,伪距法绝对定位原理,基本原理：通过码相关技术求定卫星信号到达接收机的时间延迟，从而求出卫星到达接收机的距离。,伪距定位的基本模型的推导：为卫星j到接收机k的几何距离，可用位于同一坐标系的卫星与接收机的空间直角坐标表示为：,代入式（1）即为伪距定位的基本模型：,GPS伪距定位的原理图将GPS接收机的钟差作为未知参数的目的： 大大降低GPS接收机的成本， 实现GPS定时的功能。,GPS伪距定位的原理图,为了提高GPS 的定位精度，在实际定位模型中应考虑电离层、对流层的影响，其影响可采用一些较成熟的模型加以改正，因此可以认为是已知量。 当在某时刻观测卫星的个数j大于等于4间接平时，可采用间接平差法计算接收机的位置坐标的最或然值。,首先根据待定点的近似坐标 对式（4.11）进行线性化（用泰勒级数展开）得：,令 ，j=1，2，3，4，则式（4.12）写成矩阵的形式为：,当同时观测的卫星数等于4时，可求出未知参数的唯一解：,当同时观测的卫星数大于4时，可用最小二乘法求解：,精度为：,接收机位置坐标：WGS-84坐标系下的坐标（X,Y,Z)根据大地坐标的正反算公式可将其转化为大地经纬度坐标(经度，纬度，高程）。,伪距单点定位的精度：约十米,伪距单点定位既可用于静态定位，也可用于动态定位。,主要内容,基本结构,差分定位系统基本结构,RTCM-SC104,差分数据通信类型,按传输差分信息的覆盖范围 近程(小于100km) 临时性、短期性的差分定位作业 优点：穿透性强、直线传播性强 缺点：易受障碍物、地形和地球曲率的 中程(30800km) 长波(LF):靠地面波传输、受大气影响小而受地形影响较大不太适宜于差分定位 中波(MF):频道拥挤，易受干扰，而且传播速率仍偏低 短波(VHF):易受天气和电离层干扰和影响、常出现盲区、通信设备造价低廉且集成度高 远程(大于800km ):采用星基的差分数据播发站 按播发站的位置 空（星）基 陆基,差分定位的基本原理利用设置在坐标已知的点（基准站）上测定GPS测量定位误差，用以提高在一定范围内其它GPS接收机（流动站）测量定位精度的方法。,利用基准站测定具有空间相关性的误差或其对测量定位结果的影响，流动站改正其观测值或定位结果。,基本原理,差分系统的分类,根据时效性 实时差分 事后差分 根据差分改正数类型 位置差分 距离差分 根据观测值的类型 伪距差分 载波相位差分 根据覆盖范围 局域差分 广域差分,位置差分,实际坐标 = x+0, y+0 校正 = x-5, y+3,差分改正 = x+(30-5) and y+(60+3) 实际坐标 = x+25, y+63,Differential Correction 2,位置差分,接收机 (位置未知),坐标改正信息,优点: 计算方法简单，适用范围较广； 缺点: 实现位置差分原理的先决条件是必须保证基准站和用户站观测同一组卫星的情况； 适用范围：用户与基准站间距离在100km以内。,伪距差分,伪距的改正数,基准站的接收机测量的伪距,经过差分修正的伪距,用户至卫星的伪距,基准站接收机计算出基站至 可见卫星的距离，并将此距离 与含有误差的测量值加以比较,卫星到基准站的真实距离,优点 ：可以达到较高的精度；可以采用外推的方法继续进行高精度定位；允许用户接收任意4颗星的信号进行定位。 缺点 ：用户和基准站之间的距离对精度有决定性影响。随着用户到基准站距离的增加又出现了新的系统误差 ，且无法用差分方法消除。,载波相位伪距测量,周跳：接收机内部载波整周计数丢失。,连续载波相位测量,原理,思想载波相位差分技术建立在实时处理两个测站的载波相位测量基础上。能实时提供观测点的三维坐标，并达到厘米级的高精度。 