GNSS水位反演方法及其在大坝变形分析中的应用研究

发布时间：2020-10-21 22:30

　　全球卫星导航系统(GNSS)作为21世纪高新技术,目前已经在国土测绘、交通运输、公共安全、现代农业以及国防军事等领域得到了深入而广泛的应用。GNSS接收机可以接收直射和反射信号。GNSS直射信号已广泛应用于大气温湿度、天气预报、气象学、电离层监测等领域。利用其反射信号可以对目标面(水位变化、海面高度、土壤湿度、植被水含量、雪水当量、积雪深度等)进行特征提取,是卫星导航领域的一个研究热点,在地球环境科学等领域有着很好的应用潜力。本文深入研究了利用GNSS技术进行水位反演的理论方法,实现了利用单GPS天线进行水位反演的技术,并在时间域下采用多元线性回归、主成分分析等方法分析水位及温度对山西省西龙池上水库大坝变形的影响,在频率域下分析水位、温度及大坝变形的频谱特征。研究内容及成果主要包括以下方面:(1)研究了 GNSS反射信号理论、SNR信号的特性,并对测站的有效卫星进行了分析,总结了信号有效反射区的特点。SNR信号随卫星高度角呈现周期性的变化,卫星高度角越低,其信号强度越低。L1载波上的信号和L2载波上的信号强度存在明显的区别,L1的SNR信号功率相对于L2高出20dB-Hz,新增的L2C码的SNR信号强度要强于L1码,L2C SNR的精度也明显高于L1 SNR。当水位高度不同时,SNR序列的频率和相位存在明显的不同。(2)发展了基于信噪比频谱分析理论的水位反演方法,并反演出山西省西龙池上水库水位,并对反演结果进行准确性分析,给出反演水位精度的评判标准。将2013年前6个月的反演水位与实测水位进行比较分析,验证了反演结果的准确性。同测站不同卫星的功率谱波峰一致,中误差优于0.05m;同测站不同日反演水位差与实测水位差差值优于0.4m;不同测站反演水位差值近似相等。分析6个月的反演水位和实测水位时间序列发现,反演水位与实测水位走势一致,且每个月的相关性均大于90%,说明反演水位和实测水位具有强相关性。水位平稳期残差可以控制在0.4m以内。在剔除粗差的情况下,实验所用的GNSS水位反演方法精度优于0.2m。(3)分析了在时间域下温度、水位、时效等因素作为影响因子对大坝变形的作用,利用多元线性回归分析、主成分分析等方法分析三种因素对西龙池上水库大坝变形的影响。结果表明:两种方法效果近似,S071站E方向的拟合结果较好的反映了其变形状况,其中季节性变化(温度)贡献较大。但是在每年年中夏季位移发生阶跃性跳变时,拟合结果与变形差异较大。其他测站拟合结果在一定程度上反映了变形状况,但是对变形序列中的特征变化拟合效果不佳,说明温度和水位对变形的影响量级较小,该影响容易被大坝自身因素引起的变形及残差等因素覆盖。(4)分析了频率域下基于Lomb-Scargle方法的温度、水位及大坝变形的时间序列频谱特征,得出三者时间序列频率的特征与关系。研究结果表明:水位和温度都有年周期变化,还有各自的特征频率。水位的主要频率有0.98 yr-1、0.62 yr-1、1.50yr-1、0.31yr-1,温度的主要频率有1 5yr-1、1yr-1、0.70yr-1、0.50yr-1。四个监测站都有与水位和温度相一致的年周期,同时也存在相似的特征频率,分析认为水位和温度对大坝的变形产生了影响。(5)分析了大坝7天的动态变形监测数据来研究在短时间内水位对大坝变形的影响。对四个测站在水压方向上的变形进行频谱分析发现,变形存在一致的频率,这说明四个测站沿水压方向具有相同规律的变化,认为水位对测站沿水压方向的变形产生了影响。
【学位单位】：武汉大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2017
【中图分类】：TV698.11;P332.3
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章绪论
    1.1 研究背景与意义
    1.2 研究现状与趋势
        1.2.1 GNSS水位反演技术研究现状
        1.2.2 大坝结构健康监测的研究现状
        1.2.3 研究趋势
    1.3 研究目标与内容
        1.3.1 研究目标
        1.3.2 研究内容
        1.3.3 创新点及难点
第2章 GNSS水位反演及大坝变形分析理论与方法
    2.1 GNSS水位反演理论与方法
        2.1.1 GNSS反射信号理论
        2.1.2 Lomb-Scargle频谱分析法
        2.1.3 GNSS水位反演原理
    2.2 大坝变形分析方法
        2.2.1 基线解算软件与方法
        2.2.2 多元线性回归分析方法
        2.2.3 主成分分析方法
    2.3 本章小结
第3章西龙池上水库GNSS水位反演
    3.1 西龙池上水库GNSS监测系统介绍
        3.1.1 西龙池上水库概况
        3.1.2 观测数据及其预处理
    3.2 观测数据用于水位反演的可行性分析
        3.2.1 信噪比特征分析
        3.2.2 测站有效卫星分析
        3.2.3 菲涅耳反射区分析
    3.3 西龙池上水库GNSS水位反演过程及分析
        3.3.1 GNSS水位反演过程
        3.3.2 反演水位的准确性分析
        3.3.3 反演水位精度评判标准
        3.3.4 GNSS水位反演结果
    3.4 本章小结
第4章西龙池上水库大坝变形分析
    4.1 数据获取及处理
    4.2 时间域下大坝变形分析
        4.2.1 多元线性回归分析
        4.2.2 主成分分析
        4.2.3 相关性分析
    4.3 频率域下大坝变形分析
    4.4 大坝动态变形数据分析
    4.5 本章小结
第5章总结与展望
    5.1 主要工作内容及结论
    5.2 展望
参考文献
致谢

【参考文献】

相关期刊论文前7条

1 敖敏思;朱建军;胡友健;曾云;刘亚东;;利用SNR观测值进行GPS土壤湿度监测[J];武汉大学学报(信息科学版);2015年01期

2 姜卫平;刘鸿飞;刘万科;贺湧;;西龙池上水库GPS变形监测系统研究及实现[J];武汉大学学报(信息科学版);2012年08期

3 虞鸿;吴中如;包腾飞;张岚;;基于主成分的大坝观测数据多效应量统计分析研究[J];中国科学:技术科学;2010年07期

4 ;Multivariate analysis in dam monitoring data with PCA[J];Science China(Technological Sciences);2010年04期

5 黄伟朵;许昌;段永刚;邓成发;;主成分回归分析在大坝安全监测中的应用[J];水电自动化与大坝监测;2009年01期

6 李红祥;岳东杰;李立瑞;;基于主成分回归的大坝位移模型[J];水电自动化与大坝监测;2008年05期

7 刘经南;邵连军;张训械;;GNSS-R研究进展及其关键技术[J];武汉大学学报(信息科学版);2007年11期

相关博士学位论文前1条

1 吕开云;黄河小浪底水利枢纽大坝变形预测方法研究与分析[D];中国矿业大学(北京);2012年

相关硕士学位论文前2条

1 张阳;基于北斗卫星反射信号的海面高度测量方法研究[D];北京化工大学;2015年

2 杜强;小湾大坝变形监测与分析研究[D];长安大学;2015年