一种精密单点定位变形监测方法及装置与流程

1.本技术涉及卫星定位技术领域，尤其涉及一种精密单点定位变形监测方法及装置。


背景技术：

2.自20世纪80年代以来，gnss（global navigation satellite system，全球卫星导航系统）以其全天候、自动化、高精度优点，广泛应用于火山、滑坡、地面沉降、大坝、桥梁、高楼等结构体的形变监测中，并取得了丰硕的研究成果。gnss高精度定位技术包含了相对定位技术和ppp（precise point positioning，精密单点定位）技术。相对定位技术是指利用两台gnss接收机，同步观测相同的gnss卫星，通过差分方法消除或减弱各项误差的影响，从而测定测站之间的相对位置。精密单点定位技术是指利用国际gnss服务等组织发布的精密星历产品，充分考虑各项误差精确改正，依靠单台接收机非差方法即可解算出测站的三维空间坐标。通过对监测点长时间跟踪观测，根据坐标位移序列掌握结构体的变形规律和变形规模，从而进行相应的预测、预警、预报工作。
3.相对定位技术已广泛应用在变形监测领域中，已应用在水库岸滑坡、矿区地裂缝、地面沉降等多个方面，成为了目前非常成熟的gnss变形监测技术，应用在各监测工程项目中。有学者也尝试将精密单点定位技术应用在变形监测领域中，比如滑坡监测、矿山变形监测、地震位移监测等等，但目前现有的精密单点定位技术存在收敛时间较长的问题，通常需要十几分钟至半个小时，不利于及时监测预警预报。
4.因此，如何提高精密单点定位变形监测过程中的收敛速度和监测精度，成为需要解决的问题。
5.在背景技术中公开的上述信息仅用于加强对本技术的背景的理解，因此其可能包含没有形成为本领域普通技术人员所知晓的现有技术的信息。


技术实现要素：

6.本技术提供一种精密单点定位变形监测方法及装置，用以解决现有技术存在的问题。
7.第一方面，本技术提供一种精密单点定位变形监测方法，包括以下步骤：s1.获取精密改正信息，所述精密改正信息包括：监测点的接收机坐标信息、对流层延迟信息、电离层延迟信息；s2.采用卡尔曼滤波对所述接收机坐标信息、所述对流层延迟信息、所述电离层延迟信息进行参数估计，得到所述监测点在当前历元的精密单点定位ppp变形监测解算结果；其中，所述参数估计过程中包括：对所述监测点增加监测点坐标约束，和/或，对所述监测点增加大气延迟信息约束。
8.在一些实施例中，所述对所述监测点增加监测点坐标约束，包括以下步骤：a1.根据所述监测点在预设天数内的ppp静态解算结果，确定所述监测点的单天解坐标，将所述单天解坐标作为所述监测点的监测点初始坐标；a2.通过所述监测点初始坐标约束ppp坐标参
数，并在所述卡尔曼滤波中新增坐标约束方程。
9.在一些实施例中，所述坐标约束方程表示为：约束方程表示为：其中，是国际地球参考坐标系下的所述监测点初始坐标，是待求取的监测点坐标，是坐标约束的改正值，是所述坐标约束的虚拟观测值协方差阵，为所述初始坐标的精度，是所述初始坐标对应的纬度和经度，是国际地球参考坐标系转换至站心坐标系的转换矩阵。
10.在一些实施例中，还包括：在所述卡尔曼滤波中新增所述ppp坐标参数的历元间过程噪声约束方程。
11.在一些实施例中，所述历元间过程噪声约束方程表示为：其中，表示当前历元观测时刻，表示上一历元观测时刻，表示第历元预测的接收机坐标参数，是假定坐标参数的历元间变化量，是对坐标参数附加的过程噪声。
12.在一些实施例中，所述对所述监测点增加大气延迟信息约束，包括：b1.通过ppp动态解获取所述监测点的第一大气延迟信息，所述第一大气延迟信息包括所述对流层延迟信息和所述电离层延迟信息；b2.获取所述监测点周围参考站点的第二大气延迟信息，根据所述第二大气延迟信息得到监测点上空的第三大气延迟信息；b3.通过所述第三大气延迟信息，对所述第一大气延迟信息中的所述对流层延迟信息增加对流层延迟约束方程，以及，对所述第一大气延迟信息中的所述电离层延迟信息增加电离层延迟约束方程。
13.在一些实施例中，所述b2，使用三角网反距离加权法内插出所述监测点的所述大气延迟信息。
14.在一些实施例中，所述对流层延迟约束方程具体表示为：其中，为对流层延迟改正值，为内插出来的所述监测点的对流层延迟参数，为解算中的对流层延迟参数，是对流层延迟约束的虚拟观测值协方差，为先验对
流层延迟精度。
15.在一些实施例中，所述电离层延迟约束方程具体表示为：：其中，为电离层延迟改正值，为内插出来的所述监测点的星间单差电离层延迟参数，为系数阵，为解算的非差电离层延迟参数，是电离层延迟约束的虚拟观测值协方差，为先验电离层延迟精度。
