具体实施方式

现有的GNSS形变监测方案有以下两种。一是新建GNSS形变监测基准站：在建构筑物被测量点上安装监测基站，并在建构筑物附近相对无沉降区设置基准站，将所述监测基站与基准站数据通过无线或有线传输系统传输给服务系统进行分析解算获得形变信息。二是在监测点接收增强信号：接收机在监测点接收卫星电文信号及低轨卫星导航定位辅助增强系统信号或导航定位及形变监测定位辅助增强系统信号，如NRTK中VRS信号，进行分析解算获得形变信息。

上述两种监测方案都是通过监测站数据与基准站数据(或虚拟的VRS数据)组成基线，进行基线解算获得监测点的坐标信息，从而确定建构筑物是否发生形变。地面接收的卫星数据不但包含接收机位置等有用信息，还包含随机观测误差和各种系统误差，如电离层误差、对流层误差、轨道误差、卫星钟差和接收机钟差等。

方案一中监测站与基准站距离往往较短，短基线情况下双差观测可有效消除或大大削弱电离层误差、对流层误差、轨道误差、卫星钟差和接收机钟差，此时估计参数中将只考虑坐标参数项及模糊度参数项，通过模糊度搜索固定，可获得监测点坐标进而获得形变量。

方案二中是利用增强系统如CORS系统，通过综合各个参考站的观测信息，建立精确的误差模型来修正距离相关误差，在用户站(监测站)附近产生一个实时上不存在的虚拟基准站VRS，然后，利用虚拟基准站VRS和监测站的观测值进行差分，精确确定监测站的坐标继而获得形变信息。

方案一的具体方案如下：

卫星导航定位信号从播发、传播、直至接收机天线捕获阶段，会受到各种类型误差的影响。其中卫星端的误差包括硬件延迟、卫星钟差、卫星轨道误差等，传播过程中的电离层延迟、对流层延迟，以及由反射物等引起的多路径效应，接收机端的误差包括硬件延迟、接收机钟差等。因此载波相位和伪距非差观测距离方程可表示成如下形式(以米为单位)：

上式中各参数的意义如下：P和L分别为伪距和载波相位的非差观测值，为卫星到测站的几何距离，Oⁱ为轨道误差，c为真空中光速，δt_u和δtⁱ分别为接收机和卫星钟差，为对流层延迟，为电离层延迟，Dpⁱ和Dp_u分别为卫星端和接收机端伪距硬件延迟，Dlⁱ和Dl_u分别为卫星端和接收机端载波相位硬件延迟，λ_u为当前频点的载波相位波长，整周模糊度，和分布为伪距与载波相位多路径误差，和分别为伪距与载波相位残余误差。

假设在当前历元下，u,r同时观测到了卫星i，将非差观测方程站间做差可得到单差观测方程，公式如下：

上式中短基线情况下站间单差卫星端的轨道误差和钟误差基本消除，同时会削弱具有强相关性的大部分电离层延迟和对流程延迟误差，多路径误差由于测站之间不具有相关性，因此站间单差后多路径误差仍然存在，此外站间单差接收机端的钟差和硬件延迟没有被消除。

假设某一历元，u,r测站同时观测到卫星i,j，则可以根据上式组成双差观测方程，具体表现形式如下：

上式中的多路径误差项无法忽略，此时估计参数中有坐标参数项、多路径误差项及模糊度参数项。并且，当前GNSS形变监测方案多采用单基线模式，即一个监测站对应一个基准站，以一条基线解算结果获取此监测点形变量，受观测环境影响单基线结果往往无法保证结果的可靠性和稳定性。本申请中提出一种顾及多路径误差的GNSS形变监测方案。

在以下的叙述中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，本领域的普通技术人员可以理解，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请的实施方式作进一步地详细描述。