基本原理与伪距差分原理相同，由基准站通过数据链实时将其载波观测量及基站坐标信息一同传送给用户站。用户站接收导航卫星的载波相位与来自基准站的载波相位，并组成相位差分观测值进行实时处理，能实时给出厘米级的定位结果。 实现方法 修正法：基准站向用户站发送载波相位修正量（准RTK技术）。 差分法：基准站将采集的载波相位观测值发送给用户台进行求差解算（RTK技术） 。,(RTK: Real Time Kinematic,载波相位差分,求差法接收机间的一次差接收机和卫星间的二次差接收机、卫星和观测历元时刻之间的三次差,载波相位差分,基准站 A与用户台B到第j 颗卫星的伪距：,一次差,不能消除,接收机间一次差（单差）,载波相位差分,A、B两站与卫星j和k的一次差：,接收机与卫星间二次差（双差）,求 差,消除钟差,载波相位差分,三次差不会明显提高差分定位结果,接收机、卫星和观测历元时刻之间的三次差,局域差分GPS系统,单基准站局域差分,局域差分GPS系统,结构：基准站（一个）、数据通讯链和用户 数学模型：利用差分改正数的计算方法，提供距离改正和距离改正的变率。特点： 优点：结构、模型简单 缺点：差分范围小，精度随距基准站距离的增加而下降，可靠性低,单基准站局域差分,局域差分GPS系统,多基准站局域差分,局域差分GPS系统,结 构：基准站（多个）、数据通讯链、用户。数学模型：加权平均、偏导数法、最小方差法。特 点： 优点：差分精度高、可靠性高、差分范围增大 缺点：差分范围仍然有限、模型不完善,多基准站局域差分,广域差分GPS系统,结构 基准站（多个）、数据通讯链和用户。 数学模型与普通差分不相同，普通差分考虑的是误差的综合影响。广域差分对各项误差加以分离，建立各自的改正模型，用户根据自身的位置，对观测值进行改正。 特点 优点：差分精度高、差分精度与距离无关、差分范围大。 缺点： 系统结构复杂、建设费用高。,广域差分GPS系统,工作流程,用户用接收到的误差 改正观测量，得到GPS 精确定位,基准站对卫星进行连续观测，并将观测值实时地传输至控制中心。 控制中心根据这些基准站的观测值，建立区域内的GNSS电离层、对流层和卫星星历误差改正模型，并实时地将各基准站的观测值减去其误差改正，形成“无误差”的观测值，再结合移动站的观测值，在移动站附近（通常约为几米到几十米）形成一个虚拟的参考站，计算出虚拟参考站的相位差分改正，并实时发布。 用户站利用接收到的相位差分改正信息和自身的相位观测值，组成双差相位观测值并快速确定整周模糊度参数和位置信息，完成实时定位。,由若干个连续运行的GNSS基准站、控制中心和用户站（移动站）构成。,网络RTK虚拟参考站(VRS),由于其差分改正是经过多个基准站观测资料有效组合求出的，可以消除电离层、对流层和卫星星历等误差，即使用户站远离基准站，也能很快地确定自己的整周模糊度，实现厘米级的实时快速定位。 VRS RTK技术大大扩展了普通RTK的作业范围，用户站不需要在每次测量时都单独架设基准站，使得测量作业成本得到降低，而且在基准站信号覆盖范围内，定位精度保持稳定，可靠性得到进一步提高。,网络RTK虚拟参考站(VRS),网络RTK虚拟参考站(VRS),VRS RTK 定位结果,单基准站RTK 定位结果,MDGPS由美国海岸警卫队（USCG）于20世纪80年代末开发，它利用无线电指向标（信标）和DGPS技术结合的方式实现服务区内优于10m（95%）的定位精度，并能够提供一定的完好性，满足美国海岸和内陆水域的导航需求。1997年，MDGPS的信标数量由原来的54个计划扩展至136个以覆盖全美，这项计划被称为NDGPS。