16.第二方面，本技术还提供一种精密单点定位变形监测装置，包括：获取模块，用于获取精密改正信息，所述精密改正信息包括：监测点的接收机坐标信息、对流层延迟信息、电离层延迟信息；处理模块，用于采用卡尔曼滤波对所述接收机坐标信息、所述对流层延迟信息、所述电离层延迟信息进行参数估计，得到所述监测点在当前历元的精密单点定位ppp变形监测解算结果；其中，所述参数估计过程中包括：对所述监测点增加监测点坐标约束，和/或，对所述监测点增加大气延迟信息约束。
17.本技术提供的精密单点定位变形监测方法，包括以下步骤：s1.获取精密改正信息，所述精密改正信息包括：监测点的接收机坐标信息、对流层延迟信息、电离层延迟信息；s2.采用卡尔曼滤波对所述接收机坐标信息、所述对流层延迟信息、所述电离层延迟信息进行参数估计，得到所述监测点在当前历元的精密单点定位ppp变形监测解算结果；其中，所述参数估计过程中包括：对所述监测点增加监测点坐标约束，和/或，对所述监测点增加大气延迟信息约束，用于加快ppp收敛速度，减小接收机端硬件延迟而导致的误差影响，提高监测精度。在采用卡尔曼滤波精密改正信息进行参数估计过程中，一方面，通过监测过程中对监测点增加监测点坐标约束，加快ppp收敛速度，通过附加坐标、对流层延迟、电离层延迟参数的先验约束信息，加快其他参数收敛与误差分离，快速得到高精度位置解，解决因观测数据中断、设备故障、精密星历每天不连续性带来的ppp重新初始化问题；另一方面，通过监测过程中对监测点增加大气延迟信息约束，提高监测精度，对参数的约束能够限制参数的变化范围，抵御粗差、周跳等对监测结果的影响。
附图说明
18.此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本技术的实施例，并与说明书一起用于解释本技术的原理。
19.图1为本技术提供的精密单点定位变形监测方法的步骤流程图；图2为本技术提供的精密单点定位变形监测方法中涉及的监测点坐标约束与无约束的ppp监测结果对比图，其中，（a）是监测点坐标约束与无约束在东方向的ppp监测结果；（b）是监测点坐标约束与无约束在北方向的ppp监测结果；（c）是监测点坐标约束与无约束
在高程方向的ppp监测结果；图3为本技术提供的精密单点定位变形监测方法中涉及的大气延迟信息约束与无约束的ppp监测结果对比图，其中，（a）是大气延迟信息约束与无约束在东方向的ppp监测结果；（b）是大气延迟信息约束与无约束在北方向的ppp监测结果；（c）是大气延迟信息约束与无约束在高程方向的ppp监测结果。
20.通过上述附图，已示出本技术明确的实施例，后文中将有更详细的描述。这些附图和文字描述并不是为了通过任何方式限制本技术构思的范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本技术的概念。
具体实施方式
21.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
22.在本技术实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本技术实施例中所使用的单数形式的“一种”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。
23.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本技术的描述中，“多个”、“若干个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
24.须知，本说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本技术可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本技术所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本技术所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。
25.应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。另外，本文中字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
