融合GNSS与RTS观测值的紧组合变形监测方法研究

姜卫平; 谢秉辰; 陈渠森; 陈华; 陈剡; 赵小阳; 韩荣荣

doi:10.13203/j.whugis20250084

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

融合GNSS与RTS观测值的紧组合变形监测方法研究

大地测量学与测量工程 | 更新时间：2026-11-05

- 融合GNSS与RTS观测值的紧组合变形监测方法研究
- A Tightly Coupled Deformation Monitoring Method Combining GNSS and RTS Observations
- 武汉大学学报（信息科学版） 2025年50卷第5期页码：823-835
- 作者机构：
  
  1.武汉大学卫星导航定位技术研究中心，湖北武汉，430079
  2.武汉大学测绘学院，湖北武汉，430079
  3.浙江省测绘科学技术研究院，浙江杭州，310012
  4.广州市城市规划勘测设计研究院有限公司，广东广州，510060
  5.国家能源局大坝安全监察中心，浙江杭州，311122
- 作者简介：
  
  姜卫平，博士，教授，主要从事高精度卫星导航定位理论与技术及工程应用研究。wpjiang@whu.edu.cn
- 基金信息：
  
  湖北省科技重大专项(2022AAA002);2024年度湖北省知识产权软科学研究项目“湖北省高价值发明专利培育及转化机制研究-以北斗产业为例”
- DOI：10.13203/j.whugis20250084
  中图分类号： TP208
- 收稿：2025-03-27，
  
  纸质出版：2025-05-05
- 稿件说明：
移动端阅览
姜卫平,谢秉辰,陈渠森，等.融合GNSS与RTS观测值的紧组合变形监测方法研究[J].武汉大学学报（信息科学版）,2025,50(5):823-835.

JIANG Weiping,XIE Bingchen,CHEN Qusen,et al.A Tightly Coupled Deformation Monitoring Method Combining GNSS and RTS Observations[J].Geomatics and Information Science of Wuhan University,2025,50(5):823-835.
姜卫平,谢秉辰,陈渠森，等.融合GNSS与RTS观测值的紧组合变形监测方法研究[J].武汉大学学报（信息科学版）,2025,50(5):823-835. DOI：,10.13203/j.whugis20250084

JIANG Weiping,XIE Bingchen,CHEN Qusen,et al.A Tightly Coupled Deformation Monitoring Method Combining GNSS and RTS Observations[J].Geomatics and Information Science of Wuhan University,2025,50(5):823-835. DOI：,10.13203/j.whugis20250084

摘要

混凝土坝、土石坝等水利工程外观变形监测精度要求较高，通常需要达到1 mm级（≤3 mm）。然而，工程监测的观测环境复杂，导致全球导航卫星系统(global navigation satellite system

GNSS) 、测量机器人（robotic total stations

RTS）等当前常用的变形监测技术精度降低，部分情况下甚至无法满足规范的技术要求。为此，提出一种融合GNSS与RTS距离＆角度观测值的紧组合变形监测方法，将RTS记录的距离、角度等测量值作为基线约束条件，补充GNSS观测矩阵强度并提高其载波相位的模糊度固定率及定位精度。结果表明，RTS观测值可以提高GNSS卫星的位置精度因子值，显著优化复杂环境中观测值的几何分布构型。与单一GNSS相比，组合距离观测值、角度观测值和距离+角度观测值后高程方向的定位精度平均提升18.0%、48.9%、61.3%，且RTS角度观测值较距离观测值能够更为有效地提升变形监测的精度。此外，RTS不同类型观测值在紧组合定位中可以提高GNSS模糊度固定率，且组合角度观测值后载波相位残差更加趋于理想的正态分布。因此，角度观测值对于GNSS/RTS紧组合变形监测精度的提升发挥着更加重要的作用。

Abstract

Objectives

Deformation monitoring for concrete dams

earth and rock dams and other water conservation projects is highly demanding

usually requiring a monitoring accuracy of 1 mm (≤ 3 mm). However

the complexity of the engineering monitoring environment can compromise the precision of the current deformation monitoring techniques

such as global navigation satellite system (GNSS)

robotic total stations (RTS)

etc. It is acknowledged that these techniques may not meet ideal specifications in certain senses

due to the occasion or long distance.

Methods

To address the above problems

we propose a GNSS/RTS tightly coupled deformation monitoring method that utilizes the distance and angle observations. The distance

angle

and other measurements recorded by the RTS are used as baseline constraints to supplement the GNSS observation matrix strength and improve the fixing rate of the GNSS carrier phase ambiguity and positioning precision.

Results

The results show that RTS observations can improve the position dilution of precision values of GNSS satellites and significantly optimize the geometric distribution configuration of observations in complex environments. Compared with single GNSS positioning

the average elevation accuracy is improved by 18.0%

48.9% and 61.3% after combining distance

angle

and distance+angle observations

respectively. The RTS angle observations are more effective in improving the deformation monitoring accuracy. In addition

different types of RTS observations in tightly coupled positioning can improve the GNSS fixing rate of ambiguities

and the carrier phase residuals tend to follow an ideal normal distribution with the combination of angle observations.

