基于GNSS的大坝垂直位移监测基准网自动化观测方法及平台技术

本发明专利技术公开了一种基于GNSS的大坝垂直位移监测基准网自动化观测方法。它包括如下步骤，步骤一：点位勘选、仪器及观测墩选型；步骤二：GNSS数据预处理与方案优化；在GNSS垂直位移自动化监测中，确定最优观测时段，修复频繁小周跳；步骤三：基线解算与网平差方法；在GNSS垂直位移自动化监测中，将对流层延迟改正、热膨胀效应改正这些模型应用于基线解算中，在网平差中引入先验高差信息，提升基线解的精度和可靠性。本发明专利技术具有能提高GNSS基线的垂直方向解算精度的优点。本发明专利技术还公开了基于GNSS的大坝垂直位移监测基准网自动化观测平台。坝垂直位移监测基准网自动化观测平台。坝垂直位移监测基准网自动化观测平台。

【技术实现步骤摘要】
基于GNSS的大坝垂直位移监测基准网自动化观测方法及平台


[0001]本专利技术涉及大坝变形监测自动化领域，更具体地说它是一种基于GNSS的大坝垂直位移监测基准网自动化观测方法。本专利技术还涉及基于GNSS的大坝垂直位移监测基准网自动化观测方法采用的观测平台。

