第一章 緒論

1.1、研究背景及意義
高精度 GPS 測(cè)量與經(jīng)典的測(cè)量方法相比，其優(yōu)點(diǎn)為定位精度高、可以為用戶提供站點(diǎn)的三維坐標(biāo)，儀器的操作和數(shù)據(jù)解算流程簡(jiǎn)便，觀測(cè)時(shí)間短，而且可以全天候的工作等等，因而現(xiàn)代 GPS 定位技術(shù)在測(cè)量工作中得到了廣泛應(yīng)用。到了 20 世紀(jì)九十年代，GPS 對(duì)上千公里范圍內(nèi)的基線解算，其相對(duì)定位精度可以達(dá)到千萬分之一。1994 年 IGS(國(guó)際 GNSS 服務(wù))正式成立，并在短時(shí)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(cè)站，目前的 GNSS 測(cè)站數(shù)已經(jīng)達(dá)到了三百多個(gè)站點(diǎn)。IGS 中心會(huì)向全球的每個(gè)用戶發(fā)布其衛(wèi)星星歷、IGS 跟蹤站的站點(diǎn)坐標(biāo)和站點(diǎn)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(duì)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(duì)于推進(jìn) GPS 技術(shù)在大地測(cè)量學(xué)中的應(yīng)用起到了極大的推動(dòng)作用。鑒于 GPS 的實(shí)時(shí)、全天候不間斷、操作簡(jiǎn)便、高精度等特點(diǎn)，GPS 測(cè)量技術(shù)可以很好的運(yùn)用到車輛導(dǎo)航、地形圖測(cè)量、控制點(diǎn)測(cè)量、形變監(jiān)測(cè)、地震監(jiān)測(cè)、速度測(cè)量等多個(gè)領(lǐng)域。但是對(duì)于傳統(tǒng)的 GPS 測(cè)量技術(shù)來說，由于接收機(jī)軟件和硬件設(shè)備較差如：采樣率和定位技術(shù)差的原因，現(xiàn)在 GPS 技術(shù)設(shè)備主要是應(yīng)用于研究地表較長(zhǎng)周期的變化，尤其是對(duì)于長(zhǎng)周期地殼運(yùn)動(dòng)位移變化的監(jiān)測(cè)發(fā)揮了巨大的作用，如板塊運(yùn)動(dòng)、冰后回彈等[1]。但是對(duì)于某些領(lǐng)域而言，對(duì)于某些長(zhǎng)周期的運(yùn)動(dòng)變化分析雖然重要，但對(duì)于短周期的、短時(shí)瞬時(shí)變化運(yùn)動(dòng)信息的獲取也顯得越來越有應(yīng)用價(jià)值。因此，隨著 GPS設(shè)備以及數(shù)據(jù)處理技術(shù)的發(fā)展，例如觀測(cè)精度和處理方法的不斷改進(jìn)和提高以及高采樣率(1Hz 以上，最高可達(dá) 50Hz) GPS 接收機(jī)的相繼出現(xiàn)。隨著對(duì)形變瞬時(shí)變化分析技術(shù)以及 GPS 的觀測(cè)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(shù)對(duì)瞬時(shí)形變進(jìn)行研究。其中應(yīng)用最為廣泛的就是利用高采樣率 GPS 技術(shù)對(duì)地震及地殼的瞬時(shí)形變進(jìn)行研究，并隨之形成了一門新的學(xué)科-GPS 地震學(xué)[2]。隨著越來越多的人研究高頻 GPS 在地震學(xué)中的應(yīng)用，促使了高頻 GPS 監(jiān)測(cè)和解算技術(shù)在其它方面也得到了很好的發(fā)展，例如利用高頻 GPS 對(duì)橋梁震動(dòng)、高大建筑物擺動(dòng)以及高速運(yùn)動(dòng)的物體的運(yùn)動(dòng)軌跡監(jiān)測(cè)等方面[3]。
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1.2 國(guó)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(biāo)，則需要采用相位觀測(cè)值，通過相位觀測(cè)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(shí)現(xiàn)起來難度較大的，對(duì)每個(gè)歷元單獨(dú)解算整周模糊度，由于該方法對(duì)模糊度值的約束比較難，模糊度解算錯(cuò)誤的概率就相應(yīng)的比較大。而如果解算出來的模糊度值不準(zhǔn)確，這將使得定位結(jié)果出現(xiàn)錯(cuò)誤，但是該方法優(yōu)點(diǎn)是 GPS 每個(gè)歷元觀測(cè)數(shù)都可以實(shí)時(shí)解算出一個(gè)坐標(biāo)，目前美國(guó)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(duì)所有的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行整體解算，整體分配模糊度，該方法對(duì)模糊度值的約束力較強(qiáng)，通常需要一段時(shí)間的的觀測(cè)才能完成解算[5]，目前主要運(yùn)用此方法的軟件是 GAMIT/GLOBK 的雙差動(dòng)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(duì)定位（Relative Positioning）和精密單點(diǎn)定位（Precise Point Positioning）方法。相對(duì)定位是假定一個(gè)站為參考站（固定不動(dòng)），從而計(jì)算流動(dòng)站相對(duì)于參考站的坐標(biāo)差，其定位優(yōu)點(diǎn)是在基線較短時(shí)，很多種誤差都可以通過單差或者雙差的方法進(jìn)行消除；精密單點(diǎn)定位方法只需要流動(dòng)站點(diǎn)的觀測(cè)數(shù)據(jù)就可完成站點(diǎn)定位，且其定位結(jié)果是流動(dòng)站在參考框架下的三維坐標(biāo)。