Conclusions

Angle observations play a more critical role in enhancing the accuracy of GNSS/RTS tightly coupled deformation monitoring.

关键词

Keywords

references

钟登华，时梦楠，崔博，等 . 大坝智能建设研究进展［J］. 水利学报， 2019 ， 50 （ 1 ）： 38 - 52 .

ZHONG Denghua ， SHI Mengnan ， CUI Bo ， et al . Research Progress of the Intelligent Construction of Dams ［J］. Journal of Hydraulic Engineering ， 2019 ， 50 （ 1 ）： 38 - 52 .

BAO Y Q ， CHEN Z C ， WEI S Y ， et al . The State of the Art of Data Science and Engineering in Structural Health Monitoring ［J］. Engineering ， 2019 ， 5 （ 2 ）： 234 - 242 .

SHEN N ， CHEN L ， LU X C ， et al . Interactive Multiple-Model Vertical Vibration Detection of Structures Based on High-Frequency GNSS Observations ［J］. GPS Solutions ， 2022 ， 26 （ 2 ）： 48 .

中华人民共和国水利部 . SL 601—2013 混凝土坝安全监测技术规范［S］. 北京：中国水利水电出版社， 2013 .

Ministry of Water Resources of the People’s Republic of China . SL 601—2013 Technical Specification for Concrete Dam Safety Monitoring ［S］. Beijing ： China Water & Power Press ， 2013 .

姜卫平，梁娱涵，余再康，等 . 卫星定位技术在水利工程变形监测中的应用进展与思考［J］. 武汉大学学报（信息科学版）， 2022 ， 47 （ 10 ）： 1625 - 1634 .

JIANG Weiping ， LIANG Yuhan ， YU Zaikang ， et al . Progress and Thoughts on Application of Satellite Positioning Technology in Deformation Monitoring of Water Conservancy Projects ［J］. Geomatics and Information Science of Wuhan University ， 2022 ， 47 （ 10 ）： 1625 - 1634 .

ZARIKAS V ， GIKAS V ， KITSOS C P . Evaluation of the Optimal Design “Cosinor Model” for Enhancing the Potential of Robotic Theodolite Kinematic Observations ［J］. Measurement ， 2010 ， 43 （ 10 ）： 1416 - 1424 .

ZHOU J G ， LUO C ， JIANG W W ， et al . Using UAVs and Robotic Total Stations in Determining Height Differences when Crossing Obstacles ［J］. Measurement ， 2022 ， 188 ： 110372 .

ZHANG D ， FANG T Y ， AI J H ， et al . UAV/RTS System Based on MMCPF Theory for Fast and Precise Determination of Position and Orientation ［J］. Measurement ， 2022 ， 187 ： 110342 .

LI X X ， GE M R ， DAI X L ， et al . Accuracy and Reliability of Multi-GNSS Real-Time Precise Positioning： GPS， GLONASS， BeiDou， and Galileo ［J］. Journal of Geodesy ， 2015 ， 89 （ 6 ）： 607 - 635 .

MENG X ， ROBERTS G W ， DODSON A H ， et al . Impact of GPS Satellite and Pseudolite Geometry on Structural Deformation Monitoring： Analytical and Empirical Studies ［J］. Journal of Geodesy ， 2004 ， 77 （ 12 ）： 809 - 822 .

XI R J ， CHEN H ， MENG X L ， et al . Reliable Dynamic Monitoring of Bridges with Integrated GPS and BeiDou ［J］. Journal of Surveying Engineering ， 2018 ， 144 （ 4 ）： 04018008 .

MOSCHAS F ， STIROS S . Dynamic Multipath in Structural Bridge Monitoring： An Experimental Approach ［J］. GPS Solutions ， 2014 ， 18 （ 2 ）： 209 - 218 .

ZHOU J G ， SHI B ， LIU G L ， et al . Accuracy Analysis of Dam Deformation Monitoring and Correction of Refraction with Robotic Total Station ［J］. PLOS One ， 2021 ， 16 （ 5 ）： e0251281 .

KARSZNIA K ， OSADA E ， MUSZYŃSKI Z . Real-Time Adjustment and Spatial Data Integration Algorithms Combining Total Station and GNSS Surveys with an Earth Gravity Model ［J］. Applied Sciences ， 2023 ， 13 （ 16 ）： 9380 .

BITELLI G ， RONCARI G ， TINI M A ， et al . High-Precision Topographical Methodology for Determining Height Differences when Crossing Impassable Areas ［J］. Measurement ， 2018 ， 118 ： 147 - 155 .

