陳浩,岳東杰,陳健,白天陽,張艷兵

(河海大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 南京 211100)

橋面復(fù)雜環(huán)境下BDS/GPS數(shù)據(jù)質(zhì)量監(jiān)測與分析

陳浩,岳東杰,陳健,白天陽,張艷兵

(河海大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 南京 211100)

分別闡述了BDS/GPS多路徑效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)理以及相應(yīng)的消除和削弱措施,利用統(tǒng)計分析方法對橋梁變形監(jiān)測過程中復(fù)雜環(huán)境下監(jiān)測點(diǎn)的BDS/GPS的多路徑效應(yīng)進(jìn)行對比分析,以及分析BDS、GPS多路徑誤差與橋梁橋塔、纜索、車流量等影響因素的關(guān)系。實(shí)測數(shù)據(jù)結(jié)果表明,GPS的多路徑效應(yīng)值相比于BDS的GEO衛(wèi)星較大,與IGSO衛(wèi)星基本相同,優(yōu)于MEO衛(wèi)星;多路徑誤差與衛(wèi)星高度角呈負(fù)相關(guān)關(guān)系;橋梁橋塔、纜索、車流量是影響多路徑效應(yīng)的重要因素。

GPS;BDS;多路徑效應(yīng);誤差分析

0 引 言

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)是中國自主研制、組建、獨(dú)立運(yùn)行,同時能夠與世界上其他主流衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)相兼容的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)[1]。BDS系統(tǒng)可根據(jù)衛(wèi)星類型分為三類:中圓地球軌道(MEO)衛(wèi)星、傾斜的地球同步軌道(IGSO)衛(wèi)星、地球靜止軌道(GEO)衛(wèi)星。與GPS系統(tǒng)相類似,在各種誤差源中,BDS的誤差[2]如接收機(jī)鐘差、衛(wèi)星鐘差和星歷誤差等,都能通過相應(yīng)改正模型或差分技術(shù)進(jìn)行消除或減弱,從而實(shí)現(xiàn)高精度定位的功能。多路徑效應(yīng)在空間方面的非相關(guān)性使得經(jīng)過雙差解算[3]之后,無法削減從而成為顯著的誤差源。目前,硬件處理方法和后處理方法[4]是常用的削弱多路徑誤差的方法,硬件處理主要是在接收機(jī)天線上安裝抑徑板、扼流圈等,后處理方法主要是濾波法和信號分析法等。雖然部分多路徑效應(yīng)能通過以上方法進(jìn)行削弱,但對于殘余的多路徑效應(yīng)誤差,其仍是影響高精度定位最主要的誤差之一[5]。

近年來,研究人員提出了削弱多路徑效應(yīng)的辦法,如戴吾蛟提出的基于經(jīng)驗?zāi)Ｊ椒纸獾臑V波去噪法[6]，張波利用信噪比法[7]，GE和RIZOS采用自適應(yīng)濾波[8]，文獻(xiàn)[9]利用增廣參數(shù)的Kalman濾波[9]等方法。上述方法能夠削減多路徑效應(yīng)的影響,并提高觀測數(shù)據(jù)的定位精度。目前研究人員對多路徑相應(yīng)的影響的研究主要集中在處理接收機(jī)的信號、改進(jìn)接收機(jī)的天線、開發(fā)數(shù)據(jù)處理技術(shù)等方面,但在BDS/GPS多路徑效應(yīng)對比分析和在橋梁變形監(jiān)測過程中定性定量分析方面,相關(guān)研究較少。本文研究內(nèi)容:在橋面復(fù)雜環(huán)境下的橋梁變形監(jiān)測過程中,探究多路徑效應(yīng)的影響,為提高數(shù)據(jù)觀測質(zhì)量和后期數(shù)據(jù)處理提供建議,通過分析實(shí)測數(shù)據(jù)結(jié)果探究BDS/GPS的不同類型衛(wèi)星的多路徑效應(yīng)關(guān)系,以及橋梁橋塔、纜索、車流量對多路徑效應(yīng)的影響。

1 多路徑效應(yīng)