本申请的一实施例中公开了一种GNSS形变监测方法，图1是本实施例中的GNSS形变监测方法的流程图，该方法包括：

步骤101，根据双差观测方程计算卫星的双差残差。

在一个优选例中，根据双差观测方程计算卫星的双差残差的步骤101进一步包括：

构建双差观测方程，所述双差观测方程包括伪距双差观测方程和载波相位双差观测方程，具体的，

测站u观测到了卫星i，载波相位和伪距非差观测距离方程可表示成如下形式(以米为单位)：

其中，P和L分别为伪距和载波相位的非差观测值，为卫星到测站的几何距离，Oⁱ为轨道误差，c为真空中光速，δt_u和δtⁱ分别为接收机和卫星钟差，为对流层延迟，为电离层延迟，Dpⁱ和Dp_u分别为卫星端和接收机端伪距硬件延迟，Dlⁱ和Dl_u分别为卫星端和接收机端载波相位硬件延迟，λ_u为当前频点的载波相位波长，整周模糊度，和分布为伪距与载波相位多路径误差，和分别为伪距与载波相位残余误差。

测站u,r同时观测到了卫星i，卫星i的单差观测值采用如下公式表示：

测站u,r同时观测到卫星i,j，卫星i,j的双差观测值采用如下公式表示：

式中，分别为卫星i,j到接收机几何距离的站间单差值，可由以下公式表达：

其中，xⁱ,yⁱ,zⁱ和x^j,y^j,z^j分别为卫星i,j的位置，由星历轨道参数计算获得，分别为卫星i,j到已知基准值r的距离，x_u,y_u,z_u为待求流动站位置参数。

根据上述公式可得：

其中，所述双差观测方程中的待估参数包括流动站的三个坐标参数x_u,y_u,z_u及双差模糊度参数

对所述双差观测方程进行线性化处理得到以下公式：

V＝A·x+B·y-L

其中，V为双差观测值残差，A、B分别为坐标参数及双差模糊度参数系数阵，L为观测值与计算值之差；

根据最小二乘原理解算获得所述待估参数的估计值为坐标参数浮点解，为双差模糊度参数浮点解，再利用lambda方法对双差模糊度参数浮点解进行固定，获得双差模糊度参数固定解将双差模糊度参数固定解代入所述双差观测方程，根据最小二乘原理可获得坐标参数固定解将坐标参数固定解双差模糊度参数固定解代入所述双差观测方程计算获得所述双差残差值。

步骤102，将卫星的双差残差转换为单差残差。

在一个优选例中，所述将卫星的双差残差转换为单差残差的步骤102，将所述双差残差按以下公式表示为一个矩阵与单差残差的乘积：

式中w_i表示i卫星在基线解算中的权因子，假设观测卫星足够多，观测值中的多路径误差可视为随机噪声，单差残差加权平均值理论上应该为零，即上式中利用矩阵求逆可将双差残差转换到只剩下多路径误差和随机噪声的单差残差。

步骤103，计算每颗卫星的重复周期。

在一个优选例中，根据以下公式计算所述每颗卫星的重复周期：

T_a1＝86400-2(2π/n)

T_a2＝86400-(2π/n)

T_a3＝86400·7-13·(2π/n)

其中为地球引力常数，a为卫星轨道的长半轴，n为卫星转动的角速度，Δn为平均角速度的摄动参数，T_a1为GPS卫星重复周期时间偏移，T_a2为BDS GEO/IGSO卫星重复周期时间偏移，T_a3为BDS MEO卫星重复周期时间偏移。

例如，BDS卫星、GEO卫星由于其是地球同步轨道卫星，相对地球固定不动，其运行周期为一个恒星日，且IGSO卫星运行周期也为一个恒星日，因此GEO卫星、IGSO卫星的重复周期可认为是一个恒星日。对于MEO卫星其运行周期不具半个恒星日或者一个恒星日的特性，而根据其运行周期和恒星日的最小公倍数中可以分析出，当其运行7个恒星日周期后，MEO卫星将围绕地球运行13圈，所以MEO卫星其重复周期为7个恒星日。

步骤104，根据每颗卫星相邻前几个周期的单差残差合并计算一个周期的单差残差。

在一个优选例中，所述根据每颗卫星相邻前几个周期的单差残差合并计算一个周期的单差残差的步骤，进一步包括：对相邻前几个周期的单差残差进行平均处理。

本实施例中，GNSS形变监测观测条件较差，由于遮挡等原因，数据存在缺失，同时在数据解算过程中往往剔除数据质量较差的数据，导致最后获得的卫星单差残差存在数据缺失，为保证一个周期内卫星残差数据的完整性，获取卫星相邻3个周期数据进行合并均值化处理，获得较为完整的单个周期残差数据。