26.取决于语境，如在此所使用的词语“如果”、“若”可以被解释成为“在
……
时”或“当
……
时”或“响应于确定”或“响应于检测”。类似地，取决于语境，短语“如果确定”或“如果检测（陈述的条件或事件）”可以被解释成为“当确定时”或“响应于确定”或“当检测（陈述的条件或事件）时”或“响应于检测（陈述的条件或事件）”。
27.还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。
28.背景技术问题的详细分析：
相对定位技术要求布设稳定可靠的基准点，且监测点和基准点进行同步观测。受现实的地质条件、电力和通信的影响，监测区域内可能难以布设稳定的、观测环境良好的基准点。同时，当基准点与监测点所处的观测环境差异大时，大气误差和多路径误差难以较好地消除，降低了变形监测性能。对于地震、地壳形变这种特大范围的监测，相对定位技术已不再适用。
29.目前ppp变形监测解算方程为：目前ppp变形监测解算方程为：其中，、分别为接收机伪距与载波相位观测值,是接收机至卫星的空间几何距离；、分别为接收机和卫星钟差偏差，表示接收机倾斜对流层延迟, 是第个频率观测值的波长，表示第个频率电离层延迟系数，表示接收机l1频率上的斜向电离层延迟，、为第个频率上的接收机端和卫星端伪距硬件延迟，为接收机端相位硬件延迟，、为卫星端相位硬件延迟稳定部分和时变部分，是多路径和未被模型化的测量噪声。
30.利用接收机采集的监测站观测数据和igs等分析中心下载的精密星历文件，对接收机坐标、对流层延迟、电离层延迟、模糊度等进行参数估计。在参数估计方面，选用扩展卡尔曼滤波方法，其原理是采用递推算法进行预测与量测更新求取未知参数，所得当前历元的解算结果更为可靠。
31.卡尔曼滤波中依据观测值和预测值，对参数估计进行不断的“预测-修正”过程，其具体步骤如下：（1）预测下一历元（1）预测下一历元其中，和分别表示当前历元时刻和上一历元观测时刻，表示第历元的未知参数向量，表示第历元至第历元的系统状态转移矩阵，表示第历元未知参数的协方差阵，为状态参数过程噪声阵。
32.（2）计算增益矩阵其中， 表示第历元的观测方程系数矩阵，增益矩阵的影响取决于状态参数的协方差阵和观测值协方差阵。
33.（3）修正当前历元
其中，表示第历元的观测向量，表示观测残差向量。
34.专业术语的解释：卡尔曼滤波：卡尔曼滤波(kalman filtering)是一种利用线性系统状态方程，通过系统输入输出观测数据，对系统状态进行最优估计的算法。由于观测数据中包括系统中的噪声和干扰的影响，所以最优估计也可看作是滤波过程。
35.下面以具体地实施例对本技术的技术方案以及本技术的技术方案如何解决上述技术问题进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例中不再赘述。下面将结合附图，对本技术的实施例进行描述。
36.图1为本技术实施例提供的精密单点定位变形监测方法的步骤流程图，如图1所示，本技术提供一种精密单点定位变形监测方法，包括以下步骤：s1.获取精密改正信息，所述精密改正信息包括：监测点的接收机坐标信息、对流层延迟信息、电离层延迟信息；s2.采用卡尔曼滤波对所述接收机坐标信息、所述对流层延迟信息、所述电离层延迟信息进行参数估计，得到所述监测点在当前历元的精密单点定位ppp变形监测解算结果；其中，所述参数估计过程中包括：对所述监测点增加监测点坐标约束，和/或，对所述监测点增加大气延迟信息约束，用于加快ppp收敛速度，减小接收机端硬件延迟而导致的误差影响，提高监测精度。本技术涉及的技术方案，在采用卡尔曼滤波精密改正信息进行参数估计过程中，一方面，通过监测过程中对监测点增加监测点坐标约束，加快ppp收敛速度，通过附加坐标、对流层延迟、电离层延迟参数的先验约束信息，加快其他参数收敛与误差分离，快速得到高精度位置解，解决因观测数据中断、设备故障、精密星历每天不连续性带来的ppp重新初始化问题；另一方面，通过监测过程中对监测点增加大气延迟信息约束，提高监测精度，对参数的约束能够限制参数的变化范围，抵御粗差、周跳等对监测结果的影响。
37.需要说明的是，在本技术实施例中，所述s2，采用卡尔曼滤波对所述接收机坐标信息、所述对流层延迟信息、所述电离层延迟信息、接收机钟差信息以及模糊度信息进行参数估计。