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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(yīng)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(diǎn)，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(lǐng)域都起到了舉足輕重的作用，極大的推動(dòng)了相關(guān)科學(xué)研究工作的開展。雖然如此，但學(xué)者們對(duì) GPS 的相關(guān)研究也沒有停止過，國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者為了能滿足用戶對(duì)精度、可靠性等的要求，正利用各種途徑來改進(jìn)其性能，衛(wèi)星軌道的精確度就是其中一項(xiàng)重要的改進(jìn)途徑[18]。軌道可以說是航天技術(shù)應(yīng)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(duì)軌道做精確的預(yù)測(cè)和計(jì)算。我們可以根據(jù)衛(wèi)星軌道的任務(wù)來選擇何種衛(wèi)星軌道在空間中計(jì)算是最有利的，以及在衛(wèi)星運(yùn)行的基礎(chǔ)上，為了保持一個(gè)衛(wèi)星在預(yù)期的軌道中運(yùn)行，可以通過對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行發(fā)布信息來施加控制。由于地球外界空間條件復(fù)雜，，衛(wèi)星受到的外力難以用準(zhǔn)確的模型來描述，所以對(duì)于衛(wèi)星精密軌道的計(jì)算精度對(duì)提高定位精度是特別重要的，同時(shí)這一工作任務(wù)也是非常復(fù)雜的任務(wù)。
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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(huì)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(jié)為四類：與衛(wèi)星有關(guān)的誤差、與傳播路徑有關(guān)的誤差、與接收機(jī)有關(guān)的誤差和其他原因引起的誤差（包括相對(duì)論效應(yīng)、固體潮、極潮、海潮負(fù)荷等）[23]。這些因素主要是對(duì)電磁波到接收機(jī)之間的真實(shí)距離產(chǎn)生影響，使實(shí)際距離與監(jiān)測(cè)計(jì)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(diǎn)，建立相應(yīng)的誤差改正模型，從而提高解算精度。在進(jìn)行精密單點(diǎn)定位時(shí)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(biāo)準(zhǔn)時(shí)間和衛(wèi)星時(shí)鐘因?yàn)闀r(shí)鐘頻率漂移引起的時(shí)間差被稱為衛(wèi)星時(shí)鐘誤差，衛(wèi)星星歷誤差是指衛(wèi)星的實(shí)際運(yùn)行軌跡與通過實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)來計(jì)算和估計(jì)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(jì)算在任何時(shí)間的衛(wèi)星位置。但目前通過廣播星歷計(jì)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(jī)時(shí)鐘誤差，這樣在觀測(cè)時(shí)能產(chǎn)生 1.5-3 米的距離誤差。在精密單點(diǎn)定位時(shí)，我們無法通過雙差定位方式對(duì)衛(wèi)星鐘差和接收機(jī)鐘差進(jìn)行差分消除，所以衛(wèi)星鐘差和接收機(jī)鐘差的精度就成為了單點(diǎn)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(diǎn)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(shí)例......26
3.1.1 TRACK 模塊的解算過程...........26
3.1.2 TRACK 模塊的解算實(shí)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(zhǎng)短對(duì)定位精度的影響.......29
3.4 高頻 GPS 動(dòng)態(tài)解算對(duì)流層天頂延遲的精度分析..........32
3.4.1 靜態(tài)解算對(duì)流層延遲與高頻 GPS 動(dòng)態(tài)對(duì)流層延遲解算方法對(duì)比.......32
3.4.2 測(cè)站對(duì)流層天頂延遲解算........ 35
3.4.3 atm_bias 值對(duì)高頻 GPS 動(dòng)態(tài)對(duì)流層延遲解算精度分析......38
3.5 本章小結(jié)...........39
第四章 高頻 GPS 在橋梁振動(dòng)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究..........40
4.1 橋梁振動(dòng)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(jié)...........46
第五章 總結(jié)與展望....47
5.1 總結(jié)...........47
5.2 展望...........48

