文摘
载波相位路径是GNSS变形监测的主要问题。传统方法通常采用恒星日滤波降低多路径。然而,预先调整的必要性的会话持续时间静态基线方案降低了及时性的方法在现实工程。此外,这些方法不适合包含不同类型的GNSS卫星的系统(例如,BDS)。解决这些问题,本文提出了一种自适应快速独立分量分析(AF-ICA)减轻多路径效应GNSS变形监测的方法,可有效处理multi-GNSS数据和单独的几个多路径信号。在实验研究中,与之相比,观察恒星过滤领域(SF-OD)方法,AF-ICA方法可以提高定位精度和峰的价值。在GNSS变形监测定位精度,AF-ICA方法可以达到1毫米horizon-tally均方根(RMS)和垂直2毫米。无国界医生组织方法相比,AF-ICA方法的定位精度的方向ENU表示提高了44%,14%,和31%,分别和相应的峰值增加了36%,17%,和29%,分别。我们的方法可以自动获取监控信息没有估计轨道周期提前实现自动变形监测。通过自动监控解决方案,AF-ICA方法在本文中可以应用于自然灾害监测物联网和为灾害预警提供了实时数据监控信息。
1。介绍
GNSS一直是领先的高精度定位技术和广泛应用于工程结构的动态变形监测(1,2),如大坝、桥梁、高层建筑、铁路路基[3- - - - - -7]。变形监测,在短基线GNSS测量差分GNSS技术可以在很大程度上消除共模错误引用和探测器之间的GNSS站产生的电离层和对流层折射延迟,卫星和接收机时钟偏差,和轨道错误。然而,载波相位多路径效应不能删除使用这种方法和对GNSS位置估计仍有重大影响8]。附近由于反射和衍射造成的障碍,GNSS多径现象发生在信号从一个卫星接收器通过几个路径。多路径主要是由卫星星座决定的,接收机环境和反射镜的位置。在变形监测中,卫星的运行直接影响接收机以来的多路径和反射器位置是相对稳定的。因此,多径特性可以提取并用于减少定位误差分析卫星的运行。例如,卫星运行周期通常是稳定的,相应的多路径也有一个类似的周期性变化。通过使用先前的观察测量模型分别不同的卫星,恒星过滤(SF)是用来减轻多路径(9- - - - - -12]。但有必要预设的会话持续时间静态基线解经典变形监测,减少了及时性的方法。董et al。13)建造了一个single-difference观测方程基于单个与多个天线和接收机提出建立多路径半球形地图(嗯)卫星高度和方位作为独立的变量。然而,当这些方法用于减轻multi-GNSS多路径,多路径模型将有一个非常大的矩阵,这使得它不可能实现轻量级计算。此外,卫星的数量的增加和信号频率类型(14)通过使用multi-GNSS观察可能使多路径更复杂15]。
为了减轻multi-GNSS从不同类型的GNSS卫星多路径的结果,提出了一种新的滤波方法称为AF-ICA减轻多路径,可以改善动态变形监测的及时性结合信号处理技术和科幻的原则。AF-ICA方法,multi-GNSS单身时代的解决方案是输入信号处理与多路径,和所需的输出信号作为多路径模型。首先,意味着平滑滤波器(MSF)方法用于降噪计算平均值的一个窗口。然后,采用快速独立分量分析(FastICA)分离不同类型的卫星所产生的多路径信号从源信号通过结合之前的工程信息。接下来,改善方法的及时性,一阶傅里叶拟合公式是用于获取信号。我们可以恢复完整的多路径信号通过线性拟合公式根据分离的周期信号。最后,我们可以获得最终的变形监测结果通过消除多路径信号。本文的贡献可以概括如下:
考虑到复杂的多路径信号所产生的不同类型的卫星在GNSS变形监测,我们建议使用FastICA独立多路径信号从源信号。为了提高及时性,我们设计AF-ICA方法:获得前期分离信号的范围(即。,multipath signal) according to the actual engineering experience, and then use the prior period information as the basis to judge whether FastICA can separate the signal, so as to determine the smallest MSF window. Our method mitigates the multipath in the coordinate domain and can automatically get the session duration of mean filtering by extracting multiple multipath signal periods corresponding to the BDS orbit through the ICA algorithm without estimating the orbit period in advance like classical SF-OD method.