38.在一些实施例中，对监测点增加监测点坐标约束，包括以下步骤：a1.根据监测点在预设天数内的ppp静态解算结果，确定监测点的单天解坐标，将单天解坐标作为监测点的监测点初始坐标。
39.具体的，在本技术实施例中，由于监测点往往是稳定不动的，预设天数可以设为一天、一个月、或者半年，预设天数根据监测点是否进入快速滑动期进行确定。每天对监测点进行ppp静态解算，求取单天解坐标，单天解坐标为每天对监测点进行ppp静态解算得到的监测点初始坐标。
40.更为具体地阐述，在本技术实施例中，多个单天解坐标形成单天解坐标序列，对多年的单天解坐标序列进行分析，可以提取监测点的变形趋势，根据变形趋势可进行变形建模与预测预报。
41.a2.通过监测点初始坐标约束ppp坐标参数，并在卡尔曼滤波中新增坐标约束方程。
42.可选的，由于约束场景常关注于水平或高程方向约束，因此，将初始坐标在国际地球参考坐标系下的xyz方向约束转换至站心坐标系下的enu方向约束，实现水平或高程方向约束。
43.在一些实施例中，坐标约束方程表示为：在一些实施例中，坐标约束方程表示为：其中，是国际地球参考坐标系下的所述监测点初始坐标，是待求取的监测点坐标，是坐标约束的改正值，是所述坐标约束的虚拟观测值协方差阵，为所述初始坐标的精度，是所述初始坐标对应的纬度和经度，是国际地球参考坐标系转换至站心坐标系的转换矩阵。
44.具体地，在本技术实施例中，坐标约束方程基于精密初始坐标信息对坐标参数进行约束。
45.在一些实施例中，还包括：在卡尔曼滤波中新增ppp坐标参数的历元间过程噪声约束方程。
46.具体的，在本技术实施例中，对监测点进行初始坐标约束有利于加快ppp收敛，解决因观测数据中断、设备故障、精密星历每天不连续性带来的ppp解算重新初始化问题。同时，在稳定时期，监测点历元间变形量也很小，对ppp坐标参数的历元间过程噪声也可以附加相应约束，以此提高ppp定位稳定性。
47.在一些实施例中，历元间过程噪声约束方程表示为：其中，表示当前历元观测时刻，表示上一历元观测时刻，表示第历元预测的接收机坐标参数，是假定坐标参数的历元间变化量， 是对坐标参数附加的过程噪声。
48.图2为本技术提供的精密单点定位变形监测方法中涉及的监测点坐标约束与无约束的ppp监测结果对比图，如图2所示，实验数据为实际工程监测数据，将附加先验初始坐标以及历元间坐标噪声约束，水平2cm 高程2cm约束，与无约束的ppp监测结果对比。以高精度的初始坐标作为参考真值，统计东北天方向定位误差。由图2的实验结果可知，与无约束结果相比，附加坐标约束的ppp能够实现瞬时收敛，同时有利于抵御粗差对ppp结果影响，显著提升高程方向上的定位精度。
49.在一些实施例中，对监测点增加大气延迟信息约束，包括：
b1.通过ppp动态解获取监测点的第一大气延迟信息，第一大气延迟信息包括对流层延迟信息和电离层延迟信息。
50.b2.获取监测点周围参考站点的第二大气延迟信息，根据第二大气延迟信息得到监测点上空的第三大气延迟信息。
51.具体的，在本技术实施例中，ppp静态解不仅能够得到高精度初始坐标，同时也能得到高精度第二大气延迟信息。
52.其中，ppp技术提取的电离层延迟信息吸收了接收机端硬件延迟，对此，基于星间单差法对求取的电离层延迟信息作差，消除接收机端硬件延迟影响。
53.可选的，在本技术实施例中，监测点周围参考站点包括：监测点周围的cors（continuously operating reference stations，连续运行参考站）或者其他基准点。
54.具体的，在本技术实施例中，根据第二大气延迟信息通过区域建模或者内插方法得到第三大气延迟信息，即监测点上空的大气延迟信息。
55.在一些实施例中，b2中使用三角网反距离加权法内插出监测点的第三大气延迟信息，第三大气延迟信息用于约束对流层延迟信息和电离层延迟信息。
56.具体的，在本技术实施例中，三角网是指三个参考点，根据三个参考点与监测点之间的距离，确定各个参考点的大气延迟权重，如距离监测点越近的参考点，它的第一大气延迟信息权重越大。
57.需要进一步说明的是，在本技术实施例中，反距离加权法可以基于现有技术实现，在此不再赘述。
58.b3.通过第三大气延迟信息，对第一大气延迟信息中的对流层延迟信息增加对流层延迟约束方程，以及，对第一大气延迟信息中的电离层延迟信息增加电离层延迟约束方程。
59.在一些实施例中，对流层延迟约束方程具体表示为：其中，为对流层延迟改正值，为内插出来的所述监测点的对流层延迟参数，为解算中的对流层延迟参数，是对流层延迟约束的虚拟观测值协方差，为先验对流层延迟精度。
