GNSS RTK技術(shù)下海洋平臺樁腿動態(tài)變形監(jiān)測及數(shù)據(jù)處理

熊春寶，陳 雯,2，翟京生，韓 龍

(1. 天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，天津 300072; 2. 河北農(nóng)業(yè)大學(xué)，河北 保定 071001; 3. 天津大學(xué)海洋科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，天津 300072)

海洋平臺趨于柔型結(jié)構(gòu)，體積龐大且工作環(huán)境惡劣，長期服役過程中經(jīng)常受到波浪、海流、風(fēng)等荷載交互作用產(chǎn)生動態(tài)變形[1-3]，極易發(fā)生交變振動響應(yīng)，從而導(dǎo)致多種失效模式的破壞[4]。因此，分析環(huán)境激勵載荷下平臺結(jié)構(gòu)的動態(tài)變形特點(diǎn)，對海洋平臺結(jié)構(gòu)的動力性能監(jiān)測和安全評估工作有重要參考價值。

結(jié)構(gòu)的振動變形量是研究結(jié)構(gòu)動態(tài)變形規(guī)律的重要參數(shù)指標(biāo)，但傳統(tǒng)的加速度測量方法不能直接測出工程結(jié)構(gòu)在外力作用下的整體慣性位移，兩次積分造成的誤差對工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)檢驗(yàn)帶來很大困難。目前，GNSS已經(jīng)在橋梁、高層的健康監(jiān)測中得到較多成功應(yīng)用[5-7]，不僅能在風(fēng)、雪、霧中全天候觀測且不用積分即可實(shí)時獲得高精度的時間信息和三維絕對位移[8-9]。文獻(xiàn)[10]論述了GNSS監(jiān)測位于馬來西亞砂拉越州的West Lutong平臺在2013—2014兩年間沉降量的可行性，但至今關(guān)于GNSS用于海洋平臺實(shí)時動態(tài)變形的監(jiān)測還鮮有報道。隨著軟硬件的快速發(fā)展和采樣頻率的不斷提高，GNSS作為一種較新的結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測方法在惡劣的海洋環(huán)境中表現(xiàn)出一定優(yōu)越性。因此，探索GNSS在海洋平臺動態(tài)變形監(jiān)測中的應(yīng)用對其動態(tài)變形規(guī)律的研究及健康監(jiān)測、診斷和評估具有重要意義。

本文以埕島油田某海洋平臺為監(jiān)測對象，采用海星達(dá)H32全能型三星座GNSS RTK系統(tǒng)進(jìn)行樁腿的實(shí)時動態(tài)變形監(jiān)測試驗(yàn)，并采用結(jié)合Ensemble Empirical Mode Decomposition(EEMD)和Butterworth的MDB濾波方法對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到樁腿的實(shí)時動態(tài)位移，揭示海洋平臺全天候工作中在波浪等環(huán)境荷載作用下的動態(tài)變形特征。

1 GNSS RTK動態(tài)監(jiān)測原理

GNSS具體工作原理為衛(wèi)星在基本頻率控制下由天線向地面發(fā)射調(diào)制載波，接收機(jī)接收衛(wèi)星信號后，經(jīng)跟蹤、鎖定、解調(diào)等一系列處理過程，得到測碼偽距等基本量測信息[11]。RTK測碼偽距觀測方程可表示為[12]

Δρ=ΔR+ΔI+ΔT+ε

(1)

(2)

衛(wèi)星瞬時坐標(biāo)(xs,ys,zs)從衛(wèi)星星歷中獲得，接收機(jī)坐標(biāo)(xr,yr,zr)為待求參數(shù)。當(dāng)去除誤差后，根據(jù)基線兩端相關(guān)性原理，若RTK接收機(jī)同時接收3顆或3顆以上衛(wèi)星信號，理論上可實(shí)時求得接收機(jī)所在測點(diǎn)3個坐標(biāo)(xr,yr,zr)。

2 MDB混合型降噪方法

GNSS觀測中影響測量精度的誤差主要有3種，如圖1所示。與衛(wèi)星有關(guān)的誤差、接收機(jī)鐘差、天線相位中心偏差可對比已知坐標(biāo)點(diǎn)上的基站測值去除。RTK在結(jié)構(gòu)動態(tài)監(jiān)測中基線通常小于10 km，對流層和電離層誤差也可削弱，但多路徑誤差、隨機(jī)噪聲不能被削弱。因此 GNSS 監(jiān)測信號中主要包括結(jié)構(gòu)實(shí)際振動信息、多路徑誤差和隨機(jī)噪聲3部分[13]。GNSS信號經(jīng)預(yù)處理后忽略掉誤差次要成分得信號Di為

Di=Vi(n)+Mi(n)+N(n)

(3)

式中,Di為GNSS第i個測點(diǎn)的位移數(shù)據(jù)；n為數(shù)據(jù)長度；Vi(n)為海洋平臺結(jié)構(gòu)實(shí)際振動位移；Mi(n)為信號的多路徑誤差；N(n)為信號隨機(jī)噪聲。

GNSS監(jiān)測數(shù)據(jù)非平穩(wěn)、非線性，但傳統(tǒng)的信號分析如Fourier分析要求數(shù)據(jù)平穩(wěn)、有周期性，系統(tǒng)線性。Wavelet分析和EMD(empirical mode decomposition)分析常處理非平穩(wěn)信號，但前者依賴母波的選擇，后者無法克服信號中斷引起的模態(tài)混疊現(xiàn)象[11]。EEMD分析方法是在EMD分析基礎(chǔ)上加入極小幅度的零均值高斯白噪聲，均衡信號中斷區(qū)域可最大程度消除隨機(jī)誤差Ni(n)[14]。Chebyshev濾波器和Butterworth濾波器都可去除多路徑誤差[15-16]，其中Butterworth濾波的頻幅響應(yīng)更平坦。因此本文提出基于EEMD分析和Butterworth濾波相結(jié)合的混合型濾波器MDB，如圖2所示。

