博士论文摘要 | 韩军强：​高精度GNSS实时滑坡变形监测技术及环境建模分析研究

韩军强

    

中国科学院国家授时中心, 陕西 西安 710600

收稿日期：2019-05-07

基金项目：国家自然科学基金（41877289；41731066；41774025；41504006；41674034）

第一作者简介：韩军强(1989—), 男, 助理研究员, 2018年12月毕业于长安大学, 获工学博士学位(指导教师:杨元喜教授、张勤教授), 研究方向为GNSS导航定位理论研究及高精度定位应用。E-mail:[e-mail]

Research on high precision GNSS real time landslide deformation monitoring technology and environmental modeling

HAN Junqiang

                           

National Time Service Center, CAS, Xi'an 710600, China

First author:  HAN Junqiang(1989—), male, assistant researcher, received his doctoral degree from Chang'an University on June 2018, majors in GNSS navigation and positioning theory research and high-precision positioning applications.E-mail:[e-mail].

滑坡变形监测不仅是科学问题, 也是实践问题。对地质滑坡灾害进行高精度变形监测是防灾减灾至关重要的命题。GNSS作为滑坡监测预警的重要手段之一, 不仅具有连续高精度、全天候监测能力, 而且是目前唯一可以直接获取滑坡地表三维矢量变形的监测手段。然而, 滑坡灾害往往多发于山地丘陵等复杂环境下, 加上地震、降雨等因素的诱发作用, 极易影响GNSS技术的实时预处理质量和监测定位精度；此外, 高价位的GNSS监测终端开销也使得大规模、高密度滑坡监测难以大规模推广应用。针对上述滑坡复杂环境影响和设备成本问题, 本研究分别从高精度GNSS实时数据预处理算法、空间地形环境建模和低成本云平台监测系统3个方面进行了探讨。主要内容如下：

(1) 研究总结了GNSS变形监测的常用技术、影响GNSS监测精度的主要误差源及改正策略、实时数据预处理中钟差与周跳探测关键技术与方法、实时高精度定位技术中模糊度固定理论与方法, 重点分析了多路径误差原理、实时周跳探测方法以及非差整周模糊度固定理论与方法。

(2) 研究了卫星端高精度FCB及DCB估计方法, 联合iGMAS/IGS全球连续跟踪网数据, 分别估计了卫星端宽巷FCB单天解、15 min窄巷FCB快速解和北斗单天DCB解, 并基于FCB产品验证分析了复杂环境下GNSS-PPP固定解精度。试验结果证明, 基于FCB产品的基准站静态解可提高至毫米级精度, 监测站实时动态解可实现厘米级精度；基于DCB产品的单频定位精度平面分量提高约10%, 首次收敛时间提高约6%。为PPP固定解以及单频接收机在滑坡监测中应用提供技术支撑。

(3) 以秦巴山典型复杂滑坡监测环境为例, 通过GNSS实测数据伪距多路径、信噪比、定位精度因子、周跳发生率和实际定位精度5个方面的具体分析, 系统探讨了复杂环境对GNSS监测技术的具体影响。分析结果表明, 复杂环境观测噪声特性与高度角无显著规律, 与不同方位地形起伏紧密相关；与无遮挡环境相比, 实时GNSS-RTK定位固定解比率平均不足60%, 定位精度均达厘米级, 无法满足高精度监测需求。为进一步空间环境建模分析研究奠定了基础。

(4) 针对传统的截止高度角策略在粗差识别、高度角加权以及部分模糊度固定不适用问题, 分析了地形特征与GNSS卫星空间位置的几何关系, 提出了基于GNSS卫星方位信息构建空间环境模型的方法, 并利用不同时空域地形线对空间环境模型的特性进行分析, 最后通过GNSS数据处理对该模型进行验证。结果表明, 基于该环境模型, 可以有效剔除粗差, 模糊度成功率显著提高至95%以上, 基于此, 再进一步恒星日滤波, 可以使定位精度水平分量优于±2.5 mm, 高程分量优于±5 mm。

(5) 复杂环境GNSS信号多路径效应因遮挡物离天线的位置以及植被的空间位置不同而存在差异。因此, 本文分析了复杂地形下卫星位置与双差观测值残差的关系, 推导了空间地形、植被高度分别与高度角加权策略的关系, 通过引入投影变换方法建立了基于卫星虚拟高度角的等效加权定位模型。实测数据验证结果表明, 该模型能够显著提高实时GNSS-RTK定位精度, 可使水平精度优于±1 cm, 高程精度优于±2.5 cm。

(6) 基于高精度GNSS滑坡监测算法及环境模型, 简化传统GNSS监测终端组成, 研制了低成本一体化GNSS数据采集终端；结合网络计算资源分别从实时数据采集、高精度数据处理及监测结果发布三方面详细设计, 最终研发了一套可以同时实现多区域、多领域高精度GNSS变形云监测服务系统。

【引文格式】韩军强. 高精度GNSS实时滑坡变形监测技术及环境建模分析研究. 测绘学报，2020，49(3)：397-397. DOI: 10.11947/j.AGCS.2020.20190177