60.需要说明的是，在本技术实施例中，对流层延迟约束方程为在卡尔曼滤波中建立的虚拟观测方程，对流层延迟约束方程基于精密对流层延迟信息对对流层参数进行约束。
61.在一些实施例中，电离层延迟约束方程具体表示为：在一些实施例中，电离层延迟约束方程具体表示为：其中，为电离层延迟改正值，为内插出来的所述监测点的星间单差电离层延迟参数，为系数阵，为解算的非差电离层延迟参数，是电离层延迟约束的虚拟观
测值协方差，为先验电离层延迟精度。
62.可选的，在本技术实施例中，与对流层延迟约束方程不同，附加电离层延迟约束需要选取一颗参考星，对电离层参数进行星间单差，以消除接收机端硬件延迟影响。
63.具体的，在本技术实施例中，电离层延迟约束方程为附加星间单差的电离层约束方程。
64.图3为本技术提供的精密单点定位变形监测方法中涉及的大气延迟信息约束与无约束的ppp监测结果对比图，如图3所示，实验数据为实际工程监测数据，将附加先验大气延迟约束，对流层延迟约束5 cm，电离层延迟约束2 dm，与无约束的ppp监测结果对比。以高精度的初始坐标作为参考真值，统计东北天方向定位误差。对实验结果进行分析：附加先验大气延迟约束的ppp监测序列能实现快速收敛，同样地也有利于提升东北天方向定位精度。
65.本技术还提供一种精密单点定位变形监测装置，包括：获取模块，用于获取精密改正信息，所述精密改正信息包括：监测点的接收机坐标信息、对流层延迟信息、电离层延迟信息；处理模块，用于采用卡尔曼滤波对所述接收机坐标信息、所述对流层延迟信息、所述电离层延迟信息进行参数估计，得到所述监测点在当前历元的精密单点定位ppp变形监测解算结果；其中，所述参数估计过程中包括：对所述监测点增加监测点坐标约束，和/或，对所述监测点增加大气延迟信息约束，用于加快ppp收敛速度，减小接收机端硬件延迟而导致的误差影响，提高监测精度。
66.应该理解的是，虽然上述实施例中的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，其可以以其他的顺序执行。而且，图中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，其执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其他步骤或者其他步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
67.本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本技术所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器（rom）、可编程rom（prom）、电可编程rom（eprom）、电可擦除可编程rom（eeprom）或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器（ram）或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，ram以多种形式可得，诸如静态ram（sram）、动态ram（dram）、同步dram（sdram）、双数据率sdram（ddrsdram）、增强型sdram（esdram）、同步链路（synchlink） dram（sldram）、存储器总线（rambus）直接ram（rdram）、直接存储器总线动态ram（drdram）、以及存储器总线动态ram（rdram）等。
68.本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的申请后，将容易想到本技术的其它实施方案。本技术旨在涵盖本技术的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本技术的一般性原理并包括本技术未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本技术的真正范围和精神由下面的权利要求书指出。
69.应当理解的是，本技术并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并
且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本技术的范围仅由所附的权利要求书来限制。