步骤105，对所述合并计算的单差残差进行经验模态分析，获取每颗卫星的多路径误差。

步骤106，在基线解算过程中消除所述每颗卫星的多路径误差，也就是在观测方程中减去计算的多路径误差。

本实施例中的GNSS形变监测方法利用相邻前几个周期的数据提取多路径误差，用于当前数据改正，可实现多路径误差的实时改正。同时为确保建立的多路径模型完整性，采用了相邻的前3个周期的卫星单差残差提取多路径误差，提升基线解算精度；

在一个优选例中，所述GNSS形变监测系统进一步包括：选取作为网平差时的观测值的基线向量；形成无约束网平差的函数模型；求解所述函数模型，得到所述基线向量的平差值、改正数及相应的精度统计值；判断所述观测值是否存在粗差；若是，将所述观测值剔除或降权，若不是，输出最终结果。本实施例中采用GNSS基线网平差方案，消除误差基线对监测网的影响，改善监测网质量，提升整体监测精度，适用于大坝桥梁、危房、铁塔等复杂场景的毫米级形变监测。

本申请的另一实施例中公开了一种GNSS形变监测系统，图2示出了本实施例中GNSS形变监测系统的框图，该系统包括：

残差获取模块201，被配置为根据双差观测方程计算卫星的双差残差；

残差转换模块202，被配置为将所述双差残差转换为单差残差；

周期计算模块203，被配置为计算每颗卫星的重复周期；

合并计算模块204，被配置为根据每颗卫星相邻前几个周期的单差残差合并计算一个周期的单差残差；

误差提取模块205，被配置为对所述合并计算的单差残差进行经验模态分析，获取每颗卫星的多路径误差；

解算模块206，被配置为在基线解算过程中消除所述每颗卫星的多路径误差。

在一个优选例中，所述残差获取模块101进一步被配置为：

构建双差观测方程，所述双差观测方程包括伪距双差观测方程和载波相位双差观测方程，具体的，

测站u观测到了卫星i，载波相位和伪距非差观测距离方程可表示成如下形式(以米为单位)：

其中，P和L分别为伪距和载波相位的非差观测值，为卫星到测站的几何距离，Oⁱ为轨道误差，c为真空中光速，δt_u和δtⁱ分别为接收机和卫星钟差，为对流层延迟，为电离层延迟，Dpⁱ和Dp_u分别为卫星端和接收机端伪距硬件延迟，Dlⁱ和Dl_u分别为卫星端和接收机端载波相位硬件延迟，λ_u为当前频点的载波相位波长，整周模糊度，和分布为伪距与载波相位多路径误差，和分别为伪距与载波相位残余误差。

测站u,r同时观测到了卫星i，卫星i的单差观测值采用如下公式表示：

u,r测站同时观测到卫星i,j，卫星i,j的双差观测值采用如下公式表示：

式中，分别为卫星i,j到接收机几何距离的站间单差值可由以下公式表达：

其中，xⁱ,yⁱ,zⁱ和x^j,y^j,z^j分别为卫星i,j的位置，由星历轨道参数计算获得，分别为卫星i,j到已知基准值r的距离，x_u,y_u,z_u为待求流动站位置参数。

根据上述公式可得：

其中，所述双差观测方程中的待估参数包括流动站的三个坐标参数x_u,y_u,z_u及双差模糊度参数

对所述双差观测方程进行线性化处理得到以下公式：

V＝A·x+B·y-L

其中，V为双差观测值残差，A、B分别为坐标参数及双差模糊度参数系数阵，L为观测值与计算值之差；

根据最小二乘原理解算获得所述待估参数的估计值为坐标参数浮点解，为双差模糊度参数浮点解，再利用lambda方法对双差模糊度参数浮点解进行固定，获得双差模糊度参数固定解将双差模糊度参数固定解代入所述双差观测方程，根据最小二乘原理可获得坐标参数固定解将坐标参数固定解双差模糊度参数固定解代入所述双差观测方程计算获得所述双差残差值；

