实时GNSS/加速度计融合方法研究及其强震动监测应用

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GNSS实时精密单点定位技术可以为地质灾害监测、导航定位等领域提供连续绝对定位服务。相比于 RTK(Real-Time Kinematic)技术,PPP(Precise Point Positioning)技术的优势在于它无需密集参考站增强,计算效率更高,维护更加方便。但是,实时PPP受限于其收敛时间过长和精度相对较低,它主要应用于广域的精密定位服务,提供实时连续不断的监测,如地震监测和速报应用。不过当GNSS技术应用于地震监测时,其采样率相对较低,导致高频信号捕捉能力不强,精度也不高。为了弥补这一不足,可以通过GNSS和加速度计融合的方法来提高其监测性能。得益于加速度计拥有更高的采样率和测量精度,其可以快速地监测并记录近场的高频强震动信号。本文的研究围绕在提高GNSS和加速度计的实时融合计算性能,一方面优化实时GNSS处理技术,另一方面优化融合算法,并实现数据的实时处理和仪器的实际应用。实时GNSS数据处理的方法在本文中进行了详细的说明,除了基本的精密单点技术,其性能还可以通过多系统数据处理及模糊度固定策略进行改善,从而加快收敛并提高定位精度。本文实现的实时GPS/GLONASS双系统数据处理,浮点解平均可以在22.6分钟内收敛,东北高方向的定位精度分别达到2.2、1.2、4.2厘米;除此之外进行实时GPS模糊度固定之后,可以在15.3分钟内收敛,东北高方向的定位精度分别达到1.5、1.3、3.8厘米;GLONASS的模糊度固定采用无电离层模糊度,其波长更短,实时处理中更难达到良好的固定效果,结果并不十分稳定。本文进而实现了 GNSS和加速度计紧组合和松组合的实时融合处理。松、紧组合在正常情况下定位结果差异不大,通过几十秒振动实验结果的对比,松、紧组合结果和参考值的互差小于1毫米,不过松组合的处理效率是紧组合的10倍以上,因此松组合方法更加适合应用到实时处理中。除此之外,实时滤波可能会因为GNSS采样间隔过大以及加速度计的噪声问题在结果时间序列上产生漂移跳跃,这种不足可以通过提高GNSS采样率或者通过反向滤波平滑的处理来改善。本文采用近实时平滑的结果进行优化,用5秒的滑动窗口会导致5秒的延迟,但是在结果的互差标准差精度上可以比仅仅滤波的结果提升30%以上。作者将实时融合处理算法实际应用到美国的SIO-Geodetic Module和MEMS加速度计仪器终端,以及湖北省地震局与武汉大学GNSS中心合作研制的一体化GNSS强震仪SMAG2000中,可以分别实现在线数据同步获取及服务器上实时处理、在线在仪器内部自主的终端处理。两者与Trimble工业级的地震大地测量系统SG160-09仪器并置进行振动实验对比。根据结果来看,SG160-09主要受到长周期的波动影响,这主要和其GNSS处理效果有关。在我们的实验地点,SG160-09的效果有所欠缺,不过它采用10Hz的GNSS和200Hz的加速度数据,滤波结果十分的光滑。我们从时域和频域上对比了不同的结果,对于采用本文软件处理的两个终端,分别输出实时滤波结果和近实时平滑结果。其中滤波结果在高频和低频段的误差会比较大,相对比SG160-09的结果较差,但这和这两种终端采用的都是5Hz的GNSS数据有一定关系。近实时平滑的结果之后会有明显的改善,是所有结果中效果最好的,和参考值互差的标准差可以小于1毫米并且相关系数可以高达0.99。结果表明了采用本文的实时GNSS处理及与加速度计实时融合处理的算法,预期可以很好地在真实地震监测中发挥作用。
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