低成本GNSS接收機(jī)監(jiān)測(cè)高層建筑動(dòng)態(tài)變形的可行性分析

侯紅科，王亞榮，匡翠林

低成本GNSS接收機(jī)監(jiān)測(cè)高層建筑動(dòng)態(tài)變形的可行性分析

侯紅科1,2，王亞榮3，匡翠林1

（1. 中南大學(xué) 地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，長沙 410083；2. 廣州市城市規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，廣州 510663；3. 武漢大學(xué) 測(cè)繪學(xué)院，武漢 430079）

針對(duì)目前高層建筑動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)成本較高的問題，提出利用單頻低費(fèi)用全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS）接收機(jī)進(jìn)行高層建筑動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的方法，并通過模擬實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證低費(fèi)用接收機(jī)獲取監(jiān)測(cè)點(diǎn)微變形的有效性。實(shí)際工程監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，低費(fèi)用接收機(jī)和測(cè)量型接收機(jī)在獲取高樓似靜態(tài)變形和識(shí)別低頻振動(dòng)頻率方面具有較好的一致性；低費(fèi)用接收機(jī)應(yīng)用于高層建筑變形監(jiān)測(cè)既可保證測(cè)量精度，又可有效降低工程成本，具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值。

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)；單頻接收機(jī)；高層建筑；動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)

0 引言

隨著城市化的快速發(fā)展和建筑工藝的進(jìn)步，大量高聳建筑不斷興建。高層建筑在溫度、日照、強(qiáng)風(fēng)以及運(yùn)營荷載等外界因素的影響下將產(chǎn)生振動(dòng)變形和緩慢的似靜態(tài)變形，變形量的大小將直接影響其結(jié)構(gòu)安全狀況[1-2]。對(duì)高樓進(jìn)行動(dòng)態(tài)變形監(jiān)測(cè)，不但可以評(píng)估其健康狀況，而且在驗(yàn)證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)、評(píng)估其安全運(yùn)營能力等方面具有重要意義[3]。全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（global navigation satellite system, GNSS）技術(shù)因其具有全天候、無需通視、可直接獲取監(jiān)測(cè)點(diǎn)3維位移等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛的應(yīng)用于高層建筑動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)[4]。目前，在GNSS高樓動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域?qū)W者們已經(jīng)做了很多研究，并取得了較好的效果，但是一般利用的是雙頻測(cè)量型GNSS接收機(jī)，接收機(jī)的價(jià)格昂貴，從而導(dǎo)致工程應(yīng)用成本較高。隨著GNSS技術(shù)在軟硬件方面的發(fā)展，單頻低費(fèi)用接收機(jī)的定位精度得到了大幅度提高。文獻(xiàn)[5-6]基于goGPS對(duì)低費(fèi)用接收機(jī)進(jìn)行了一系列研究，驗(yàn)證了單頻低費(fèi)用接收機(jī)相對(duì)動(dòng)態(tài)定位精度較之前有了較大的提高。文獻(xiàn)[7]基于低成本的全球定位系統(tǒng)（global positioning system, GPS）及北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BeiDou navigation satellite system, BDS）接收機(jī)，結(jié)果表明借助于實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)載波相位差分(real time kinematic,RTK）定位方式可以達(dá)到厘米級(jí)的實(shí)時(shí)定位精度。文獻(xiàn)[8-9]研究了低費(fèi)用接收機(jī)用于滑坡監(jiān)測(cè)的可行性，并探討了基線長度對(duì)定位結(jié)果的影響。對(duì)單頻接收機(jī)在工程測(cè)量領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行研究，可以降低工程成本，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

本文研究驗(yàn)證單頻低費(fèi)用接收機(jī)監(jiān)測(cè)微變形的有效性，并對(duì)低費(fèi)用單頻接收機(jī)應(yīng)用于高樓動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)進(jìn)行分析。

1 單頻GNSS數(shù)據(jù)處理方案

本文采用相位差分模式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，大幅消除削弱了多種系統(tǒng)誤差，例如電離層延遲、對(duì)流層延遲、衛(wèi)星鐘差等。在測(cè)站、上對(duì)衛(wèi)星、進(jìn)行同步觀測(cè)，其雙差載波相位定位方程為