第四章 高頻 GPS 在橋梁振動(dòng)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究

隨著科學(xué)技術(shù)、交通運(yùn)輸以及經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，許多大型橋梁應(yīng)運(yùn)而生，但是在建設(shè)初期，由于對(duì)這些大型橋梁缺乏必要的監(jiān)測(cè)以及相應(yīng)的養(yǎng)護(hù)措施，導(dǎo)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(jì)和生命財(cái)產(chǎn)造成了重大的損失。1940 年完工的塔可馬大橋只運(yùn)營(yíng)了三個(gè)月就發(fā)生了坍塌；1994 年 10 韓國(guó)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(zhǎng)期的超負(fù)荷運(yùn)營(yíng)造成橋梁破損。我國(guó)早期建造的很多大橋如濟(jì)南黃河橋、廣州海印橋等都在未達(dá)到設(shè)計(jì)壽命的情況下進(jìn)行了拆除和更換，其主要原因都是因?yàn)槿狈Ρ匾亩ㄆ诒O(jiān)測(cè)和養(yǎng)護(hù)導(dǎo)致。雖然現(xiàn)在建設(shè)的大型橋梁在建設(shè)時(shí)期就已經(jīng)在橋梁內(nèi)部安裝了傳感器等設(shè)備，但是對(duì)于早期建設(shè)的仍在繼續(xù)工作的中小型橋梁缺少必要的監(jiān)測(cè)。由于橋梁腐蝕和車載量等外界因素對(duì)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(duì)這類橋梁進(jìn)行振動(dòng)監(jiān)測(cè)。本章將對(duì)淄博某橋梁進(jìn)行實(shí)地監(jiān)測(cè)，并利用 TRACK 模塊對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行單歷元定位解算，最后利用頻譜分析和小波分解與重構(gòu)對(duì)解算結(jié)果進(jìn)行分析。

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總結(jié)

近年來隨著 GPS 數(shù)據(jù)采集設(shè)備以及 GPS 數(shù)據(jù)處理技術(shù)的發(fā)展，對(duì)于獲得短周期、瞬時(shí)的運(yùn)動(dòng)變化成為 GPS 研究新的方向。高頻 GPS 單歷元定位方法可以對(duì)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(jié)果，為此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者們相繼將該方法應(yīng)用到地震監(jiān)測(cè)、橋梁振動(dòng)、高大建筑物的擺動(dòng)以及高速運(yùn)動(dòng)物體的軌跡監(jiān)測(cè)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(chǔ)上，對(duì)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)分析，結(jié)合大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金資助項(xiàng)目《實(shí)時(shí) GPS 在地震學(xué)中的應(yīng)用研究》，對(duì) GAMIT/GLOBK 軟件中靜態(tài)對(duì)流層延遲解算和 TRACK 模塊的對(duì)流層延遲解算的原理進(jìn)行了學(xué)習(xí)，并通過比較兩者的不同，通過改正 TRACK 模塊中的對(duì)流層延遲改正項(xiàng)，從而提高了動(dòng)態(tài)解算對(duì)流層延遲解算精度；最后將高頻 GPS 單歷元定位技術(shù)應(yīng)用到橋梁振動(dòng)監(jiān)測(cè)方面，并利用小波分析方法對(duì)振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。
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參考文獻(xiàn)(略)

本文編號(hào)：45214