第一章 緒論

1.1、研究背景及意義
高精度 GPS 測量與經(jīng)典的測量方法相比，其優(yōu)點為定位精度高、可以為用戶提供站點的三維坐標，儀器的操作和數(shù)據(jù)解算流程簡便，觀測時間短，而且可以全天候的工作等等，因而現(xiàn)代 GPS 定位技術在測量工作中得到了廣泛應用。到了 20 世紀九十年代，GPS 對上千公里范圍內(nèi)的基線解算，其相對定位精度可以達到千萬分之一。1994 年 IGS(國際 GNSS 服務)正式成立，并在短時間內(nèi)在全世界范圍內(nèi)建立了很多永久性的 GNSS 連續(xù)觀測站，目前的 GNSS 測站數(shù)已經(jīng)達到了三百多個站點。IGS 中心會向全球的每個用戶發(fā)布其衛(wèi)星星歷、IGS 跟蹤站的站點坐標和站點速度、GNSS 衛(wèi)星信息以及 IGS 跟蹤站的儀器鐘差信息、全球分布的電離層信息、IGS 地球參考框架、天頂對流層延遲參數(shù)等多種 IGS 產(chǎn)品。IGS 中心提供的豐富信息對于推進 GPS 技術在大地測量學中的應用起到了極大的推動作用。鑒于 GPS 的實時、全天候不間斷、操作簡便、高精度等特點，GPS 測量技術可以很好的運用到車輛導航、地形圖測量、控制點測量、形變監(jiān)測、地震監(jiān)測、速度測量等多個領域。但是對于傳統(tǒng)的 GPS 測量技術來說，由于接收機軟件和硬件設備較差如：采樣率和定位技術差的原因，現(xiàn)在 GPS 技術設備主要是應用于研究地表較長周期的變化，尤其是對于長周期地殼運動位移變化的監(jiān)測發(fā)揮了巨大的作用，如板塊運動、冰后回彈等[1]。但是對于某些領域而言，對于某些長周期的運動變化分析雖然重要，但對于短周期的、短時瞬時變化運動信息的獲取也顯得越來越有應用價值。因此，隨著 GPS設備以及數(shù)據(jù)處理技術的發(fā)展，例如觀測精度和處理方法的不斷改進和提高以及高采樣率(1Hz 以上，最高可達 50Hz) GPS 接收機的相繼出現(xiàn)。隨著對形變瞬時變化分析技術以及 GPS 的觀測精度的提高，目前已經(jīng)出現(xiàn)了很多利用高采樣率 GPS 技術對瞬時形變進行研究。其中應用最為廣泛的就是利用高采樣率 GPS 技術對地震及地殼的瞬時形變進行研究，并隨之形成了一門新的學科-GPS 地震學[2]。隨著越來越多的人研究高頻 GPS 在地震學中的應用，促使了高頻 GPS 監(jiān)測和解算技術在其它方面也得到了很好的發(fā)展，例如利用高頻 GPS 對橋梁震動、高大建筑物擺動以及高速運動的物體的運動軌跡監(jiān)測等方面[3]。
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1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
通常情況下，如果想要得到高精度的 GPS 定位坐標，則需要采用相位觀測值，通過相位觀測值來求解整周模糊度的值。按照解算整周模糊度的不同解算類型，GPS的單歷元解算方法可以分為兩種：一種是實現(xiàn)起來難度較大的，對每個歷元單獨解算整周模糊度，由于該方法對模糊度值的約束比較難，模糊度解算錯誤的概率就相應的比較大。而如果解算出來的模糊度值不準確，這將使得定位結果出現(xiàn)錯誤，但是該方法優(yōu)點是 GPS 每個歷元觀測數(shù)都可以實時解算出一個坐標，目前美國的Geodetics 公司采用這種方法研制了 RTD 軟件[4]；另一種方法就是對所有的觀測數(shù)據(jù)進行整體解算，整體分配模糊度，該方法對模糊度值的約束力較強，通常需要一段時間的的觀測才能完成解算[5]，目前主要運用此方法的軟件是 GAMIT/GLOBK 的雙差動態(tài)定位模塊（TRACK 模塊）。按照 GPS 定位方式的不同，高精度的 GPS 單歷元定位方法也可以分為兩種：相對定位（Relative Positioning）和精密單點定位（Precise Point Positioning）方法。相對定位是假定一個站為參考站（固定不動），從而計算流動站相對于參考站的坐標差，其定位優(yōu)點是在基線較短時，很多種誤差都可以通過單差或者雙差的方法進行消除；精密單點定位方法只需要流動站點的觀測數(shù)據(jù)就可完成站點定位，且其定位結果是流動站在參考框架下的三維坐標。
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第二章 高頻 GPS 單歷元定位的基本理論