在對大型建筑物變形監(jiān)測過程中,如橋梁、大壩、核電站等建筑物,常使用靜態(tài)測量的方式。在測量過程中,當(dāng)監(jiān)測點(diǎn)位布設(shè)地點(diǎn)是處于易發(fā)生信號反射的反射物周圍時,來自觀測衛(wèi)星的信號(直接波)與點(diǎn)位附近反射物所反射的衛(wèi)星信號(反射波)發(fā)生干涉后,信號進(jìn)入接收機(jī)天線從而使得接收機(jī)的觀測值與真值產(chǎn)生偏差,這種由多個路徑的信號接收所引起的信號干涉延時效應(yīng)稱為多路徑效應(yīng)[10]。多路徑效應(yīng)嚴(yán)重制約了測量的精度,甚至?xí)鹦盘柺фi,在數(shù)據(jù)處理過程中是一個不可忽視的誤差源。BDS/GPS多路徑效應(yīng)原理圖如圖1所示。

圖1 多路徑效應(yīng)原理示意圖

設(shè)直射信號關(guān)系式為

Sd=Ucosωt.

(1)

反射信號關(guān)系式為

Sr=αUcos(ωt+θ) ,

(2)

式中:直接信號的振幅為U;相應(yīng)載波的角頻率為ω; 相應(yīng)反射信號的相位延遲為θ; 物體的反射系數(shù)為α.反射信號和直接信號的“疊加”(求矢量和)后的信號進(jìn)入到接收機(jī),從而接收機(jī)天線的實(shí)際接收到的信號可表示為

Sr=βUcos(ωt+φ) ,

(3)

式中:β=(1+2αcosθ+α2﹞1/2;φ=arctan[αsinθ/(1+αcosθ)];φ即為載波相位測中的多路徑誤差。

從式(2)中可以得出[10],載波相位測中L1的多路徑誤差的最大值為4.8 cm,L2的多路徑誤差的最大值為6.1 cm(在偽距測量中多路徑效應(yīng)的影響非常嚴(yán)重,根據(jù)觀測資料可以表明, P碼的多路徑誤差最多可達(dá)10 m以上)。在實(shí)際測量過程中,外界條件相對比較復(fù)雜,實(shí)際上接收機(jī)天線可能同時收到多個反射信號疊加后的信號,此時的多路徑效應(yīng)情況就變得復(fù)雜了,其誤差為

(4)

2 數(shù)據(jù)采集與試驗分析

本文數(shù)據(jù)采集點(diǎn)在蘇通大橋橋梁上,如圖2所示,采用海星達(dá)GNSS接收機(jī)進(jìn)行靜態(tài)觀測,設(shè)置采樣間隔為1 s,截止衛(wèi)星的高度角為10°,天氣晴朗,橋上風(fēng)力變化較大,車流量較大。本文選擇了位于大橋南端(S001)、南塔(NT)、跨中(M001)三個監(jiān)測點(diǎn)位的2016年9月26日的(0:00-24:00)的觀測數(shù)據(jù)。通過自編程序?qū)Σ杉臄?shù)據(jù)進(jìn)行處理,得到不同類型衛(wèi)星的不同觀測條件多路徑效應(yīng)的值,并分析BDS/GPS衛(wèi)星的多路徑效應(yīng)的關(guān)系以及橋梁橋塔、纜索、車流量、衛(wèi)星高度角對多路徑效應(yīng)的影響。

圖2 監(jiān)測點(diǎn)外業(yè)數(shù)據(jù)采集

在此由于篇幅的限制,選擇不同衛(wèi)星類型的部分衛(wèi)星的不同觀測條件來分析它們的多路徑效應(yīng)。圖3～圖5中,G13、G14、G20為GPS的衛(wèi)星;C01、C04為BDS的GEO衛(wèi)星;C06為BDS的IGSO衛(wèi)星;C15為BDS的MEO衛(wèi)星。圖6為三個監(jiān)測點(diǎn)位不同類型衛(wèi)星不同波段多路徑效應(yīng)與衛(wèi)星高度角的關(guān)系圖。

圖3 NT站9月26日部分衛(wèi)星各波段多路徑效應(yīng)時間序列圖

圖4 M001站部分衛(wèi)星各波段多路徑效應(yīng)時間序列圖

圖5 S001站部分衛(wèi)星各波段多路徑效應(yīng)時間序列圖

圖6 衛(wèi)星多路徑效應(yīng)與衛(wèi)星高度角關(guān)系圖

根據(jù)圖2～圖6分析,可得到以下結(jié)論:

