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目前北斗卫星导航系统(BeiDou Navigation Satellite System,BDS)可在亚太地区提供导航、授时和短报文信息服务,BDS定位技术在变形监测领域的应用日益成为研究热点之一。精度、成本、实时性是BDS变形监测需要解决的关键问题,北斗变形监测技术通常采用双差模型进行静态定位,解算周期一般为数小时,硬件为多频多模测地型接收机(>￥46,000),静态定位可以实现毫米级定位,但是仍然不能满足大部分结构体监测成本和实时性的要求,亟需研究一种基于低成本接收机的北斗单历元高精度定位算法。本文以国家自然科学基金(51378057)、城市空间信息工程北京市重点实验室开放研究基金课题(2016101)为依托,在系统总结国内外GNSS(Global Navigation Satellite System)硬件设备、模糊度固定算法和高精度定位模型基础上,以时钟同步双天线单频接收机为硬件基础,研究了北斗单差精密随机模型对单频模糊度固定的影响,在此基础上提出了综合变形特征和最大位移约束改进的部分模糊度算法。通过室外试验,研究了超短基线和短基线坐标时间序列的主要误差特性及误差后处理消除方法,构建了未校准相位偏差(Uncalibrated Phase Delay,UPD)实时改正滤波模型和北斗/GPS抗差移动窗口定权位移探测模型。结合工程结构体监测实例,验证了北斗双天线变形监测技术的有效性。本文的主要研究内容如下:(1)构建了北斗单差精密函数和随机模型,理论结合实际数据验证了基于时钟同步双天线接收机单差模型(UPD=0)在高程方向精度明显高于双差模型。利用统计假设检验理论证明了 B1频率伪距和载波观测值之间相关性的显著性,说明了构建精密随机模型的必要性。(2)研究了精密和经验随机模型对北斗单频模糊度固定的影响。建立了考虑观测值之间相关性和附加基线长度约束的观测计算模型,结合静态试验数据,发现精密随机模型可以提高模糊度固定成功率,Ratio临界值设为3,可以有效避免异常模糊度的产生;精密随机模型未考虑多路径误差,短基线的模糊度固定效果较差。(3)针对北斗单频模糊度固定效果差问题,提出了 IParLAMBLDC(Improved Partial LAMBDA with Baseline Length and Deformation Characteristics Constraints)模糊度固定算法,显著提高了模糊度搜索效率和固定成功率,略低于GPS L1频率。通过青海省共玉公路冻土路基、李家峡大坝及甘肃省徽县330kV输电通道碎石土边坡数值模拟,分析了边坡主滑方向和当地站心坐标系(Site-Centric coordinate system,SCS)几何关系,明确了结构体变形特征和最大位移的确定方法。(4)分析了超短基线和短基线坐标时间序列残差的主要变化特征。结合室外静态试验,发现超短基线单差模型定位精度主要受UPD影响,UPD未改正单差模型精度与双差模型基本一致,UPD改正后单差模型定位精度有所提高,特别是高程方向提高幅度最大;短基线定位精度主要受多路径效应影响,多路径误差消除后,极大提高了单差模型定位精度。(5)基于UPD移动均值滤波模型不能满足结构体实时监测要求,提出了 UPD自回归滑动平均(Auto-Regressive and Moving Average,ARMA)实时改正滤波模型。通过静态和位移加载试验,利用费歇尔假设检验和位移探测一致性方法,证明了UPDARMA实时改正滤波模型在位移探测方面的优越性;结合通风管冻土路基监测实例,验证了该模型用于冻土路基冻融变形监测的有效性。(6)基于北斗单差单频模型冗余度低、定位精度差等问题,提出了短基线(1km)北斗/GPS抗差移动窗口精密定权Kalman滤波模型。结合室外试验,发现等价权抗差可以加速概略坐标固定到准确坐标,提高坐标精度;位移探测精度随着窗口的增大将显著提高,移动窗口参数与可探测位移收敛速率基本成反比关系,该算法适用于具有蠕变特征结构体的高精度监测。(7)设计了北斗变形监测预警预测分析系统。基于C#网络技术,以PostgreSQL为数据管理平台,研发了北斗变形监测预警预测分析系统,包括数据采集、数据传输、数据处理与分析、数据管理、数据发布等子系统;以李家峡大坝为例,实现了北斗/GPS监测数据查询、实时显示、报表生成、预测分析和预警等功能,并分析了时钟同步接收机技术用于变形监测领域的优越性。(8)针对大坝GNSS变形监测成本过高问题,提出了一种改进的GNSS监测方案。通过李家峡大坝三维模型数值模拟,选取大坝主要变形部位作为时钟同步双天线接收机的GNSS监测点位,仅需布设一台时钟同步双天线接收机,实现了大坝运行状态的评估,显著降低了监测成本。根据大坝安全系数和监测关键点位位移的关系,制定了位移预警标准,利用模糊神经网络方法验证了该标准的有效性。(9)以甘肃省徽县330kV输电通道碎石土边坡监测为例,提出了适用于大范围线型工程结构体BDS/GPS滑坡监测方案。基于层次分析法初步评判了滑坡地质灾害的易发性,通过粗糙神经网路模型评判滑坡的稳定性级别,选取属于危险等级区域的边坡进行重点监测,提高了 GNSS接收机设备资源的使用效率;建立了相应数值分析模型,对碎石土滑坡区域进行了模拟计算,验证了 BDS/GPS抗差移动窗口定权模型可以用于具有蠕变特征滑坡的监测。