我们建议的方法可以自动获取会话持续时间意味着过滤通过提取多个多路径信号周期对应BDS轨道通过ICA算法没有估计轨道周期提前实现自动变形监测和提高工程效率。通过自动监控解决方案,AF-ICA方法在本文中可以应用于自然灾害监测物联网和为灾害预警提供了实时数据监控信息。
2。方法
考虑到复杂的多路径信号所产生的不同类型的卫星和传统科幻方法的及时性,AF-ICA方法提出解决问题。在我们的例子中,multi-GNSS单身时代的解决方案是输入信号处理与多路径,和所需的输出信号作为多路径模型。首先,多路信号微弱的源信号。因此,无国界医生组织方法需要首先用于去噪的多路径信号有足够的力量。然后,采用FastICA分离不同类型的卫星所产生的多路径信号从源信号通过结合之前的工程信息。环境信息包括两个方面:一是观测数据包含GPS卫星的轨道周期接近恒星的一天,另一个是三个多路径信号需要分开因为BDS卫星有三种类型的轨道。接下来,为了提高系统的及时性,一阶傅里叶拟合公式是用于获取信号。我们可以恢复完整的多路径信号通过线性拟合公式根据分离的周期信号。最后,我们可以获得最终的变形监测结果通过消除多路径信号。如图1,AF-ICA方法包含两个部分:首先是无国界医生组织使用单一时代GNSS静态定位解去除高斯白噪声的影响,其次是FastICA方法提取多个时期多路径信号。与无国界医生组织的方法,消除了高频信号后剩下的低频信号多路信号分离。
2.1。无国界医生组织的去噪
经典GNSS变形监测算法使用静态基线解决方案方法获得毫米级的定位精度。静态基线解决方案需要提前设置会话持续时间,然后使用静态后处理方法解决基线。本文的方法单一的时代解决方案结合使用MSF获得毫米定位精度。无国界医生组织的主要目的是为后续提供干净的多路径信号ICA方法。不需要预设会话持续时间,时间是由AF-ICA自动控制的方法。同时,MSF算法的最终结果相当于静态后处理基线的解决方案。无国界医生组织算法使用单一的时代解决方案描述如下。
正规方程静态后处理基线固定解决方案的解决方案可以写成 在哪里 被认为是基线估计固定解决方案的组件,的系数矩阵是吗 - - - - - -th时代可以计算卫星位置和接收机的位置,矩阵的观测方程重量是 - - - - - -th时代可以计算卫星高度角或浮动解残余,和估计剩余的观察。每个会话持续时间收集时代的观察数据。
可以使用最小二乘法来计算固定的解决方案在(1) 在哪里可以通过计算时代的迭代。的 - - - - - -迭代可以写成 在哪里代表的结果 - - - - - -th迭代; 代表了最小二乘的结果 - - - - - -th时代;和 代表了在正规方程系数矩阵的逆。
可以通过进一步分解迭代公式(3): 在哪里 被认为是平滑系数可以表示为 在哪里是一个单位矩阵。
2.2。AF-ICA降低多路径的影响
在静态基准方案,会议的时间需要提前设置。虽然AF-ICA提出了可以自动分析会话持续时间使用单一的时代解决方案。在引入AF-ICA方法之前,让我们首先介绍FastICA方法。
FastICA是一种信号处理方法,将一个观察到多维随机向量转换为组件,在统计上尽可能相互独立(16]。标准的ICA模型可以写成 在哪里 被认为是观察到的混合物, 代表未知来源, 是未知的混合矩阵的大小 。与假设 和来源是相互独立的,ICA可以分层矩阵最优估计,说什么 ,单独的原始信号基于规则的优化(如最小二乘法)。然后最好的近似向量可以从 在哪里 ,哪个是最好的近似向量 。一般情况下,ICA算法的过程可以分为三个步骤:第一,中心 ,即。,subtract its mean vector 使为变量;第二,美白美白信号观察到的混合物 ,在哪里是美白的矩阵,然后呢 (是一个单位矩阵);第三,旋转矩阵 ,这样 ,由特定的独立优化规则。ICA算法的来源包含一个高斯源最多,但分离组件不确定在振幅和秩序。
