陈浩,岳东杰,陈健,白天阳,张艳兵

(河海大学 地球科学与工程学院,江苏 南京 211100)

桥面复杂环境下BDS/GPS数据质量监测与分析

陈浩,岳东杰,陈健,白天阳,张艳兵

(河海大学 地球科学与工程学院,江苏 南京 211100)

分别阐述了BDS/GPS多路径效应的产生机理以及相应的消除和削弱措施,利用统计分析方法对桥梁变形监测过程中复杂环境下监测点的BDS/GPS的多路径效应进行对比分析,以及分析BDS、GPS多路径误差与桥梁桥塔、缆索、车流量等影响因素的关系。实测数据结果表明,GPS的多路径效应值相比于BDS的GEO卫星较大,与IGSO卫星基本相同,优于MEO卫星;多路径误差与卫星高度角呈负相关关系;桥梁桥塔、缆索、车流量是影响多路径效应的重要因素。

GPS;BDS;多路径效应;误差分析

0 引 言

北斗卫星导航系统(BDS)是中国自主研制、组建、独立运行,同时能够与世界上其他主流卫星导航系统相兼容的卫星导航系统[1]。BDS系统可根据卫星类型分为三类:中圆地球轨道(MEO)卫星、倾斜的地球同步轨道(IGSO)卫星、地球静止轨道(GEO)卫星。与GPS系统相类似,在各种误差源中,BDS的误差[2]如接收机钟差、卫星钟差和星历误差等,都能通过相应改正模型或差分技术进行消除或减弱,从而实现高精度定位的功能。多路径效应在空间方面的非相关性使得经过双差解算[3]之后,无法削减从而成为显著的误差源。目前,硬件处理方法和后处理方法[4]是常用的削弱多路径误差的方法,硬件处理主要是在接收机天线上安装抑径板、扼流圈等,后处理方法主要是滤波法和信号分析法等。虽然部分多路径效应能通过以上方法进行削弱,但对于残余的多路径效应误差,其仍是影响高精度定位最主要的误差之一[5]。

近年来,研究人员提出了削弱多路径效应的办法,如戴吾蛟提出的基于经验模式分解的滤波去噪法[6]，张波利用信噪比法[7]，GE和RIZOS采用自适应滤波[8]，文献[9]利用增广参数的Kalman滤波[9]等方法。上述方法能够削减多路径效应的影响,并提高观测数据的定位精度。目前研究人员对多路径相应的影响的研究主要集中在处理接收机的信号、改进接收机的天线、开发数据处理技术等方面,但在BDS/GPS多路径效应对比分析和在桥梁变形监测过程中定性定量分析方面,相关研究较少。本文研究内容:在桥面复杂环境下的桥梁变形监测过程中,探究多路径效应的影响,为提高数据观测质量和后期数据处理提供建议,通过分析实测数据结果探究BDS/GPS的不同类型卫星的多路径效应关系,以及桥梁桥塔、缆索、车流量对多路径效应的影响。

1 多路径效应

在对大型建筑物变形监测过程中,如桥梁、大坝、核电站等建筑物,常使用静态测量的方式。在测量过程中,当监测点位布设地点是处于易发生信号反射的反射物周围时,来自观测卫星的信号(直接波)与点位附近反射物所反射的卫星信号(反射波)发生干涉后,信号进入接收机天线从而使得接收机的观测值与真值产生偏差,这种由多个路径的信号接收所引起的信号干涉延时效应称为多路径效应[10]。多路径效应严重制约了测量的精度,甚至会引起信号失锁,在数据处理过程中是一个不可忽视的误差源。BDS/GPS多路径效应原理图如图1所示。

图1 多路径效应原理示意图

设直射信号关系式为

Sd=Ucosωt.

(1)

反射信号关系式为

Sr=αUcos(ωt+θ) ,

(2)

式中:直接信号的振幅为U;相应载波的角频率为ω; 相应反射信号的相位延迟为θ; 物体的反射系数为α.反射信号和直接信号的“叠加”(求矢量和)后的信号进入到接收机,从而接收机天线的实际接收到的信号可表示为

Sr=βUcos(ωt+φ) ,

(3)

式中:β=(1+2αcosθ+α2﹞1/2;φ=arctan[αsinθ/(1+αcosθ)];φ即为载波相位测中的多路径误差。

从式(2)中可以得出[10],载波相位测中L1的多路径误差的最大值为4.8 cm,L2的多路径误差的最大值为6.1 cm(在伪距测量中多路径效应的影响非常严重,根据观测资料可以表明, P码的多路径误差最多可达10 m以上)。在实际测量过程中,外界条件相对比较复杂,实际上接收机天线可能同时收到多个反射信号叠加后的信号,此时的多路径效应情况就变得复杂了,其误差为

(4)

2 数据采集与试验分析

本文数据采集点在苏通大桥桥梁上,如图2所示,采用海星达GNSS接收机进行静态观测,设置采样间隔为1 s,截止卫星的高度角为10°,天气晴朗,桥上风力变化较大,车流量较大。本文选择了位于大桥南端(S001)、南塔(NT)、跨中(M001)三个监测点位的2016年9月26日的(0:00-24:00)的观测数据。通过自编程序对采集的数据进行处理,得到不同类型卫星的不同观测条件多路径效应的值,并分析BDS/GPS卫星的多路径效应的关系以及桥梁桥塔、缆索、车流量、卫星高度角对多路径效应的影响。