NDGPS差分信息传送的频率（285325kHz）和格式（RTCM SC-104）支持国际标准，目前世界上已有50多个国家建立了类似的系统,MDGPS/NDGPS,GPS/GLONASS Satellites,GEO,1,2,3,4,Master Station,SBAS message,Integrity &Ranging+ Corrections,Reference Stations,Augmented Navigation,SBAS,Ground Earth Station,+ Accuracy + Availability + Continuity,+ Integrity,Differential Corrections,Use/Dont Use Message,GPS-Like Signal,GEO,GEO卫星,主要内容,38,相对定位的原理 相对定位是用两台（或多台）接收机分别安置在一条（或多条）基线的两端，同步观测相同的GPS卫星，以确定基线端点的相对位置或基线向量 在相对定位时，通过对观测量求差，可以消除卫星钟差、接收机钟差，削弱电离层和对流层折射的影响，提高测量精度,39,卫星定位的特点（1）可在全球任何地方、任何时间、全天候、进行导航定位； （2）卫星定位是直接接收卫星信号进行定位，测站间不需要通视，所以定位速度快，测量距离远。用双频机可以测定几百公里到几千公里点间距离； （3）采样率高,最快可达50Hz，可实现快速实时导航定位； （4）定位精度高：实时定位精度15m ，高精度定位可达到1mm，相对定位精度可达到1*10-9； （5）具有多种功能，除定位、导航外还可有以下功能：测时、测速等； （6）用户无限，仪器体积小，重量轻，价格便宜,2019/7/14,40,2019/7/14,41,实时动态（RTK）测量系统，是GPS测量技术与数据传输技术相结合而构成的组合系统。它是GPS测量技术发展中的一个新的突破。 实时动态测量的基本思想是，在基准站上安置一台GPS接收机，对所有可见GPS卫星进行连续观测，并将其观测数据通过无线电传输设备，接收基准站传输的观测数据，然后根据相对定位的原理，实时地计算并显示用户站的三维坐标及其精度。,2019年7月14日星期日,42,利用GPS监测高大建筑物的动态位移,1测试原理,采用RTK观测实时位移，再利用离散快速傅里叶变换进 行频谱分析，得出振动频率与振幅（采样频率要高于振 动频率）,测试实例,深圳地王大厦,新加坡共和国广场大厦,GNSS结构振动监测,GNSS高精度定位技术应用,2019年7月14日星期日,44,新加坡共和国广场大厦,楼顶安装的GPS天线,2019年7月14日星期日,45,GPS、加速度计观测结果,2019/7/14,46,清华大学已成功将GPS RTK技术应用于虎门大桥的实时安全监测。 GPS RTK实时监测系统主要是由GPS基准站、GPS监测站、光纤通信链路和数据处理与监测中心等部分组成，而数据处理与监测中心主要由工作站、服务器和局域网组成。 基准站将接收到的卫星差分信息经过光纤实时传递到监测站，监测站接收卫星信号及GPS基准站信息，进行实时差分后，可实时测得站点的三维空间坐标。,2019/7/14,淮 海 工 学 院,47,隔河岩大坝外观变形 GPS自动化监测系统,2019/7/14,49,工程概况,隔河岩水电站总装机容量为120万kw，年发电30.4亿kw.h，水库正常蓄水位为200m，总库容量为34亿m3，是清江三个梯级水电站之一。 隔河岩水电站是华中电网重要的调峰调频电站，它的建成对于缓解华中地区的电力紧张状况，保证华中电网的安全稳定运行；对于消除清江中下游的洪涝灾害，避免清江洪峰与长江洪峰相遇以减轻长江荆江段及下游的防洪压力；对于打通清江航道，为鄂西山区提供便捷的交通动脉，促进商品流通和资源开发；对于发展清江流域的旅游事业等都具有十分重要的意义。