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结构健康监测中的GPS多路径效应研究

张永恒  
【摘要】: GPS卫星定位技术因其定位精度高、全天候工作、操作方便等优点,已在大型土木工程结构健康监测领域得到成功应用。然而由于GPS卫星信号受到多种干扰误差的影响,如星历误差、卫星钟差、电离层和对流层折射误差以及多路径效应等,使得实际测量结果常常难以达到规定的精度要求。在结构监测中,基准站和流动站的距离较短,其公共误差可以通过双差得以消除。而多路径误差的测站相关性很弱,即使很短的基线,两站间多路径影响差异也很大。因此多路径效应很难被消除,已成为影响高精度定位的最大制约因素。针对上述情况,本文开展了以下几个方面的理论与试验研究: (1)对GPS多路径误差进行了理论研究,并以常用的GPS载波相位测量为例对多路径误差进行了数值模拟。结果表明:卫星信号的入射角、载波波长、反射介质的反射系数和接收机天线到反射面的水平距离是影响多路径误差的主要因素。随着反射系数的增加,多路径误差增大;随着水平距离的增加,多路径误差减小,且减小的幅度逐步变小。 (2)系统地总结了已有GPS数据后处理方法中的不足,开展了粒子滤波算法在GPS多路径消噪中的研究,将改进的粒子滤波算法应用于数值算例中。结果表明,改进的粒子滤波算法能有效地消除GPS多路径信号中的高斯噪声。 (3)对比了不同GPS传输方式的优缺点,在此基础上,设计了五种GPS监测系统常用的布设方法。根据实际情况,建立了一套GPS多路径信号模拟和监测系统。以柔性钢架模型进行了系统有效性检验,频谱分析结果表明了利用系统进行监测的有效性。 (4)根据介质的介电常数变化范围,首先选择了具有代表性的建筑材料作为介质进行了介电常数测试试验,基于试验结果,最终选取了五种材料作为GPS多路径误差试验的反射介质。 (5)GPS多路径误差试验过程中,将五种反射介质分别置于GPS流动站接收机天线旁不同高度、不同距离处,获得了连续实时动态观测数据。将改进的粒子滤波算法应用到GPS数据后处理中,有效地消除了GPS的系统噪声,从而得到了多路径误差对GPS信号的影响。通过比较发现,同种反射介质在不同距离以及不同的反射介质在相同距离引起的多路径误差都具有一定的规律性,并且与多路径误差的数值模拟结果相吻合。这为进一步建立修正模型,削弱多路径误差提供了依据。


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