在相位差分定位時(shí)，雙差后的電離層和對(duì)流層延遲誤差可忽略不計(jì)，而固定雙差模糊度則成為解算基線向量的核心問題。在高層建筑動(dòng)態(tài)變形監(jiān)測(cè)中，監(jiān)測(cè)站的初始坐標(biāo)已知，而動(dòng)態(tài)變形位移較小，因此基線長度可視為已知。本文使用了基線長度約束，基于模型化后的最小二乘模糊度降相關(guān)平差法（modified least-square ambiguity decorrelation adjustment, MLAMBDA）[10]，實(shí)現(xiàn)了對(duì)單頻信號(hào)的模糊度固定。周跳普遍存在于載波相位測(cè)量中，且一個(gè)周期的跳變就可引發(fā)數(shù)十厘米的定位誤差，因而在解算之前需要對(duì)相位觀測(cè)值進(jìn)行周跳探測(cè)和修復(fù)。而單頻觀測(cè)值無法使用墨爾本-維貝納（Melbourne-Wubbena, MW）寬巷組合法、電離層殘差法等方法，本文利用了3差后作1次歷元間差分，對(duì)周跳進(jìn)行初步的探測(cè)與修復(fù)，然后再用3差迭代解進(jìn)一步修復(fù)數(shù)值較小的周跳。另外，多路徑作為動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的誤差源，無法通過差分定位進(jìn)行消除，因此在進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)時(shí)要合理選擇監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置，數(shù)據(jù)處理時(shí)選擇合適的截止高度角來減小多路徑誤差對(duì)定位結(jié)果的影響。

2 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

2.1 模擬實(shí)驗(yàn)

本文中使用的低費(fèi)用接收機(jī)是Ublox公司的EVK-M8T，接收天線為EVK-M8T配套的導(dǎo)航型小天線，它屬于陶瓷平板天線，尺寸大小為40 mm×40 mm×12 mm。相對(duì)于測(cè)量型接收機(jī)，它在價(jià)格、質(zhì)量、功耗上均有優(yōu)勢(shì)，但接收到的信號(hào)為單頻信號(hào)。模擬實(shí)驗(yàn)利用模擬位移變形裝置對(duì)接收機(jī)的監(jiān)測(cè)性能進(jìn)行評(píng)估。將模擬變形裝置安置在觀測(cè)墩上，整平后用羅盤標(biāo)定北方向和東方向。由于移動(dòng)的位移量較小，磁偏角以及羅盤定北不準(zhǔn)確對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響可忽略不計(jì)。使模擬變形裝置1個(gè)軸平行南北方向，則另1軸平行東西方向。通過旋轉(zhuǎn)旋鈕可以調(diào)整裝置的南北軸和東西軸產(chǎn)生位移，裝置位移刻度為1 mm。將模擬位移和監(jiān)測(cè)位移進(jìn)行對(duì)比，可以對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)。模擬監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)如圖1所示。模擬變形的方案如表1所示。基準(zhǔn)站使用了Trimble公司測(cè)量型接收機(jī)Net R9和測(cè)量型天線TRM55971.00，在進(jìn)行結(jié)果分析之前，對(duì)2種接收機(jī)的信噪比進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)果如圖2所示。結(jié)果表明，單頻低費(fèi)用接收機(jī)的信號(hào)質(zhì)量與測(cè)量型接收機(jī)相差不大，信噪比大多集中在40 dB左右。

圖1 模擬監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)

圖2 兩種接收機(jī)信號(hào)質(zhì)量對(duì)比

模擬實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采樣率為1 s，單個(gè)歷元解算時(shí)間序列如圖3所示。由圖可知，單頻低費(fèi)用GNSS接收機(jī)監(jiān)測(cè)的位移序列較好地反映了模擬裝置的實(shí)際位移，但部分測(cè)段位移序列出現(xiàn)波動(dòng)，這主要是因?yàn)槎嗦窂降绕渌`差造成的。模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，單頻低費(fèi)用GNSS監(jiān)測(cè)結(jié)果和模擬變形吻合得很好，該監(jiān)測(cè)技術(shù)可以很好地監(jiān)測(cè)到微變形。