FastICA基于定点迭代寻找最大的同时 。首先,我们第一次显示版本的FastICA[1个单位17]。表示nonquadratic函数的导数 在哪里 是一个合适的常数,常作为吗 。
GNSS变形监测的对象可以表示三个组件的基线解结果E, N, U topocentric坐标系。当使用FastICA多路径信号分离(这里我们认为源信号是一个多路信号),我们认为ENU表示三个协调组件的混合信号 。根据工程经验和GNSS卫星轨道周期(18),我们可以获得前三种信息:(一)源信号包含一个多路信号与一个恒星日的时期(b)信号在源信号的最大周期不会超过一个恒星日(c)总数的源信号满足要求:
3所示。结果与讨论
在本节中,一个全面的实验研究进行了检查我们的方法的性能。内容包括三个部分:实验设置,比较实验使用MSF, SF-OD, AF-ICA方法,讨论。
3.1。实验装置
将数据从一个实验测试我们建议的方法,与铁路路基变形监测项目。这个实验是光山铁路进行的。监控影响完成路基施工和使用GNSS接收器监测变形。在监测区域,我们选择一个坚定立场,不容易变形,山顶为参考点,标记为B001。四个监视点指出M001、M002 M005, M006沿着铁路在监测区域安排。每个测站的分布如图2。
位置被选中,是因为它显然是受多路径效应的光滑的反射面铁路路基。ComNav GNSS L1 / L2双频K506接收器与Harxon HX-CSX601A调查天线是用于基础和监测站。基站之间的基线和监测站约100 - 500米。由于这种短基线、卫星时钟误差、接收机时钟错误,卫星轨道误差、电离层延迟、对流层延迟,和其他常见的错误被双重差分。测试开始于2020年3月3日,持续了8天。详细的数据处理策略是首先分析MSF去噪后的定位精度,然后使用经典SF-OD方法消除多路径后定位精度进行了分析,最后,使用AF-ICA方法来分析多路径被删除后的定位精度。
3.2。实验与无国界医生组织
相对定位的位置精度获得GNSS单时代(即, )厘米级,不能满足变形监测的毫米级精度要求,和无国界医生组织处理是必需的。为了分析之间的关系定位精度和会话持续时间在无国界医生组织,我们设计了16种会话持续时间:1 s, 15年代,30年代,60年代,3分钟、5分钟、15分钟、30分钟,45分钟、1小时、2小时、3小时、4小时、6小时、12小时、24小时,然后使用MSF算法进行处理。平均定位精度的四个监测站的基线结果MSF清点后ENU表示地理坐标系统。
在该测试中,3-sigma原则(99.7%置信概率)用于计算定位精度。统计结果如表所示1定位精度和会话持续时间之间的关系,如图3。
会议持续时间越长,定位精度越高。超过12小时后,定位精度优于1毫米,然后增加持续时间几乎没有改善定位精度。当会话持续时间是0 - 1小时内,增加持续时间对定位精度的影响非常明显,而且进入1小时附近的一个转折点。持续时间超过1小时后,水平定位精度比3毫米和高度定位精度比4毫米。
总之,我们建议在使用MSF GNSS变形监测方法中,它是更合适的选择1 - 12小时期间,不仅可以获得毫米水平定位精度也确保快速变形监测结果。
3.3。实验SF-OD
我们使用SF-OD方法来消除多路径信号和分析消除多路径后的定位精度。SF-OD的数据处理策略是一个恒星日第一次收集数据,然后第二个恒星日的区别与第一个恒星日观测领域,最后,获得第二个恒星日的变形相对于第一个恒星日。SF-OD方法使用2小时间隔进行处理。第一天作为参考,计算单差残差。定位解决方案后进行消除单一差残差在同一时期的第二天。由于采用恒星日期间,我们只处理GPS双频数据。图4显示了ENU表示M001车站的定位误差消除多路径信号后,表2列出了定位精度统计使用2小时的无国界医生组织和SF-OD方法。