PSIMOULIS P A ， STIROS S C . Measuring Deflections of a Short-Span Railway Bridge Using a Robotic Total Station ［J］. Journal of Bridge Engineering ， 2013 ， 18 （ 2 ）： 182 - 185 .

FRUKACZ M ， PRESL R ， WIESER A ， et al . Pushing the Sensitivity Limits of RTS-Based Continuous Deformation Monitoring of an Alpine Valley ［J］. Applied Geomatics ， 2017 ， 9 （ 2 ）： 81 - 92 .

JIANG W P ， CHEN Y ， CHEN Q S ， et al . High Precision Deformation Monitoring with Integrated GNSS and Ground Range Observations in Harsh Environment ［J］. Measurement ， 2022 ， 204 ： 112179 .

LI B F ， SHEN Y Z ， FENG Y M . Fast GNSS Ambiguity Resolution as an Ill-Posed Problem ［J］. Journal of Geodesy ， 2010 ， 84 （ 11 ）： 683 - 698 .

LIU X ， CHEN G L ， ZHANG Q Z ， et al . Improved Single-Epoch Single-Frequency Par LAMBDA Algorithm with Baseline Constraints for the BeiDou Navigation Satellite System ［J］. IET Radar ， Sonar & Navigation， 2017 ， 11 （ 10 ）： 1549 - 1557 .

TEUNISSEN P J G ， GIORGI G ， BUIST P J . Testing of a New Single-Frequency GNSS Carrier Phase Attitude Determination Method： Land， Ship and Aircraft Experiments ［J］. GPS Solutions ， 2011 ， 15 （ 1 ）： 15 - 28 .

OSADA E ， OWCZAREK-WESOŁOWSKA M ， FICNER M ， et al . Total Station/GNSS/EGM Integrated Geocentric Positioning Method ［J］. Survey Review ， 2017 ， 49 （ 354 ）： 206 - 211 .

OSADA E ， OWCZAREK-WESOŁOWSKA M ， SOŚNICA K . Gauss-Helmert Model for Total Station Positioning Directly in Geocentric Reference Frame Including GNSS Reference Points and Vertical Direction from Earth Gravity Model ［J］. Journal of Surveying Engineering ， 2019 ， 145 （ 4 ）： 04019013 .

PAVLIS N K ， HOLMES S A ， KENYON S C ， et al . The Development and Evaluation of the Earth Gravitational Model 2008 （EGM2008）［J］. Journal of Geophysical Research： Solid Earth ， 2012 ， 117 （ B4 ）： B04406 .

SCHMID R ， STEIGENBERGER P ， GENDT G ， et al . Generation of a Consistent Absolute Phase-Center Correction Model for GPS Receiver and Satellite Antennas ［J］. Journal of Geodesy ， 2007 ， 81 （ 12 ）： 781 - 798 .

BÖHM J ， MÖLLER G ， SCHINDELEGGER M ， et al . Development of an Improved Empirical Model for Slant Delays in the Troposphere （GPT2w）［J］. GPS Solutions ， 2015 ， 19 （ 3 ）： 433 - 441 .

SAASTAMOINEN J . Atmospheric Correction for the Troposphere and Stratosphere in Radio Ranging Satellites ［M］//Henriksen S W， Mancini A， Chovitz B H. The Use of Artificial Satellites for Geodesy ， Geophysical Monograph Series. Washington D C： 1972 .

BOEHM J ， NIELL A ， TREGONING P ， et al . Global Mapping Function （GMF）： A New Empirical Mapping Function Based on Numerical Weather Model Data ［J］. Geophysical Research Letters ， 2006 ， 33 （ 7 ）： L07304 .

TEUNISSEN P J G . The Least-Squares Ambiguity Decorrelation Adjustment： A Method for Fast GPS Integer Ambiguity Estimation ［J］. Journal of Geodesy ， 1995 ， 70 （ 1 ）： 65 - 82 .

BARRELL H ， SEARS J E . The Refraction and Dispersion of Air and Dispersion of Air for the Visible Spectrum ［J］. Philosophical Transactions of the Royal Society of London Series A， Mathematical and Physical Sciences ， 1939 ， 238 （ 786 ）： 1 - 64 .

崔希璋，於宗俦，陶本藻，等 . 广义测量平差［M］. 2版 . 武汉：武汉大学出版社， 2009 .

CUI Xizhang ， YU Zongchou ， TAO Benzao ， et al . Generalized Survey Adjustment ［M］. 2nd ed . Wuhan ： Wuhan University Press ， 2009 .

浏览量

下载量

CSCD

文章被引用时，请邮件提醒。

提交

工具集

关联资源

卫星定位技术在水利工程变形监测中的应用进展与思考

南极BDS/GNSS精密单点定位性能评估

短时间基线集GB-InSAR白鹤滩特高拱坝坝面变形监测应用

利用改进抗差模型固定低成本接收机PPP模糊度

基于经验累积分布归一化最优的GNSS综合随机模型