,隔河岩大坝外观变形GPS自动化监测系统,2019/7/14,50,大坝情况,隔河岩水电站大坝为三圆心变截面重力拱坝，最大坝高151m，坝顶弧线全长为653m，坝顶高程为206m。 高程150m以下为拱坝，高程150m以上为重力坝。 坝址为凹形河谷，地形条件比较复杂。,隔河岩大坝外观变形GPS自动化监测系统,2019/7/14,51,监测系统的总体结构,大坝变形GPS自动化监测系统是由数据采集、数据传输及数据处理、分析和管理三个部分组成的。 整个系统的数据采集、传输、处理、分析、管理采用局域网络来完成。 大坝外部变形监测系统的数据采集工作是在GPSlGPS7这7个GPS站上进行的。其中GPSl和GPS2为位于两岸的基淮点，GPS3GPS7为位于大坝上的变形监测点。,隔河岩大坝外观变形GPS自动化监测系统,2019/7/14,52,隔河岩大坝外观变形GPS自动化监测系统,2019/7/14,淮 海 工 学 院,53,数据传输,及时准确地传输观测资料及有关信息是建立GPS自动化监测系统中的一个重要环节。 坝面工控机通过RS-232多串口远距离通讯方式将各监测点的接收机面板信息实时传送到总控室，同时又通过多路开关方式，按总控室所设置的时间间隔定时将上述各台接收机所采集到的数据(观测值、卫星星历等)传回服务器。,隔河岩大坝外观变形GPS自动化监测系统,2019/7/14,54,数据分析,数据处理、分析、管理部分在隔河岩大坝外观变形GPS自动化监测系统中具有重要作用，是整个系统能自动运行的关键。 主要由总控、数据处理、数据分析和数据库管理等四个模块组成。 总控是整个系统中各模块的数据交换中心，也是系统的主要用户接口。 数据处理模块的主要功能是：时段自动定义与选取；自动进行数据处理；对成果可靠性进行判断；对运行过程中可能出现的错误进行控制和处理，保存结果和清理数据。变形分析模块部分在PC机上运行，部分在工作站上运行。 数据库管理模块具有如下功能：数据安全管理、数据更新、数据查询、数据自动转储、报表打印、数据库恢复等。,隔河岩大坝外观变形GPS自动化监测系统,2019/7/14,淮 海 工 学 院,55,应用效果,该系统在1998年夏天抗御长江全流域特大洪水期间所提供的快速而准确的资料为隔河岩水库超蓄调度提供了科学决策的依据，为长江防洪发挥了重要作用。 该系统可广泛用于水库大坝、大型建筑物、电视塔、大型桥梁、大型核电站、滑坡、地壳形变、环境等安全监测。有着显著的社会效益和经济效益，具有重要的应用和推广价值。,隔河岩大坝外观变形GPS自动化监测系统,GNSS在山体滑坡监测中的应用,山体滑坡监测的意义山体滑坡是一种严重的地址灾害，许多大型的基础设施，如高速公路、铁路、水库等设施在开挖山体时都有发生滑坡的可能，对这些潜在或正在滑动的滑坡体进行监测，以防止产生大的灾难和损失是很有必要的。,GNSS在山体滑坡监测中的应用,GNSS用于山体滑坡监测的可行性具有全天候、自动化、选点灵活、可同时监测点 的三维位置与速率；在精度、速度、时效性、效益等方面优于常规方法。,GNSS在山体滑坡监测中的应用,滑坡GPS自动化监测预警系统 GPS监测系统由三部分组成：监测单元、数据传输和控制 单元、数据处理分析及管理单元。这三部分形成一个有机的 整体，监测单元跟踪GPS卫星并实时采集数据，数据通过通 讯网络传输至控制中心，控制中心的GPS软件对数据处理并 分析，实时形变监测。