技术介绍

[0002]在大坝安全监测中，垂直位移基准网十分重要，其担负着为大坝垂直位移监测提供基准、监测大坝下游地表形变等作用。按照规范要求，混凝土坝或土石坝垂直位移基准网的观测一般按国家一等或二等水准测量精度施测，不能实现自动化测量，耗费了大量的人力和物力成本。随着水电站管理的智慧化发展，大坝垂直位移监测基准网的观测自动化成为了整个大坝安全监测系统中的较为突出的一块短板。传统的静力水准等观测设施虽然可以实现垂直位移的自动化监测，但是自动化程度不高，设备比较昂贵且适用条件较为苛刻，维护成本高，监测范围小，难以满足大坝垂直位移监测自动化的需求。
[0003]当前，随着北斗三代系统的正式建成，基于国产北斗高精度接收机的毫米级GNSS大坝垂直位移基准网监测成为了可能。一方面，GNSS技本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于GNSS的大坝垂直位移监测基准网自动化观测方法，其特征在于：包括如下步骤，步骤一：点位勘选、仪器及观测墩选型；优化GNSS网形设计和点位勘选、采用高精度北斗接收机和天线仪器设备以及优化观测墩基础和结构设计，为GNSS垂直位移自动化监测创造良好的硬件条件和观测环境；步骤二：GNSS数据预处理与方案优化；在GNSS垂直位移自动化监测中，采用精密数据预处理方法，削弱多路径效应影响，保留高质量GNSS观测值，确定最优观测时段，修复频繁小周跳；步骤三：基线解算与网平差方法；在GNSS垂直位移自动化监测中，将低空对流层延迟改正、热膨胀效应改正模型应用于基线解算中，在网平差中引入先验高差信息，提升用于计算大坝位移的基线解的精度和可靠性。2.根据权利要求1所述的基于GNSS的大坝垂直位移监测基准网自动化观测方法，其特征在于：在步骤一中，点位勘选、仪器及观测墩选型，具体包括如下步骤：步骤11：优化GNSS网形设计，提升点位勘选标准；在大坝垂直位移监测基准网网点站址的选择中，除了遵循国家、行业现行标准、规范中关于监测基准网的选点原则外，还将基准网点选在远离空旷水面、高压电塔的较高处，同时保证天顶方向高度角30度之内无显著遮挡物；步骤12：采用高精度的双频北斗接收机和扼流圈天线设备；步骤13：确保观测墩基础稳定，优化观测墩及附属设施结构设计；观测墩设置在裸露的基岩上，观测墩基础用钢筋锚固在基岩下1米以上；如果基岩位于地面以下较深位置，则采用钢管桩至原状土以下至少5米，并填筑混凝土进行固定。3.根据权利要求1或2所述的基于GNSS的大坝垂直位移监测基准网自动化观测方法，其特征在于：在步骤二中，GNSS数据预处理与方案优化，具体方法为：步骤21：削弱多路径效应影响；采用扼流圈天线，其抑径板吸收90％以上由地面反射的卫星信号，显著削弱多路径效应引起的误差；保证太阳能板这些附属设施不得高于GNSS扼流圈天线底部，以进一步削弱多路径效应的影响；步骤22：剔除低质量卫星观测值，根据各坝址所在纬度不同选择最优的观测时段进行解算，具体方法为：首先，将各基准点的24小时观测值分为0点到4点、4点到8点、8点到12点、12点到16点、16点到20点、20点到0点6个时段；然后，对每个时段的观测值质量分别进行检验，并计算每个时段下的基线向量，根据解算结果确定电离层延迟影响较大时段；最后，剔除电离层延迟影响较大时段卫星观测值，采用电离层延迟影响较小的其它时段的卫星观测值进行GNSS基线解算；步骤23：探测与修复频繁小周跳，进一步优化观测值质量。4.根据权利要求3所述的基于GNSS的大坝垂直位移监测基准网自动化观测方法，其特
征在于：在步骤23中，探测与修复频繁小周跳，进一步优化观测值质量，具体方法为：首先，用时间多项式拟合观测值序列，分析拟合残差发现周跳并确定周跳大小，用拟合相位的观测值减去相位的计算值，得到相位偏差，当探测到周跳时，便在该历元插入偏差标记；未探测到周跳表示观测值质量良好，跳过该步骤；然后，对邻近的三个相位观测值构成的双差观测值进行检查，判断在双差残差序列中是否存在周跳；若发现周跳，通过变换卫星和测站来形成更多的双差，确认该非差相位数据中是否存在周跳，若存在周跳，则对周跳进行修复；反之，则跳过该步骤；通过剔除周跳标记较多的小段的数据，显著提高观测值质量。5.根据权利要求4所述的基于GNSS的大坝垂直位移监测基准网自动化观测方法，其特征在于：在步骤三中，基线解算与网平差方法，具体为：步骤31，采用实测实时大气数据进行低空天顶对流层延迟改正；首先，在各基准站共址布设高精度气象传感器，收集站点所在位置的精密气压、温度、湿度信息；其次，利用精密单点定位的方法，估算出各基准站的对流层天顶总延迟；然后，基于Saastamoinen模型估算出新的天顶干延迟；最后，将实时气象观测产品带入到新的天顶湿延迟模型中，获得测站天顶精密的水汽分布特征；步骤32，构建观测墩热膨胀模型修正基线解算结果；首先，根据不同基准站观测墩材质、结构、高度信息，结合测量的观测墩表面温度，计算由温度的周期性变化引起的观测墩位移；然后，建立适用于测站的热膨胀位移模型，并将模型计算值作为改正数加入到基线解算结果中；最后，利用步骤22中的时段解，通过增加采样率的方式削弱甚至消除高频温度变化引起的高频观测墩热膨胀位移，将温度变化对基于时段解的基线结果精度的影响降至最低；步骤33，引入精确的高差观测值作为先验信息，增加网平差中多余观测数；步骤34，将同一观测手段下的历史数据和实测数据、不同观测手段得到的数据进行有效融合。6.根据权利要求5所述的基于GNSS的大坝垂直位移监测基准网自动化观测方法，其特征在于：步骤31中，新的天顶湿延迟模型建立的过程如下：首先，定义天顶湿延迟积分函数：其中，R
d
和R
w
分别为普适干大气常数和普适湿大气常数；k1、k2、k3为大气折射率常数；P
w
表示大气水汽压；T为大气温度；h
s
为地表高程；其中，大气温度由实测的大气加权平均温度T
m
代替：因此，式(1)表示为：
在静水力平衡条件下，静水力方程以表示为：其中，P表示大气压强；ρ
m
表示大气密度；g表示重力加速度；h为海平面高程；比湿q通常表示为液态水密度ρ
v
和大气密度ρ
m
的函数：液态水密度ρ
v
表示为：若假设重力加速度为常数g
s
，联合公式(3)～(6)得：其中，P
s
为地表处大气压强；大气比湿和大气压强在垂直分布上的函数关系表示为：其中，q
s
为地表处大气比湿；γ为大气混合比参数；大气比湿表示为大气压强与大气水汽压的函数：根据公式(8)和公式(9)得到：其中，表示地表处水汽压；大气压强和大气温度在垂直分布上的函数关系表示为：其中，T
s
为地表处大气温度；β为温度递减率；联合公式(10)和公式(11)得到：将公式(12)带入公式(7)得到：若已知大气混合比γ，通过输入地表大气比湿、大气温度和大气压强来估算ZWD，此三项参数均通过现场安装的气象传感器精确得到；大气混合比γ为经验参数。7.根据权利要求6所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗兵，王锴华，雷苏琪，马能武，肖玉钢，朱和平，郭祚界，罗洪波，
申请(专利权)人：长江空间信息技术工程有限公司武汉长江勘测规划设计研究有限责任公司，
类型：发明
国别省市：