基于Beidou/GPS组合的矿山开采地表沉陷监测方法研究

【摘要】本文在分析采用Beidou/GPS进行变形监测的基本原理和已有似单差理论的基础上,结合开采沉陷监测的特点,建立了单历元、高精度、快速解算大范围变形量的基本数学模型,研究了削弱主要误差来源的算法,并开发了对采集的数据进行高精度快速处理和有效管理的专门软件。本文的主要研究成果如下：1.研究了Beidou/GPS坐标系统和时间系统的统一问题,为采用Beidou/GPS系统融合进行变形监测理论提供了基准。讨论了Beidou/GPS定位中常用到的几种函数模型,分别为非差模型,单差模型和双差模型。分析了Beidou/GPS的随机模型,通过对几种随机模型的比较,得出的结论为采用高度角定权最合适。2.在单历元解算变形信息的似单差算法基础上,将似单差模型的适用范围从GPS系统扩展到Beidou/GPS双系统。通过数学方法证明了当变形量小于波长的一半时,双差整周模糊度可以通过先验信息直接固定。基于似单差算法和组合波长原理,提出了一种适用于解算大范围变形量的单历元算法。首先利用伪距差分的办法求解出监测点的近似坐标,进而求解两个超宽巷双差整周模糊度。利用两个超宽巷双差整周模糊度与L1/L2或B1/B2载波双差整周模糊度之间的线性关系,直接求解出L1/L2或B1/B2载波的双差整周模糊度,代入到似单差模型中直接求解出变形信息。该方法解决了似单差算法无法解算大范围变形量的问题。最后通过两个实验验证了该方法的正确性。3.从与卫星有关的误差、与接收设备有关的误差和与传播路径有关的误差三个方面系统的分析了本文算法中的误差改正模型并研究了各类误差对最终变形信息解算结果的影响。对算法中可能存在的问题,进行了进一步的研究。由于超宽巷组合的噪声较大,当监测点的实际变形量接近或大于超宽巷波长的一半时,超宽巷双差整周模糊度的固定会出现不稳定的情况,因此需要通过搜索的办法固定超宽巷双差整周模糊度。此外,当卫星高度角较小时,即使变形量不大,超宽巷双差整周模糊度也会出现固定失败的情况,因此解算时也需要选择合适的高度截止角以避免这类问题的出现。为了提高模糊度的搜索效率,本文提出了一种逐星筛选超宽巷模糊度的方法,可以有效的剔除错误的超宽巷模糊度组合,大大的提高搜索效率。最后本文通过一个实例给出了单历元解算变形信息质量评价的方法。4.以顾北煤矿北一(6-2)上采区2326首采工作面为例,研究了利用Beidou/GPS技术对矿区地表沉陷进行变形监测的方法,并从监测方案的设计、矿区高精度Beidou/GPS三维变形监测基准网的建立及变形信息的解算三个方面研究了矿区地表沉陷监测的具体流程。解算结果表明,本文中提出的方法可以基本满足矿区开采沉陷监测的要求。5.利用本文中提出的理论开发出了一套基于Beidou/GPS技术的变形信息快速解算软件。文中对该软件的功能进行了介绍,并以一个实验为例,介绍了软件运行的基本流程。整个软件具有用户界面友好、运行快捷、使用方便、计算结果正确可靠等特点,可以提供较为丰富的成果,既可以应用于科研,又可以用于生产。
【作者】张美微；
【导师】余学祥；
【作者基本信息】安徽理工大学，地质工程，2014，博士
【关键词】Beidou/GPS；开采沉陷监测；大范围变形量；单历元；似单差方法；软件实现；

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