在一个优选例中，所述残差转换模块根据双差残差可按以下公式表示为一个矩阵与单差残差的乘积：

式中w_i表示i卫星在基线解算中的权因子，假设观测卫星足够多，观测值中的多路径误差可视为随机噪声，单差残差加权平均值理论上应该为零，即上式中利用矩阵求逆可将双差残差转换到只剩下多路径误差和随机噪声的单差残差。

在一个优选例中，所述周期计算模块根据以下公式计算所述每颗卫星的重复周期：

T_a1＝86400-2(2π/n)

T_a2＝86400-(2π/n)

T_a3＝86400·7-13·(2π/n)

其中，为地球引力常数，a为卫星轨道的长半轴，n为卫星转动的角速度，Δn为平均角速度的摄动参数。

在一个优选例中，所述合并计算模块对相邻前几个周期的单差残差进行平均处理。

在一个优选例中，进一步包括基线网平差计算模块，被配置为：选取作为网平差时的观测值的基线向量；形成无约束网平差的函数模型；求解所述函数模型，得到所述基线向量的平差值、改正数及相应的精度统计值；判断所述观测值是否存在粗差；若是，将所述观测值剔除或降权，若不是，输出最终结果。

第一实施方式是与本实施方式相对应的系统实施方式，第一实施方式中的技术细节可以应用于本实施方式，本实施方式中的技术细节也可以应用于第一实施方式。

需要说明的是，本领域技术人员应当理解，上述GNSS形变监测系统的实施方式中所示的各模块的实现功能可参照前述GNSS形变监测方法的相关描述而理解。上述在GNSS形变监测系统的实施方式中所示的各模块的功能可通过运行于处理器上的程序(可执行指令)而实现，也可通过具体的逻辑电路而实现。本说明书实施例上述GNSS形变监测系统如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本说明书实施例的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机、服务器、或者网络设备等)执行本说明书各个实施例所述方法的全部或部分。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read Only Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。这样，本说明书实施例不限制于任何特定的硬件和软件结合。

相应地，本说明书实施方式还提供一种计算机可读存储介质，其中存储有计算机可执行指令，该计算机可执行指令被处理器执行时实现本说明书的各方法实施方式。计算机可读存储介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括但不限于，相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读存储介质不包括暂存电脑可读媒体(transitory media)，如调制的数据信号和载波。

此外，本说明书实施方式还提供一种GNSS形变监测系统，其中包括用于存储计算机可执行指令的存储器，以及，处理器；该处理器用于在执行该存储器中的计算机可执行指令时实现上述各方法实施方式中的步骤。

在一个实施例中，该计算机可执行指令可以用于：

根据双差观测方程计算卫星的双差残差；

将卫星的双差残差转换为单差残差；

计算每颗卫星的重复周期；

根据每颗卫星相邻前几个周期的单差残差合并计算一个周期的单差残差；

对所述合并计算的单差残差进行经验模态分析，获取每颗卫星的多路径误差；

在基线解算过程中消除所述每颗卫星的多路径误差。

在一个实施例中，其中，该处理器可以是中央处理单元(Central ProcessingUnit，简称“CPU”)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital SignalProcessor，简称“DSP”)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，简称“ASIC”)等。前述的存储器可以是只读存储器(read-only memory，简称“ROM”)、随机存取存储器(random access memory，简称“RAM”)、快闪存储器(Flash)、硬盘或者固态硬盘等。本发明各实施方式所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件处理器执行完成，或者用处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。在一个实施例中，该海面监控系统的系统还包括总线和通信接口。处理器、存储器和通信接口都通过总线相互连接。通信接口可以是无线通信接口也可以是有线通信接口，用于使得处理器能够与其他的系统通信。

需要说明的是，在本专利的申请文件中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。本专利的申请文件中，如果提到根据某要素执行某行为，则是指至少根据该要素执行该行为的意思，其中包括了两种情况：仅根据该要素执行该行为、和根据该要素和其它要素执行该行为。多个、多次、多种等表达包括2个、2次、2种以及2个以上、2次以上、2种以上。

在本说明书提及的所有文献都被认为是整体性地包括在本说明书的公开内容中，以便在必要时可以作为修改的依据。此外应理解，以上所述仅为本说明书的较佳实施例而已，并非用于限定本说明书的保护范围。凡在本说明书一个或多个实施例的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本说明书一个或多个实施例的保护范围之内。

在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描述的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。