全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)作為21世紀(jì)高新技術(shù),目前已經(jīng)在國土測繪、交通運(yùn)輸、公共安全、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)以及國防軍事等領(lǐng)域得到了深入而廣泛的應(yīng)用。GNSS接收機(jī)可以接收直射和反射信號。GNSS直射信號已廣泛應(yīng)用于大氣溫濕度、天氣預(yù)報(bào)、氣象學(xué)、電離層監(jiān)測等領(lǐng)域。利用其反射信號可以對目標(biāo)面(水位變化、海面高度、土壤濕度、植被水含量、雪水當(dāng)量、積雪深度等)進(jìn)行特征提取,是衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn),在地球環(huán)境科學(xué)等領(lǐng)域有著很好的應(yīng)用潛力。本文深入研究了利用GNSS技術(shù)進(jìn)行水位反演的理論方法,實(shí)現(xiàn)了利用單GPS天線進(jìn)行水位反演的技術(shù),并在時(shí)間域下采用多元線性回歸、主成分分析等方法分析水位及溫度對山西省西龍池上水庫大壩變形的影響,在頻率域下分析水位、溫度及大壩變形的頻譜特征。研究內(nèi)容及成果主要包括以下方面:(1)研究了 GNSS反射信號理論、SNR信號的特性,并對測站的有效衛(wèi)星進(jìn)行了分析,總結(jié)了信號有效反射區(qū)的特點(diǎn)。SNR信號隨衛(wèi)星高度角呈現(xiàn)周期性的變化,衛(wèi)星高度角越低,其信號強(qiáng)度越低。L1載波上的信號和L2載波上的信號強(qiáng)度存在明顯的區(qū)別,L1的SNR信號功率相對于L2高出20dB-Hz,新增的L2C碼的SNR信號強(qiáng)度要強(qiáng)于L1碼,L2C SNR的精度也明顯高于L1 SNR。當(dāng)水位高度不同時(shí),SNR序列的頻率和相位存在明顯的不同。(2)發(fā)展了基于信噪比頻譜分析理論的水位反演方法,并反演出山西省西龍池上水庫水位,并對反演結(jié)果進(jìn)行準(zhǔn)確性分析,給出反演水位精度的評判標(biāo)準(zhǔn)。將2013年前6個(gè)月的反演水位與實(shí)測水位進(jìn)行比較分析,驗(yàn)證了反演結(jié)果的準(zhǔn)確性。同測站不同衛(wèi)星的功率譜波峰一致,中誤差優(yōu)于0.05m;同測站不同日反演水位差與實(shí)測水位差差值優(yōu)于0.4m;不同測站反演水位差值近似相等。分析6個(gè)月的反演水位和實(shí)測水位時(shí)間序列發(fā)現(xiàn),反演水位與實(shí)測水位走勢一致,且每個(gè)月的相關(guān)性均大于90%,說明反演水位和實(shí)測水位具有強(qiáng)相關(guān)性。水位平穩(wěn)期殘差可以控制在0.4m以內(nèi)。在剔除粗差的情況下,實(shí)驗(yàn)所用的GNSS水位反演方法精度優(yōu)于0.2m。(3)分析了在時(shí)間域下溫度、水位、時(shí)效等因素作為影響因子對大壩變形的作用,利用多元線性回歸分析、主成分分析等方法分析三種因素對西龍池上水庫大壩變形的影響。結(jié)果表明:兩種方法效果近似,S071站E方向的擬合結(jié)果較好的反映了其變形狀況,其中季節(jié)性變化(溫度)貢獻(xiàn)較大。但是在每年年中夏季位移發(fā)生階躍性跳變時(shí),擬合結(jié)果與變形差異較大。其他測站擬合結(jié)果在一定程度上反映了變形狀況,但是對變形序列中的特征變化擬合效果不佳,說明溫度和水位對變形的影響量級較小,該影響容易被大壩自身因素引起的變形及殘差等因素覆蓋。(4)分析了頻率域下基于Lomb-Scargle方法的溫度、水位及大壩變形的時(shí)間序列頻譜特征,得出三者時(shí)間序列頻率的特征與關(guān)系。研究結(jié)果表明:水位和溫度都有年周期變化,還有各自的特征頻率。水位的主要頻率有0.98 yr-1、0.62 yr-1、1.50yr-1、0.31yr-1,溫度的主要頻率有1 5yr-1、1yr-1、0.70yr-1、0.50yr-1。四個(gè)監(jiān)測站都有與水位和溫度相一致的年周期,同時(shí)也存在相似的特征頻率,分析認(rèn)為水位和溫度對大壩的變形產(chǎn)生了影響。(5)分析了大壩7天的動態(tài)變形監(jiān)測數(shù)據(jù)來研究在短時(shí)間內(nèi)水位對大壩變形的影響。對四個(gè)測站在水壓方向上的變形進(jìn)行頻譜分析發(fā)現(xiàn),變形存在一致的頻率,這說明四個(gè)測站沿水壓方向具有相同規(guī)律的變化,認(rèn)為水位對測站沿水壓方向的變形產(chǎn)生了影響。
【學(xué)位單位】：武漢大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2017
【中圖分類】：TV698.11;P332.3
【文章目錄】：
摘要
Abstract
第1章 緒論
    1.1 研究背景與意義
    1.2 研究現(xiàn)狀與趨勢
        1.2.1 GNSS水位反演技術(shù)研究現(xiàn)狀
        1.2.2 大壩結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的研究現(xiàn)狀
        1.2.3 研究趨勢
    1.3 研究目標(biāo)與內(nèi)容
        1.3.1 研究目標(biāo)
        1.3.2 研究內(nèi)容
        1.3.3 創(chuàng)新點(diǎn)及難點(diǎn)
第2章 GNSS水位反演及大壩變形分析理論與方法
    2.1 GNSS水位反演理論與方法
        2.1.1 GNSS反射信號理論
        2.1.2 Lomb-Scargle頻譜分析法
        2.1.3 GNSS水位反演原理
    2.2 大壩變形分析方法
        2.2.1 基線解算軟件與方法
        2.2.2 多元線性回歸分析方法
        2.2.3 主成分分析方法
    2.3 本章小結(jié)
第3章 西龍池上水庫GNSS水位反演
    3.1 西龍池上水庫GNSS監(jiān)測系統(tǒng)介紹
        3.1.1 西龍池上水庫概況
        3.1.2 觀測數(shù)據(jù)及其預(yù)處理
    3.2 觀測數(shù)據(jù)用于水位反演的可行性分析
        3.2.1 信噪比特征分析
        3.2.2 測站有效衛(wèi)星分析
        3.2.3 菲涅耳反射區(qū)分析
    3.3 西龍池上水庫GNSS水位反演過程及分析
        3.3.1 GNSS水位反演過程
        3.3.2 反演水位的準(zhǔn)確性分析
        3.3.3 反演水位精度評判標(biāo)準(zhǔn)
        3.3.4 GNSS水位反演結(jié)果
    3.4 本章小結(jié)
第4章 西龍池上水庫大壩變形分析
    4.1 數(shù)據(jù)獲取及處理
    4.2 時(shí)間域下大壩變形分析
        4.2.1 多元線性回歸分析
        4.2.2 主成分分析
        4.2.3 相關(guān)性分析
    4.3 頻率域下大壩變形分析
    4.4 大壩動態(tài)變形數(shù)據(jù)分析
    4.5 本章小結(jié)
第5章 總結(jié)與展望
    5.1 主要工作內(nèi)容及結(jié)論
    5.2 展望
參考文獻(xiàn)
致謝

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2850673