基于多系統(tǒng)GNSS的橋梁變形監(jiān)測(cè)

鄂明曦

(甘肅省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局測(cè)繪勘查院，甘肅 蘭州 730060)

橋梁作為重要的交通樞紐，其安全穩(wěn)定是保證人們生命財(cái)產(chǎn)安全的重要的保證，也是我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的必要的基礎(chǔ)設(shè)施[1-2]。傳統(tǒng)的橋梁變形監(jiān)測(cè)手段主要有全站儀、水準(zhǔn)儀以及加速計(jì)等，傳統(tǒng)橋梁變形監(jiān)測(cè)手段具有效率低、耗時(shí)耗力等缺點(diǎn)，并且不能監(jiān)測(cè)出橋梁的連續(xù)變形情況[3-4]。隨著測(cè)繪新技術(shù)的不斷發(fā)展，GNSS技術(shù)被廣泛應(yīng)用于建筑物的變形監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，相比于傳統(tǒng)的橋梁變形監(jiān)測(cè)手段，GNSS技術(shù)具有受天氣影響小、高精度、高采樣率、全天候以及連續(xù)監(jiān)測(cè)的優(yōu)點(diǎn)[5-6]。我國北斗二號(hào)于2012底建設(shè)完成，是GNSS家族里面新鮮的血液，與其他導(dǎo)航系統(tǒng)相比，具有GEO、IGSO和MEO三星座、播發(fā)三頻信號(hào)以及具有通信服務(wù)的特點(diǎn)，北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的加入，為實(shí)現(xiàn)多系統(tǒng)GNSS導(dǎo)航與定位提供了可能性[7]。目前很多專家學(xué)者只結(jié)合GPS與北斗或者其他監(jiān)測(cè)技術(shù)手段進(jìn)行橋梁變形監(jiān)測(cè)，劉明亮等[8]結(jié)合地基微波雷達(dá)與GPS對(duì)橋梁進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)二者結(jié)合監(jiān)測(cè)精度可以達(dá)到毫米，且橋梁中間變形大于兩側(cè)；熊春寶等[9]結(jié)合GPS與加速度計(jì)對(duì)橋梁進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)RTK技術(shù)能有效的識(shí)別橋梁的動(dòng)態(tài)位移變化，且AFEC濾波器能有效的去除GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)中存在的噪聲；和永軍等[10]結(jié)合高精度GPS/北斗監(jiān)測(cè)了橋梁變形，發(fā)現(xiàn)GPS與北斗結(jié)合不僅提高了監(jiān)測(cè)的精度，也解決了原有橋梁變形監(jiān)測(cè)存在的問題。

為進(jìn)一步分析GNSS技術(shù)在橋梁變形監(jiān)測(cè)的優(yōu)勢(shì)與橋梁變形情況，本文基于國內(nèi)現(xiàn)役橋梁，利用多系統(tǒng)GNSS技術(shù)對(duì)其變形監(jiān)測(cè)，并分析了多系統(tǒng)GNSS變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的精度以及橋梁的健康狀況。

1 多系統(tǒng)RTK定位算法

GNSS的觀測(cè)值主要由偽距觀測(cè)值和載波相位觀測(cè)值組成，其基本觀測(cè)方程如下[11]：

(1)

式中，P和Φ分別為偽距和載波相位觀測(cè)值；λ為波長；ts為衛(wèi)星發(fā)射信號(hào)的時(shí)間；tr為接收機(jī)接收到衛(wèi)星信號(hào)的時(shí)間；ρ為站星間距；c為真空中光速；δts為衛(wèi)星鐘差；δtr為接收機(jī)鐘差；δion為電離層改正；δtrop為對(duì)流層改正；N為整周模糊度；ε為觀測(cè)噪聲。

在進(jìn)行短基線RTK定位時(shí)，為了消除接收機(jī)鐘差、硬件延遲以及對(duì)流層、電離層延遲等影響時(shí)，一般采用雙差模型，如下：

(2)

為了分析雙系統(tǒng)和三系統(tǒng)的觀測(cè)結(jié)果，先將雙系統(tǒng)的聯(lián)合求解，如下：

(3)

(4)

(5)

接下來聯(lián)合三系統(tǒng)進(jìn)行求解，如下：

(6)