与无国界医生组织相比,SF-OD定位精度的增加-9%,-10%和2%的三个方向ENU表示。数对应的峰增加-23%、-17%和-16%。可以看出,尽管SF-OD可以有效应对恒星日多路径信号的影响,定位精度和峰价值不如无国界医生组织的方法。可能的原因是,SF-OD只处理GPS数据,而GPS + BDS MSF过程数据包含更多的卫星。
3.4。实验AF-ICA
据无国界医生组织测试的数据结果,无国界医生组织的会话持续时间范围在1 - 12小时内控制。首先,四个监测站测试通过在AF-ICA先验信息,并得出结论,可以独立多路径信号的最小会话持续时间2小时。处理后续AF-ICA分析基于MSF 2小时的结果。
图5显示分离多径信号的周期和图FastICA M001站的方法。输入信号是E, N,无国界医生组织和U协调组件后,输出信号是分开三个独立多路径信号。通过一阶傅里叶拟合公式,三个多路径信号的时间是8小时,12小时,24小时,分别。可以看出,与恒星日时期GPS数据相比,这个测试中使用的GPS + BDS数据增加了两个较小的多路径信号周期,这可能主要是由于使用多个轨道类型的GNSS卫星相对定位。
多路信号分离后的FastICA方法,完成多路信号生成的线性拟合公式。图6情节的定位误差M001站之前和之后的多路径信号由FastICA方法去除。在图6无国界医生组织后,结果由星号代表点,拟合多路径代表了完整的多路信号,最后是多路径信号切除后的定位误差。表3列出了AF-ICA后消除多路径信号的统计数据准确性与无国界医生组织。图7情节的定位误差M001 AF-ICA站多路信号切除前后。
与无国界医生组织相比,AF-ICA方法的定位精度提高了44%,14%,31%三个方向ENU表示。相应的峰价值增加了36%,17%,29%。可以看出AF-ICA方法可以有效地处理多路信号的影响在multi-GNSS融合定位,定位精度是显著提高而简单的无国界医生组织的方法。
3.5。讨论
在上面的实验中,我们使用两种不同的方法来减轻变形监测的多路径。比较无国界医生组织方法和恒星日滤波方法中,我们使用SF-OD方法处理GPS双频数据。尽管SF-OD有效流程恒星日多路径的影响定位精度,峰间值值比无国界医生组织的方法。另一方面,通过分析AF-ICA密集静态测试结果的方法,根据多路信号的先验信息,我们确定的最低会话持续时间满足多路信号分离是2 h,并成功四站的多径信号分离。与简单的无国界医生组织方法相比,AF-ICA方法的定位精度提高了44%,14%,31%三个方向ENU表示。相应的峰价值增加了36%,17%,29%。multiperiod AF-ICA方法可以有效地解决这一问题的多路径信号由多个GNSS卫星轨道造成的。AF-ICA可以自动识别会话持续时间,实现自动变形监测。
4所示。结论
在这项研究中,我们提出了一个新颖的方法称为AF-ICA方法解决复杂的多路径变形监测的GNSS包含多种类型的卫星,提高时效性。实验结果表明,我们的方法可以达到毫米级的定位精度,满足GNSS变形监测的要求。同时,通过分析会话持续时间的价值范围,发现会话持续时间1 - 12小时更适当,不仅可以获得理想的定位精度,但也确保快速变形监测。与简单的无国界医生组织方法和SF-OD方法相比,提出的AF-ICA方法能够提高定位精度和峰间值的值。一句话,我们的方法更适合缓解多路径比传统的恒星过滤方法,特别是在multi-GNSS融合定位。
数据可用性
在生成的数据集和/或分析在当前研究可从相应的作者学术用途。
的利益冲突
作者声明没有潜在的利益冲突的研究,本文的作者,和/或出版。
确认
作者承认中国的国家自然科学基金资助62273106,广东省的主要研究和开发项目在资助2019 b010141001。