表1 模擬變形方案

圖3 測(cè)量變形與GNSS解算結(jié)果比較

2.2 實(shí)驗(yàn)概況

為了驗(yàn)證低費(fèi)用接收機(jī)應(yīng)用于高層建筑動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的可行性，本研究對(duì)某一高層建筑進(jìn)行了動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。該建筑層數(shù)為63層，總高度超過300 m。在高樓樓頂?shù)膶?duì)角處設(shè)置2個(gè)監(jiān)測(cè)站，用來監(jiān)測(cè)高樓的動(dòng)態(tài)變形。其中：1號(hào)監(jiān)測(cè)站采用Trimble Net R9高頻測(cè)量型接收機(jī)，數(shù)據(jù)采樣率設(shè)置為10 Hz；2號(hào)監(jiān)測(cè)站采用ublox公司的EVK-M8T單頻接收機(jī)，數(shù)據(jù)采樣率設(shè)置為1 Hz。在觀測(cè)環(huán)境良好的空曠地方架設(shè)基準(zhǔn)站，基準(zhǔn)站與高樓監(jiān)測(cè)站的基線長度大約為5.6 km?，F(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)環(huán)境和監(jiān)測(cè)示意如圖4所示。

圖4 高層建筑GNSS動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)

2.3 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

監(jiān)測(cè)期間基本不受風(fēng)振等其他明顯外部環(huán)境荷載作用，高樓變形主要表現(xiàn)為自身振動(dòng)以及溫度、光照等引起的緩慢變形。分別對(duì)2個(gè)監(jiān)測(cè)站1 h的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行單歷元?jiǎng)討B(tài)解算。經(jīng)均值化處理后的北方向、東方向、高方向坐標(biāo)時(shí)間序列如圖5所示。高樓在北、東方向位移時(shí)間序列在零值附近波動(dòng)，高樓的似靜態(tài)位移較小。由于GNSS在高程方向定位精度較低，監(jiān)測(cè)點(diǎn)在高程方向具有較大的波動(dòng)范圍。由于受到多路徑以及衛(wèi)星信號(hào)遮擋的影響，1號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)在方向0~1000 s表現(xiàn)出較大的波動(dòng)。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，2個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移時(shí)間序列無論在整體趨勢(shì)還是在局部細(xì)節(jié)上都表現(xiàn)出較好的一致性。利用單頻低費(fèi)用接收機(jī)，可以準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)到高樓的似靜態(tài)變形。

圖5 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移時(shí)間序列

高樓的振動(dòng)信號(hào)微弱，由于受到GNSS觀測(cè)噪聲的影響，很難從原始位移數(shù)據(jù)結(jié)果中識(shí)別出高樓的動(dòng)態(tài)特性。本文基于快速傅里葉變換將時(shí)間域數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到頻率域，頻譜分析結(jié)果如圖6所示。數(shù)據(jù)在低頻部分表現(xiàn)出較高的功率譜密度，這主要是因?yàn)楦邩撬旗o態(tài)變形和多路徑等測(cè)量噪聲引起的。測(cè)量型接收機(jī)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)識(shí)別的高樓在北、東方向的模態(tài)振動(dòng)頻率分別0.045和0.046 Hz，導(dǎo)航型接收機(jī)識(shí)別的高樓在北、東方向的振動(dòng)頻率為0.050和0.050 Hz。由于高樓的振動(dòng)信號(hào)微弱，受點(diǎn)位分布不一致和GNSS觀測(cè)白噪聲的影響，識(shí)別的振動(dòng)頻率存在細(xì)微的差別。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，高樓的振動(dòng)頻率分布在較低頻段，導(dǎo)航型接收機(jī)和測(cè)量型接收機(jī)識(shí)別的高樓振動(dòng)頻率分布具有較好的一致性。