,数据采集系统,数据发布系统,当发生预警时可通过MAS服务器给周边居民发送告警信息，通知群众紧急疏散平时可作为公众信息披露由政府定期通知群众山体健康状况,监测单体选定原则选定监测对象，主要根据地质体的稳定性、危险性、危害性方面考虑,数据处理,采用精密软件进行基线向量的解算及网平差，求出每个监测点的坐标值，每次的坐标变化量及累积变化量，超出阈值时进行预警 以前期的观测数据为基础，对滑坡体未来的变化趋势做出预测，有险情时及时采取措施,GPS用于东莞滑坡监测凤岗,滑坡全长100m，上口宽40m，下口宽200m 按照规划要在坡脚处开发住宅楼 由于滑坡严重威胁建筑物与公路，所以要长期监测，掌握滑坡规律,系统方案设计,精度要求：水平3mm，高程6mm 具有远程传输、远程浏览、远程设置功能 能自动生成变形曲线图 能自动计算变形速度，预测后续变形 能自动判断并发布预警信息,系统方案设计,精度要求：水平3mm，高程6mm 具有远程传输、远程浏览、远程设置功能 能自动生成变形曲线图 能自动计算变形速度，预测后续变形 能自动判断并发布预警信息,系统组成,测量性GPS接收机，功耗4.6瓦，适合长时间无人值守 数据采样率20HZ 4GB内存，可保留3年数据 用户可以在任何地方进行远升级、内存格式化、重启等操作,基站,系统软件,数据处理、分析 生成报表 信息发布,基于BD/GPS的尾矿大坝外部变形自动化监测系统,项目目标,项目特色 高精度、高可靠性 低功耗、低成本 全天候、高智能化,73/22,监测原理,卫星导航差分测量原理,将BD/GPS兼容性天线分别沿坝轴线安置在坝体上面,利用卫星导航高精度差分定位，测量基准点与监测点之间坐标差，由于基准点稳定不动，可以实时计算监测点的三维坐标,将不同卫星、不同天线之间的卫星信号求差，可以消除大气延迟、卫星轨道、钟误差、接收机钟误差等，求出两点之间精确的相对位置关系,74/22,软件架构,75/22,技术创新,首次将北斗系统引入到尾矿外部变形在线监测系统 既能双系统定位，也可以利用北斗单系统定位，摆脱对美国GPS的依赖 利用北斗二代卫星信号与GPS信号组合，可以增加可视卫星的数量，提高定位的精度 采用两个卫星系统的多频信号，利用组合信号，可以提高定位的精度，缩短定位的时间，检测定位中 的粗差数据，提高定位可靠性,76/22,已经开展的工作,目前已经开展的相关工作 申报国家项目 已经高压传输线杆塔倾斜监测系统，前期在合肥送变电试验场试验，监测效果良好，精度达到规范要求,77/22,已经开展的工作,已经研制产品,78/22,79/22,仿真实验,高低温试验从0C逐步升到50C，在50C时保持温度恒定， 观测时间晚上8:00至第二天早上8:00，数据接收 时间为12个小时，一共解算了40组数据。 位移误差平面达到3mm，高程达5mm,从0C逐步降到-30C,然后保持-30C不变。观测时间晚上8:00至第二天早上6:00，数据接收时间为10个小时,位移误差平面达到3mm，高程达5mm,仿真实验,高压电场干扰试验将被测试BD/GPS倾斜监测设备处于开机状态，放入高电压 测试环境中，将BD/GPS天线安置于高压电线下方1m处。 在有无磁干扰与加电磁干扰的情况下分别测试结果：在加压、不加压两种情况下，测量结果基本不变,将被测试北斗通信机处于开机状态，放入高电压测试环境中，将北斗天线安置于高压电线下方1m处。,结果：北斗通信不受高电压场影响,80/22,典型应用非煤矿监测应用,尾矿大坝安全 客户名称：滁州、铜陵等地区尾矿库大坝位移监测 项目特色：利用北斗与GPS双系统的卫星信号，进行高精度位移监测，利用北斗系统，传输位移、水位、温度等信息，对尾矿大坝安全监测、预警 进展情况：已经完成整个系统的研制，目前已经在滁州等地的尾矿安装、运行，系统运行稳定，效果良好,81/22,软件界面,作业,1.为什么GPS定位至少需要4颗卫星？ 2.叙述差分定位原理。 3.举例说明GPS在变形监测工程中的应用，说出其原理、组成部分、工作模式。,感谢聆听！,