2.1 星歷產(chǎn)品概述
自 GPS 建成并被廣泛的應用以來，由于該方法有著低成本、高效率、高精度以及高穩(wěn)定性的特點，使得該方法受到了很多人青睞，而且不管是在軍用、民用及很多領域都起到了舉足輕重的作用，極大的推動了相關科學研究工作的開展。雖然如此，但學者們對 GPS 的相關研究也沒有停止過，國內(nèi)外相關學者為了能滿足用戶對精度、可靠性等的要求，正利用各種途徑來改進其性能，衛(wèi)星軌道的精確度就是其中一項重要的改進途徑[18]。軌道可以說是航天技術應用中的最基本的要素之一，無論是人造衛(wèi)星或者是其它的一些航天器等等，都需要對軌道做精確的預測和計算。我們可以根據(jù)衛(wèi)星軌道的任務來選擇何種衛(wèi)星軌道在空間中計算是最有利的，以及在衛(wèi)星運行的基礎上，為了保持一個衛(wèi)星在預期的軌道中運行，可以通過對衛(wèi)星進行發(fā)布信息來施加控制。由于地球外界空間條件復雜，，衛(wèi)星受到的外力難以用準確的模型來描述，所以對于衛(wèi)星精密軌道的計算精度對提高定位精度是特別重要的，同時這一工作任務也是非常復雜的任務。
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2.2 GPS 定位的主要誤差源以及處理方法
在 GPS 定位過程中會受到各種各樣因素的影響，按照影響因素的類型不同，大致可歸結為四類：與衛(wèi)星有關的誤差、與傳播路徑有關的誤差、與接收機有關的誤差和其他原因引起的誤差（包括相對論效應、固體潮、極潮、海潮負荷等）[23]。這些因素主要是對電磁波到接收機之間的真實距離產(chǎn)生影響，使實際距離與監(jiān)測計算的距離產(chǎn)生一定的誤差。所謂精密定位就是根據(jù)一些誤差特點，建立相應的誤差改正模型，從而提高解算精度。在進行精密單點定位時最常用到且最重要的起算數(shù)據(jù)就是衛(wèi)星軌道和衛(wèi)星鐘差。GPS 的標準時間和衛(wèi)星時鐘因為時鐘頻率漂移引起的時間差被稱為衛(wèi)星時鐘誤差，衛(wèi)星星歷誤差是指衛(wèi)星的實際運行軌跡與通過實際觀測數(shù)據(jù)來計算和估計的衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)之間的差值。 GPS 的廣播星歷表可提供衛(wèi)星軌道信息和衛(wèi)星的軌道參數(shù)，我們可以用它提供的軌道參數(shù)來計算在任何時間的衛(wèi)星位置。但目前通過廣播星歷計算的衛(wèi)星鐘差精度只有約 5-10 納秒，由于無法完全消除衛(wèi)星鐘差和接收機時鐘誤差，這樣在觀測時能產(chǎn)生 1.5-3 米的距離誤差。在精密單點定位時，我們無法通過雙差定位方式對衛(wèi)星鐘差和接收機鐘差進行差分消除，所以衛(wèi)星鐘差和接收機鐘差的精度就成為了單點定位中決定其定位精度的主要因素。廣播星歷提供的衛(wèi)星軌道誤差大約為 10 米左右。因此，精密衛(wèi)星軌道誤差和衛(wèi)星鐘差在單點定位中尤為重要。
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第三章 高頻 GPS 單歷元定位分析..........26
3.1 TRACK 模塊的解算過程及解算實例......26
3.1.1 TRACK 模塊的解算過程...........26
3.1.2 TRACK 模塊的解算實例...........27
3.2 與經(jīng)典 GPS定位的異同之處..........29
3.3 星歷及基線長短對定位精度的影響.......29
3.4 高頻 GPS 動態(tài)解算對流層天頂延遲的精度分析..........32
3.4.1 靜態(tài)解算對流層延遲與高頻 GPS 動態(tài)對流層延遲解算方法對比.......32
3.4.2 測站對流層天頂延遲解算........ 35
3.4.3 atm_bias 值對高頻 GPS 動態(tài)對流層延遲解算精度分析......38
3.5 本章小結...........39
第四章 高頻 GPS 在橋梁振動監(jiān)測中的應用研究..........40
4.1 橋梁振動數(shù)據(jù)采集與處理.......40
4.1.1 數(shù)據(jù)采集.... 40
4.1.2 GPS 數(shù)據(jù)處理..........41
4.2 分析與討論.......43
4.3 本章小結...........46
第五章 總結與展望....47
5.1 總結...........47
5.2 展望...........48