圖6 監(jiān)測(cè)點(diǎn)原始坐標(biāo)時(shí)間序列頻譜分析結(jié)果

小波分析能夠?qū)⑿盘?hào)分解到任意頻段上，具有帶通濾波的功能，常被應(yīng)用于高層建筑振動(dòng)信號(hào)的提取[11]。對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行小波分析，提取高樓的振動(dòng)信號(hào)，結(jié)果如圖7所示。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，2種接收機(jī)監(jiān)測(cè)出的振動(dòng)具有較好的一致性，振動(dòng)信號(hào)均在2 mm以內(nèi)。由于監(jiān)測(cè)時(shí)間段內(nèi)無風(fēng)等其他明顯外部荷載，高樓自身的振動(dòng)信號(hào)微弱，該建筑具有很好的穩(wěn)定性。

圖7 小波提取振動(dòng)位移

3 結(jié)束語

GNSS已成為目前工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，使用GNSS 技術(shù)進(jìn)行建筑物健康監(jiān)測(cè)，可以解決傳統(tǒng)的建筑物健康監(jiān)測(cè)方法的不足。GNSS單頻低費(fèi)用接收機(jī)小巧靈活，它在價(jià)格、質(zhì)量、功耗上相對(duì)于測(cè)量型接收機(jī)均有優(yōu)勢(shì)。本研究通過模擬實(shí)驗(yàn)和工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了單頻低費(fèi)用GNSS接收機(jī)應(yīng)用于高層建筑動(dòng)態(tài)變形監(jiān)測(cè)的可行性和有效性。分析結(jié)果表明，該監(jiān)測(cè)方法可有效識(shí)別高樓的似靜態(tài)變形和振動(dòng)頻率。低費(fèi)用接收機(jī)應(yīng)用于工程測(cè)量領(lǐng)域，可有效降低工程成本，具有良好的工程應(yīng)用價(jià)值。

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Feasibility analysis on dynamic deformation monitoring of high-rise buildings by low-cost GNSS receivers

HOU Hongke1,2, WANG Yarong3, KUANG Cuilin1

1. School of Geosciences and Info-Physics, Central South University, Changsha 410083, China;2. Guangzhou Urban Planning & Design Survey Research Institute, Guangzhou 510663, China;3. School of Geodesy and Geomatics, Wuhan University, Wuhan 430079, China)

Aiming at the problem that there exists high cost in current dynamic monitoring of high-rise buildings, the paper proposed to use single-frequency and low-cost GNSS receivers to dynamically monitor the high-rise buildings, and verified the feasibility of acquiring the micro deformation of monitoring points by the low-cost receiver through simulational experiments. Practical engineering monitoring results showed that: the low-cost receiver and the geodetic receiver would have good consistency in acquiring quasi-static deformation and identifying low-frequency vibration frequency for high-rise buildings; moreover, the application of low-cost receivers for deformation monitoring of high-rise buildings could not only ensure the measurement accuracy, but also effectively reduce the engineering cost, meaning a high engineering application value.

global navigation satellite system (GNSS); single-frequency receiver; high-rise building; dynamic monitoring

P228

A

2095-4999(2019)04-0094-05

侯紅科，王亞榮，匡翠林.低成本GNSS接收機(jī)監(jiān)測(cè)高層建筑動(dòng)態(tài)變形的可行性分析[J].導(dǎo)航定位學(xué)報(bào),2019,7(4): 94-98.（HOU Hongke,WANG Yarong,KUANG Cuilin.Feasibility analysis on dynamic deformation monitoring of high-rise buildings by low-cost GNSS receivers[J].Journal of Navigation and Positioning,2019,7(4): 94-98.）

10.16547/j.cnki.10-1096.20190417.

2019-01-20

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41774040）；中南大學(xué)中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目（2018zzts703）。

侯紅科（1994—），男，河北邢臺(tái)人，碩士生，研究方向?yàn)镚NSS導(dǎo)航與定位。

匡翠林（1978—），男，湖南長沙人，博士，副教授，研究方向?yàn)镚NSS導(dǎo)航與定位。