1) GPS衛(wèi)星的多路徑值在某一范圍內(nèi)波動,而BDS衛(wèi)星的多路徑值變化具有一定的跳躍性?；诙嗦窂叫?yīng)的值的角度分析,BDS衛(wèi)星系統(tǒng)相比于GPS衛(wèi)星系統(tǒng)穩(wěn)定性較差。2) 對于BDS而言,其具有三種類型的衛(wèi)星,GEO衛(wèi)星軌道相對于測站靜止,使得衛(wèi)星高度角基本不變,這使得GEO衛(wèi)星的多路徑序列平滑,聚集性較好;IGSO衛(wèi)星的高度角在一定范圍內(nèi)變化,使得個別觀測歷元上多路徑的值比較大;MEO衛(wèi)星由于軌道運(yùn)行使得其存在升降現(xiàn)象,只能在某段時間內(nèi)被觀測到,多路徑效應(yīng)的值在能被觀測到的時序上也在隨高度角的變化而變化。三類軌道的多路徑誤差具有明顯的差異。3) 通過圖4和圖5的C06衛(wèi)星的多路徑圖可以發(fā)現(xiàn)在下午4點(diǎn)左右多路徑值明顯發(fā)生跳動,同時根據(jù)圖3中的C06衛(wèi)星圖可以看出:由于NT點(diǎn)位不受車流量影響,多路徑值比較正常,表明車流量影響多路徑效應(yīng)。4) 根據(jù)圖6分析可得,就總體趨勢而言:衛(wèi)星的多路徑效應(yīng)值的大小與衛(wèi)星高度角負(fù)相關(guān),即當(dāng)衛(wèi)星高度角增大時,多路徑效應(yīng)的值相應(yīng)減小,反之亦然。

表1～表3示出了NT、S001、M001三個監(jiān)測點(diǎn)位的所選衛(wèi)星不同波段的多路徑誤差值的統(tǒng)計結(jié)果,能夠為分析不同類型衛(wèi)星的多路徑效應(yīng)提供有力的依據(jù)。

表1 NT站所選衛(wèi)星各波段的多路徑中誤差

表2 S001站所選衛(wèi)星各波段的多路徑中誤差

表3 M001站所選衛(wèi)星各波段的多路徑中誤差

通過表1～表3可得以下結(jié)論:1) GPS衛(wèi)星的L1波段與于L2波段相比其多路徑效應(yīng)誤差總是較小,BDS所有與GPS相比,所有衛(wèi)星的多路徑效應(yīng)值總是較小。2) 由NT、S001的分析數(shù)據(jù)可得:GPS的多路徑值相比于BDS的GEO衛(wèi)星較大,與IGSO衛(wèi)星基本相同,優(yōu)于MEO衛(wèi)星。3) 根據(jù)表1和表2分析可得:由于S001監(jiān)測點(diǎn)位觀測條件相對較好,受鋼索影響較小,進(jìn)一步表明車流量對監(jiān)測點(diǎn)位的多路徑效應(yīng)的影響。4) 由于跨中監(jiān)測點(diǎn)位M001所處位置比較特殊,周圍鋼索和鐵欄桿較多,這些都是利于多路徑效應(yīng)的信號反射物體,根據(jù)表3數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)各個類型的衛(wèi)星不同波長受多路徑效應(yīng)影響都比較嚴(yán)重,將其與表1和表2相比,經(jīng)過定量分析可以認(rèn)定監(jiān)測點(diǎn)位的多路徑效應(yīng)與橋梁鋼索有關(guān)。