第四章 高頻 GPS 在橋梁振動監(jiān)測中的應用研究

隨著科學技術、交通運輸以及經(jīng)濟的不斷發(fā)展，許多大型橋梁應運而生，但是在建設初期，由于對這些大型橋梁缺乏必要的監(jiān)測以及相應的養(yǎng)護措施，導致了世界各地出現(xiàn)了大量的橋梁損壞事故，給人們的經(jīng)濟和生命財產(chǎn)造成了重大的損失。1940 年完工的塔可馬大橋只運營了三個月就發(fā)生了坍塌；1994 年 10 韓國漢城的圣水大橋中間發(fā)生了斷裂事故，造成多人死亡和重傷，其事故原因是由于長期的超負荷運營造成橋梁破損。我國早期建造的很多大橋如濟南黃河橋、廣州海印橋等都在未達到設計壽命的情況下進行了拆除和更換，其主要原因都是因為缺乏必要的定期監(jiān)測和養(yǎng)護導致。雖然現(xiàn)在建設的大型橋梁在建設時期就已經(jīng)在橋梁內(nèi)部安裝了傳感器等設備，但是對于早期建設的仍在繼續(xù)工作的中小型橋梁缺少必要的監(jiān)測。由于橋梁腐蝕和車載量等外界因素對這些橋梁的影響，其承載力肯定有所下降，所以為了車輛行駛安全，有必要對這類橋梁進行振動監(jiān)測。本章將對淄博某橋梁進行實地監(jiān)測，并利用 TRACK 模塊對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行單歷元定位解算，最后利用頻譜分析和小波分解與重構對解算結果進行分析。

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總結

近年來隨著 GPS 數(shù)據(jù)采集設備以及 GPS 數(shù)據(jù)處理技術的發(fā)展，對于獲得短周期、瞬時的運動變化成為 GPS 研究新的方向。高頻 GPS 單歷元定位方法可以對采集的靜態(tài)高頻 GPS 數(shù)據(jù)通過后處理方式獲得單歷元的定位結果，為此，國內(nèi)外學者們相繼將該方法應用到地震監(jiān)測、橋梁振動、高大建筑物的擺動以及高速運動物體的軌跡監(jiān)測方面。論文在高頻 GPS 單歷元定位方法和 GAMIT/GLOBK 軟件介紹的基礎上，對關鍵技術進行了詳細分析，結合大地測量與地球動力學國家重點實驗室開放基金資助項目《實時 GPS 在地震學中的應用研究》，對 GAMIT/GLOBK 軟件中靜態(tài)對流層延遲解算和 TRACK 模塊的對流層延遲解算的原理進行了學習，并通過比較兩者的不同，通過改正 TRACK 模塊中的對流層延遲改正項，從而提高了動態(tài)解算對流層延遲解算精度；最后將高頻 GPS 單歷元定位技術應用到橋梁振動監(jiān)測方面，并利用小波分析方法對振動數(shù)據(jù)進行了分析。
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參考文獻(略)

本文編號：45214