3 監(jiān)測試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

2017年9月29日22:49—2017年9月30日00:49期間，海上西南風(fēng)3～4級，浪高2 m。試驗(yàn)采用GPS+GLONASS+BDS三星系組合系統(tǒng)，并以海星達(dá)H32全能型GNSS RTK雙頻接收機(jī)為試驗(yàn)儀器。RTK采樣頻率為1 Hz，標(biāo)注的定位精度平面為±(10 mm+1×10-6D)，高程為±(20 mm+1×10-6D)。試驗(yàn)前檢驗(yàn)了所用儀器的精度和穩(wěn)定性能，然后對環(huán)境激勵下生產(chǎn)平臺1號、3號樁腿的動態(tài)響應(yīng)進(jìn)行連續(xù)2 h的實(shí)時監(jiān)測。由于高程h方向的誤差遠(yuǎn)大于平面x、y方向的誤差，試驗(yàn)采集x、y兩個方向的振動位移信號進(jìn)行分析。

由于多路徑誤差和隨機(jī)噪聲的干擾，用前述MDB混合濾波方法對被污染的GNSS數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。首先采用EEMD分別將1號樁腿x、y方向振動位移進(jìn)行分解，兩個方向均得到10個IMF分量和殘余分量R10。根據(jù)隨機(jī)信號和多路徑誤差頻率分布不集中的特征[13]，前5個IMF分量頻率較高且能量較小，符合隨機(jī)噪聲特征，后3個IMF分量頻率極小且分布不集中，符合多路徑低頻噪聲特征，從原數(shù)據(jù)剔除后分別將x、y方向各自的剩余分量IMF6和IMF7進(jìn)行Butterworth濾波得到新的分量IMFB，再重構(gòu)得MDB濾波信號，如圖3所示。從圖3看出MDB濾波器去噪后，1號樁腿x、y方向在環(huán)境荷載激勵作用下發(fā)生穩(wěn)定持續(xù)的振動響應(yīng)，x、y方向最大振幅分別為20.9 mm、17.5 mm。同理，對3號樁腿x、y方向位移經(jīng)EEMD濾波和Butterworth去噪重構(gòu)如圖4所示，得到3號樁腿位移MDB去噪后x、y方向最大振幅分別為19.5 mm、15.4 mm，而且可看出在風(fēng)、海流、波浪等環(huán)境激勵作用下平臺結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)一定的短周期振動。

對比MDB去噪前后生產(chǎn)平臺1、3號樁腿x、y方向位移信號分別如圖5所示。由于隨機(jī)誤差和多路徑誤差的存在，去噪前海洋平臺運(yùn)動軌跡不明顯，MDB去噪后可較清晰地看出海洋平臺結(jié)構(gòu)在環(huán)境激勵作用下平面方向產(chǎn)生可逆的交變振動響應(yīng)，還可較清楚地看出結(jié)構(gòu)的振動軌跡，為平臺結(jié)構(gòu)動態(tài)信息的預(yù)測提供參考，而且對海洋平臺健康監(jiān)測、診斷和評估均有重要意義。

4 結(jié) 論

(1) 海洋平臺及其樁腿受波浪、海流、風(fēng)等荷載交互作用產(chǎn)生可逆的動態(tài)變形，本文采用GNSS RTK系統(tǒng)對海洋平臺樁腿進(jìn)行實(shí)時動態(tài)響應(yīng)監(jiān)測試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明GNSS RTK技術(shù)在海洋平臺結(jié)構(gòu)實(shí)時動態(tài)位移監(jiān)測方面具有很好的工程實(shí)用價值。

(2) 針對海面對GNSS RTK衛(wèi)星信號具有較強(qiáng)的折射和反射，海洋平臺GNSS RTK測量數(shù)據(jù)中多路徑誤差和隨機(jī)噪聲比陸地測量更大，而且多路徑誤差和隨機(jī)噪聲在時域和頻域上具有不同的特性等特點(diǎn)，本文提出了基于EEMD和Butterworth相結(jié)合的一種新的適用于處理多種非線性、非平穩(wěn)數(shù)據(jù)的混合型濾波器MDB。

(3) 通過工程實(shí)例驗(yàn)證，本文提出的新的混合型濾波器MDB能有效去除GNSS RTK測量數(shù)據(jù)中的低頻多路徑誤差和高頻全局分布的隨機(jī)噪聲，從去除多路徑誤差和隨機(jī)噪聲之后的海洋平臺樁腿測點(diǎn)位移云圖可以非常清楚地看出，樁腿在環(huán)境激勵作用下水平方向產(chǎn)生可逆的交變振動響應(yīng)的位移軌跡，位移軌跡可以為海洋平臺結(jié)構(gòu)動態(tài)信息的預(yù)測提供專業(yè)參考。

(4) 隨著GNSS采樣頻率和測量精度的提高、RTK差分作用距離的延長及其數(shù)據(jù)分析和處理方法的不斷完善，簡單、靈活、方便的GNSS RTK技術(shù)可進(jìn)一步擴(kuò)展應(yīng)用到離岸較遠(yuǎn)的海洋結(jié)構(gòu)變形預(yù)測和損傷識別中，對海洋平臺結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測、診斷和評估均具有重要意義。