图2 监测点外业数据采集

在此由于篇幅的限制,选择不同卫星类型的部分卫星的不同观测条件来分析它们的多路径效应。图3～图5中,G13、G14、G20为GPS的卫星;C01、C04为BDS的GEO卫星;C06为BDS的IGSO卫星;C15为BDS的MEO卫星。图6为三个监测点位不同类型卫星不同波段多路径效应与卫星高度角的关系图。

图3 NT站9月26日部分卫星各波段多路径效应时间序列图

图4 M001站部分卫星各波段多路径效应时间序列图

图5 S001站部分卫星各波段多路径效应时间序列图

图6 卫星多路径效应与卫星高度角关系图

根据图2～图6分析,可得到以下结论:

1) GPS卫星的多路径值在某一范围内波动,而BDS卫星的多路径值变化具有一定的跳跃性。基于多路径效应的值的角度分析,BDS卫星系统相比于GPS卫星系统稳定性较差。2) 对于BDS而言,其具有三种类型的卫星,GEO卫星轨道相对于测站静止,使得卫星高度角基本不变,这使得GEO卫星的多路径序列平滑,聚集性较好;IGSO卫星的高度角在一定范围内变化,使得个别观测历元上多路径的值比较大;MEO卫星由于轨道运行使得其存在升降现象,只能在某段时间内被观测到,多路径效应的值在能被观测到的时序上也在随高度角的变化而变化。三类轨道的多路径误差具有明显的差异。3) 通过图4和图5的C06卫星的多路径图可以发现在下午4点左右多路径值明显发生跳动,同时根据图3中的C06卫星图可以看出:由于NT点位不受车流量影响,多路径值比较正常,表明车流量影响多路径效应。4) 根据图6分析可得,就总体趋势而言:卫星的多路径效应值的大小与卫星高度角负相关,即当卫星高度角增大时,多路径效应的值相应减小,反之亦然。

表1～表3示出了NT、S001、M001三个监测点位的所选卫星不同波段的多路径误差值的统计结果,能够为分析不同类型卫星的多路径效应提供有力的依据。

表1 NT站所选卫星各波段的多路径中误差

表2 S001站所选卫星各波段的多路径中误差

表3 M001站所选卫星各波段的多路径中误差

通过表1～表3可得以下结论:1) GPS卫星的L1波段与于L2波段相比其多路径效应误差总是较小,BDS所有与GPS相比,所有卫星的多路径效应值总是较小。2) 由NT、S001的分析数据可得:GPS的多路径值相比于BDS的GEO卫星较大,与IGSO卫星基本相同,优于MEO卫星。3) 根据表1和表2分析可得:由于S001监测点位观测条件相对较好,受钢索影响较小,进一步表明车流量对监测点位的多路径效应的影响。4) 由于跨中监测点位M001所处位置比较特殊,周围钢索和铁栏杆较多,这些都是利于多路径效应的信号反射物体,根据表3数据可以发现各个类型的卫星不同波长受多路径效应影响都比较严重,将其与表1和表2相比,经过定量分析可以认定监测点位的多路径效应与桥梁钢索有关。

3 结束语

本文通过苏通大桥桥梁监测所采集的外业数据分析并研究了BDS/GPS的多路径效应的相关情况,得出以下结论:GPS的多路径值比BDS的多路径值较稳定,连续性较好。但是总体而言,GPS多路径误差比BDS大;GPS的多路径值相比于BDS的GEO卫星较大,与IGSO卫星基本相同,优于MEO卫星;在桥面复杂环境下的桥梁监测的过程中,监测点位的钢索以及车流量对观测结果的多路径效应有明显影响,在选取监测点位和后期的数据处理过程中需要注意其影响。本文只是对桥梁监测过程中的BDS/GPS的多路径效应进行钢索和车流量定量分析,没有充分考虑水面、路面、气象条件等因素的影响,后期将进一步深入探究它们影响,以得出更加严谨的结论。

[1] 杨军,曹冲. 我国北斗卫星导航系统应用需求及效益分析[J]. 武汉大学学报(信息科学版),2004,29(9):775-778.

[2] 张清华,隋立芬,贾小林,等. 北斗卫星导航系统空间信号误差统计分析[J]. 武汉大学学报(信息科学版),2014,39(3):271-274.

[3] 邓兴升,孙虹虹,唐安雷. 高频单历元GPS双差解算及其精度分析[J]. 大地测量与地球动力学,2015,35(2):190-193.

[4] 吴雨航,陈秀万,吴才聪. 利用信噪比削弱多路径误差的方法研究[J]. 武汉大学学报(信息科学版),2008,33(08):842-845.

[5] 江楠,徐天河,许艳.中国IGS站多路径误差估计及其改进算法[J]. 大地测量与地球动力学,2013,33(2):143-146,150.

[6] 戴吾蛟,丁晓利,朱建军,等. 基于经验模式分解的滤波去噪法及其在GPS多路径效应中的应用[J]. 测绘学报,2006,35(4):321-327.

[7] 张波,黄劲松,苏林. 利用信噪比削弱GPS多路径效应的研究[J]. 测绘科学,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,伍锡锈,罗飞雪. 一种利用增广参数Kalman滤波的GPS多路径效应处理方法[J]. 武汉大学学报(信息科学版),2012,37(4):423-427.

[10] 黄声享,李沛鸿,杨保岑,等. GPS动态监测中多路径效应的规律性研究[J]. 武汉大学学报(信息科学版),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

联系人: 陈浩E-mail: 15950595391@163.com

陈浩(1993-),男,硕士研究生,江苏盐城人,研究方向为测量数据处理理论与方法。

岳东杰(1966-),女,教授,山东梁山人,主要研究方向为近代测量数据处理。

陈健(1993-)，男，博士研究生，研究方向为GNSS精密定位与数据处理。