3 結(jié)束語

本文通過蘇通大橋橋梁監(jiān)測所采集的外業(yè)數(shù)據(jù)分析并研究了BDS/GPS的多路徑效應(yīng)的相關(guān)情況,得出以下結(jié)論:GPS的多路徑值比BDS的多路徑值較穩(wěn)定,連續(xù)性較好。但是總體而言,GPS多路徑誤差比BDS大;GPS的多路徑值相比于BDS的GEO衛(wèi)星較大,與IGSO衛(wèi)星基本相同,優(yōu)于MEO衛(wèi)星;在橋面復(fù)雜環(huán)境下的橋梁監(jiān)測的過程中,監(jiān)測點(diǎn)位的鋼索以及車流量對觀測結(jié)果的多路徑效應(yīng)有明顯影響,在選取監(jiān)測點(diǎn)位和后期的數(shù)據(jù)處理過程中需要注意其影響。本文只是對橋梁監(jiān)測過程中的BDS/GPS的多路徑效應(yīng)進(jìn)行鋼索和車流量定量分析,沒有充分考慮水面、路面、氣象條件等因素的影響,后期將進(jìn)一步深入探究它們影響,以得出更加嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕Y(jié)論。

[1] 楊軍,曹沖. 我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用需求及效益分析[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報(信息科學(xué)版),2004,29(9):775-778.

[2] 張清華,隋立芬,賈小林,等. 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)空間信號誤差統(tǒng)計分析[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報(信息科學(xué)版),2014,39(3):271-274.

[3] 鄧興升,孫虹虹,唐安雷. 高頻單歷元GPS雙差解算及其精度分析[J]. 大地測量與地球動力學(xué),2015,35(2):190-193.

[4] 吳雨航,陳秀萬,吳才聰. 利用信噪比削弱多路徑誤差的方法研究[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報(信息科學(xué)版),2008,33(08):842-845.

[5] 江楠,徐天河,許艷.中國IGS站多路徑誤差估計及其改進(jìn)算法[J]. 大地測量與地球動力學(xué),2013,33(2):143-146,150.

[6] 戴吾蛟,丁曉利,朱建軍,等. 基于經(jīng)驗?zāi)Ｊ椒纸獾臑V波去噪法及其在GPS多路徑效應(yīng)中的應(yīng)用[J]. 測繪學(xué)報,2006,35(4):321-327.

[7] 張波,黃勁松,蘇林. 利用信噪比削弱GPS多路徑效應(yīng)的研究[J]. 測繪科學(xué),2003,28(3):32-35,84.

[8] GE LL，RIZOS C，HAN S W .etal. Multipath mitigation of continuous GPS measurements using an adaptive filter[J].GPS Solutions,2000,4(2):19-30.

[9] 戴吾蛟,伍錫銹,羅飛雪. 一種利用增廣參數(shù)Kalman濾波的GPS多路徑效應(yīng)處理方法[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報(信息科學(xué)版),2012,37(4):423-427.

[10] 黃聲享,李沛鴻,楊保岑,等. GPS動態(tài)監(jiān)測中多路徑效應(yīng)的規(guī)律性研究[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報(信息科學(xué)版),2005,30(10):877-880.

DetectionandAnalysisofBDS/GPSDataQualityinComplexEnvironmentsofBridgeDeck

CHENHao,YUEDongjie,CHENJian,BAITianyang,ZHANGYanbing

(CollegeofEarthScienceandEngineering,HohaiUniversity,Nanjing211100,China)

The mechanism of BDS/GPS multipath effects and the corresponding elimination and weakening measures are described respectively in this paper. The statistical analysis method is used to analyze the BDS/GPS multipath effects of monitoring points in complex environments during bridge deformation monitoring. Moreover, the influences of bridge tower, cable, traffic flow on BDS/GPS multipath error are also investigated. According to the measured data, the following conclusions are drawn: compared with BDS satellites, the multipath effect value of GPS, is basically the same as that of IGSO satellite but larger than that of GEO satellite and superior to that of MEO satellite; the multipath error is negatively correlated with the satellite elevation angle; bridge tower, cable and traffic flow are key factors of the multipath effects.

GPS; BDS; multipath effects; error analysis

10.13442/j.gnss.1008-9268.2017.04.016

P228.4

A

1008-9268(2017)04-0090-06

2017-05-29

聯(lián)系人: 陳浩E-mail: 15950595391@163.com

陳浩(1993-),男,碩士研究生,江蘇鹽城人,研究方向為測量數(shù)據(jù)處理理論與方法。

岳東杰(1966-),女,教授,山東梁山人,主要研究方向為近代測量數(shù)據(jù)處理。

陳健(1993-)，男，博士研究生，研究方向為GNSS精密定位與數(shù)據(jù)處理。