特大型桥梁动态变形监测中的单频BDS/INS融合方法研究

Research on the application of Chinese BeiDou navigation system (BDS) in extra big bridges deflections monitoring is very important for widespread application of BDS and bridge safety operation. However, the current GPS receivers are usually dual frequency GPS receivers which are very expensive. It is high cost to fully implement GPS in bridge overall monitoring. It also should be noticed that there are obviously carrier-phase cycle-slip and multipath delay due to bridge tower, stiffened cable and vehicles. In this proposal, we will focus on the research on single frequency BDS single epoch ambiguity resolution and BDS/INS integration for bridges deflections monitoring. The project includes following aspects: 1) single frequency BDS single epoch ambiguity resolution and positioning theory based on a priori multiple constrains information including INS navigation results, bridge deflection regularity and baseline information; 2) BDS/INS tightly-coupled constrain robust Kalman filtering model for bridges deflections monitoring. The successful implementation of the project not only can perfect and develop the related BDS data processing theory, but also can promote the implication of BDS/INS in other structure deformation monitoring, which is very important for the development of BDS.

卫星定位技术在特大型桥梁动态变形监测中发挥着重要作用。然而，现有桥梁监测多采用双频接收机，用于特大型桥梁全面监测成本较高；受车辆、桥塔，索缆遮挡，载波相位周跳与多路径现象严重，监测精度较低、可靠性不足。本项目以我国自主发展的卫星导航系统 BDS 与 INS 融合理论为研究对象，对桥梁监测环境中单频 BDS/INS 高精度融合定位理论进行基础科学研究。具体内容包括：1）基于车流信息、INS定位结果、桥梁先验变形信息及基线信息等多重信息约束下的高精度单频 BDS 单历元定位理论；2）桥梁监测环境下集成 BDS/INS 的紧组合自适应约束鲁棒滤波模型。项目的成功实施无论对BDS相关学科理论体系的完善和发展，还是对 BDS/INS 在构(建)筑物变形监测中的应用均具有重要的理论和实际意义。

对特大型桥梁在风载等外力作用下的动态变形进行监测是桥梁结构健康监测的重要组成部分。卫星定位技术在特大型桥梁动态变形监测中发挥着重要作用。本项目以我国自主发展的卫星导航系统BDS与INS 融合理论为研究对象，对桥梁监测环境中单频 BDS/INS高精度融合定位理论进行相关研究。主要研究内容与成果如下：.（1）研究了BDS卫星运行规律，初步建立了BDS多路径误差与卫星运行周期的关系。研究了单差残差重构技术；引入kalman滤波平滑方法对单差残差去噪处理，将提取后的多路径误差模型进行改正，基线解算ENU方向偏差得到了较大改进。.（2）根据桥梁等建构筑物变形监测的特点，在部分模糊度解算算法基础上提出了一种基于BDS的单频单历元附有基线约束信息的级联式部分模糊度固定算法，可有效缩小模糊度搜索空间，提高单频BDS单历元模糊度固定成功率。.（3）提出了一种自适应H∞滤波算法，在自适应H∞滤波的基础上融合了双因子抗差参数估计方法，综合了自适应卡尔曼滤波及H∞滤波算法的优势，进一步增强了自适应H∞滤波算法的抗干扰能力。.（4）采用GPS/Galileo单频单历元技术结合基线长度约束对桥梁位移进行监测。结果表明，引入Galileo和基线长度约束均能有效提高GPS监测桥梁模糊度固定成功率。采用FFT方法对GPS/GALILIO约束的桥梁位移时间序列进行了分析，结果与桥梁结构的频率一致。.课题组在《ISPRS International Journal of Geo-Information》、《Annales Geophysicae》、《Engineering Structures》、《IET Radar Sonar Navigation》、《测绘学报》、《武汉大学学报(信息科学版)》、《中国矿业大学学报》等国内外知名期刊上发表论文18篇，其中SCI检索论文6篇、EI检索论文4篇；出版专著1部，申请发明专利2项，培养博硕研究生4名，以此项目为依托获批国家自然科学基金国际合作交流项目一项，完成了原定的任务要求。本课题深入研究了附有约束的单频单历元BDS模糊度解算、BDS多路径误差建模、GPS/Galileo单频单历元技术监测桥梁位移方法、GNSS/INS自适应鲁棒滤波等理论与方法，可为BDS/INS监测桥梁提供理论基础。