式中，A和B與式(4)式(5)相同，其它標(biāo)示量與式(3)相同。

2 數(shù)據(jù)處理分析

本文以國內(nèi)某現(xiàn)役橋梁的變形監(jiān)測(cè)為背景，實(shí)現(xiàn)基于多系統(tǒng)GNSS技術(shù)的橋梁變形監(jiān)測(cè)分析。此次監(jiān)測(cè)的現(xiàn)役橋梁全長200多米，為雙向南北通車，橋梁兩側(cè)有人行通道和護(hù)欄，方便儀器的架設(shè)。監(jiān)測(cè)儀器采用華測(cè)接收機(jī)，可以同時(shí)接收到北斗、GPS和GLONASS信號(hào)，在橋梁上共布設(shè)2個(gè)監(jiān)測(cè)站，距離橋梁1.5 km穩(wěn)定位置處布設(shè)1個(gè)基準(zhǔn)站，采樣率設(shè)置為1 s，截止高度角設(shè)置為15°，監(jiān)測(cè)總時(shí)長為36 h，取其中24 h進(jìn)行分析。在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)，先利用BJFS站進(jìn)行網(wǎng)解算，獲取監(jiān)測(cè)點(diǎn)以及基準(zhǔn)點(diǎn)的精確坐標(biāo)，然后利用基準(zhǔn)點(diǎn)單基線解算監(jiān)測(cè)點(diǎn)的單歷元坐標(biāo)，通過與精確坐標(biāo)做差而得到橋梁的變形情況。采用四種解算方案：GPS/北斗、GPS/GLONASS、北斗/GLONASS和GPS/北斗/GLONASS。

圖1 可見衛(wèi)星數(shù)

圖2 PDOP值

如圖1所示，北斗+GPS的衛(wèi)星可見數(shù)為13～19顆，北斗+GLONASS的衛(wèi)星可見數(shù)為11～19顆，GPS+GLONASS的衛(wèi)星可見數(shù)為12～19顆，北斗+GPS+GLONASS的衛(wèi)星可見數(shù)為19～28顆。三系統(tǒng)組合可見衛(wèi)星數(shù)比雙系統(tǒng)可見衛(wèi)星數(shù)多8～9顆。如圖2所示，四種組合方案的PDOP值都在3以下，其中,北斗+GPS的PDOP值為1～2.2，北斗+GLONASS的PDOP值為1.2～2.5，GPS+GLONASS的PDOP值為1.1～2.1，北斗+GPS+GLONASS的PDOP值為0.9～1.6，三系統(tǒng)組合的PDOP值比雙系統(tǒng)組合的PDOP值小0.2～0.9。

圖3 北斗+GPS解算結(jié)果

圖4 北斗+GLONASS解算結(jié)果

圖5 GPS+GLONASS解算結(jié)果

圖6 北斗+GPS+GLONASS解算結(jié)果

如圖3～圖4所示，為去噪之后四種不同組合下的X、Y和Z三個(gè)方向的橋梁動(dòng)態(tài)變形情況，由圖上可知，X方向和Y方向的變形要小于Z方向的變形。北斗+GPS組合下X方向和Y方向的變形都在2 cm以內(nèi)，Z方向變形在4 cm以內(nèi)，其中，Z方向最大變形在3.8 cm。北斗+GLONASS組合下X方向和Y方向的變形在2 cm以內(nèi)，Z方向的變形在5 cm，其中Z方向的最大變形達(dá)到了4.6 cm。GPS+GLONASS組合下X方向和Y方向的變形在2 cm以內(nèi)，Z方向的變形在5 cm，其中，Z方向的最大變形達(dá)到了4.7 cm。北斗+GPS+GLONASS組合下X方向和Y方向的變形在2 cm以內(nèi)，Z方向的變形在4 cm，其中，Z方向的最大變形達(dá)到了3.6 cm。

為了進(jìn)一步分析多系統(tǒng)組合在橋梁變形監(jiān)測(cè)中的精度，統(tǒng)計(jì)四種組合下的RMS值、平均可見衛(wèi)星數(shù)以及平均PDOP值。

表1 不同系統(tǒng)組合情況下精度統(tǒng)計(jì)

如表1所示，在雙系統(tǒng)組合中，北斗+GLONASS的定位精度較差，PDOP值相比于其他兩種組合也較大。而三系統(tǒng)組合定位精度相比于雙系統(tǒng)在X、Y和Z三個(gè)方向都有很大的提升，X和Y方向的定位精度最大提升了0.09 cm，定位精度在1 cm以內(nèi)，Y方向的定位精度最大提升了0.11 cm，定位精度在1 cm以內(nèi)，Z方向的定位精度最大提升了0.18 cm，定位精度在2 cm以內(nèi)。三系統(tǒng)組合的平均可見衛(wèi)星數(shù)比雙系統(tǒng)最大增加了8顆，平均PDOP值比雙系統(tǒng)最大減少了0.4。

3 結(jié) 論

本文利用多系統(tǒng)組合GNSS技術(shù)對(duì)國內(nèi)某橋梁進(jìn)行了變形監(jiān)測(cè)分析，通過對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理分析發(fā)現(xiàn)：

(1)三系統(tǒng)組合可以同時(shí)接收到北斗、GPS和GLONASS的衛(wèi)星數(shù)，使衛(wèi)星可見數(shù)大大增加，同時(shí)優(yōu)化了衛(wèi)星的幾何分布，降低了精度稀釋因子，提高了定位精度，利用高精度定位技術(shù)對(duì)橋梁變形監(jiān)測(cè)進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)可行。

(2)三系統(tǒng)組合定位相比于雙系統(tǒng)組合，在橋梁變形監(jiān)測(cè)的精度、衛(wèi)星可見數(shù)、PDOP值、效率以及可靠可用性方面都有了很大的提升，隨著我國北斗的發(fā)展，多系統(tǒng)組合定位技術(shù)將會(huì)有很大的提升。