GPS多天线变形监测系统研究与实现

论文摘要

GPS以其高精度、全天候、自动化等诸多优点在变形监测领域得到了广泛的应用,成为大坝、大桥、滑坡以及高层建筑物变形监测中极其重要的测量手段。然而传统的GPS变形监测系统由于成本太高,难以推广和应用。针对这一问题,论文采用了GPS多天线微波开关,设计了GPS多天线变形监测系统,实现了一台接收机对多个测点的监测,在不影响精度的情况下极大地降低了系统的成本。论文首先介绍了GPS变形监测的理论基础,主要包括GPS载波相位的测量原理、GPS测量误差的来源与消除方法、双频载波相位组合观测量的性质、WGS-84和站心坐标系之间的转换以及获取变形量的基本模型等。论文利用自主研制的多天线微波开关,完成了一套GPS多天线变形监测系统原理样机,并在此基础上利用Visual C++平台开发了数据采集与控制软件,实现了天线切换、数据采集、RINEX2.10标准文件格式转换的全自动化。论文针对动态变形监测,研究了快速模糊度解算算法,通过对卫星方向阵进行QR分解,加快了模糊度的搜索速度;结合目前几种先进的单历元变形信息解算算法的优点,提出了基于双频载波相位组合的单历元变形信息解算新模型,不仅可以绕开周跳的检测和修复以及整周模糊度的求解,而且能直接、快速的提取出0.8m以下的变形量,并对其进行逐步精化处理。利用研制的原理样机进行了大量的试验,试验结果表明多天线微波开关对GPS信号的信噪比和基线向量的解算精度影响很小,论文提出的单历元算法可以得到较高的变形解算精度。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 变形及其测量方法
• 1.2 GPS 变形监测技术的发展和研究现状
• 1.2.1 GPS 技术在变形监测中的应用
• 1.2.2 GPS 单历元变形监测算法的发展
• 1.3 论文研究的主要内容及结构编排
• 第二章 GPS 变形监测的基本原理
• 2.1 引言
• 2.2 GPS 全球定位系统组成
• 2.3 GPS 载波信号测量的基本原理
• 2.4 GPS 测量的误差来源及其影响
• 2.4.1 与卫星有关的误差
• 2.4.2 卫星信号的传播误差
• 2.4.3 与接收机有关的误差
• 2.5 GPS 载波相位观测量及其线性组合
• 2.5.1 站间单差
• 2.5.2 站星双差
• 2.6 双频载波相位的线性组合
• 2.6.1 组合观测值定义
• 2.6.2 组合观测值的误差特性
• 2.7 GPS 变形监测的基本原理
• 2.7.1 GPS 变形监测的基本模型
• 2.7.2 GPS 短基线解算基本模型
• 2.8 GPS 测量结果的坐标转换
• 2.8.1 WGS-84 坐标转换为大地坐标
• 2.8.2 WGS-84 坐标转换为站心坐标系
• 2.9 本章小结
• 第三章 GPS 多天线变形监测系统方案设计与实现
• 3.1 引言
• 3.2 GPS 多天线变形监测系统方案设计
• 3.2.1 系统工作原理
• 3.2.2 基站和测站的选点
• 3.2.3 系统作业模式
• 3.3 系统硬件设计与实现
• 3.3.1 GPS 多天线微波开关设计
• 3.3.2 GPRS 无线传输模块设计
• 3.3.3 GPS 接收机选型及I/O 接口分析
• 3.3.4 监测站计算机选型及接口设计
• 3.3.5 供电系统设计
• 3.3.6 GPS 多天线变形监测系统原理样机
• 3.4 GPS 多天线变形监测系统软件设计
• 3.4.1 监控中心软件模块设计
• 3.4.2 数据处理模块设计
• 3.4.3 系统数据库设计
• 3.5 本章小结
• 第四章 GPS 多天线数据采集与控制系统设计
• 4.1 引言
• 4.2 GPS 接收机输出数据分析与解码处理
• 4.2.1 NCT-2100D 型接收机输出数据格式
• 4.2.2 GPS 变形监测系统解算需要的信息及其解码
• 4.2.3 串口通信的编程实现
• 4.3 多天线微波开关的控制
• 4.4 RINEX 标准格式转换
• 4.5 多天线控制界面设计
• 4.6 本章小结
• 第五章 GPS 变形监测系统单历元变形信息解算方法研究
• 5.1 引言
• 5.2 基于QR 分解的整周模糊度快速解算算法研究
• 5.2.1 整周模糊度搜索范围的确定
• 5.2.2 整周模糊度的检验
• 5.3 无模糊度和整周跳变问题的单历元变形信息解算算法研究
• 5.3.1 小数值变形量直接解算模型
• 5.3.2 大数值变形量求解方法
• 5.3.3 基于双频载波相位组合的大数值变形量解算算法
• 5.4 本章小结
• 第六章 GPS 多天线变形监测系统试验数据分析
• 6.1 引言
• 6.2 GPS 多天线微波开关对系统信噪比的影响
• 6.3 GPS 多天线微波开关对基线解算的影响
• 6.4 无模糊度和整周跳变问题的单历元变形信息解算算法验证
• 6.4.1 静态试验分析
• 6.4.2 动态变形模拟试验分析
• 6.5 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 主要工作
• 7.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文