多系統(tǒng)GNSS在超高層變形監(jiān)測中的應(yīng)用研究

繆德都

(山東省魯南地質(zhì)工程勘察院，山東 濟(jì)寧 272000)

我國北斗導(dǎo)航系統(tǒng)作為導(dǎo)航系統(tǒng)大家族里面一顆冉冉升起的新星，2012年底完成北斗二號(hào)的建設(shè)，目前處于第三階段的建設(shè)，與GPS、GLOSASS和Galileo并稱全球四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)[1-2]。我國北斗導(dǎo)航系統(tǒng)相對(duì)發(fā)展較晚，但是其發(fā)展速度以及定位精度與其他導(dǎo)航系統(tǒng)基本一致，特別是其混合星座、播發(fā)多頻信號(hào)以及播發(fā)短報(bào)文功能的設(shè)計(jì)，為全球?qū)Ш蕉ㄎ惶峁┝硕嘣?，也為多系統(tǒng)組合高精度定位提供了可能[3-4]。超高層作為我國節(jié)省空間的重要高層建筑，隨著科技的不斷發(fā)展，超高層的數(shù)量與高度與日俱增，與此同時(shí)也帶來了相應(yīng)的安全隱患,隨著超高層高度的增加，其所承受的荷載，受到風(fēng)力、溫度、日照以及地震等因素的影響也就越強(qiáng)，從而導(dǎo)致超高層的結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷，對(duì)人民的生命財(cái)產(chǎn)構(gòu)成威脅[5-6]。因此實(shí)時(shí)對(duì)超高層的形變狀況進(jìn)行監(jiān)測至關(guān)重要，GNSS技術(shù)相比于傳統(tǒng)的測量方法具有高精度、高采樣率、受天氣影響小、能獲取精確三維坐標(biāo)以及連續(xù)監(jiān)測的優(yōu)點(diǎn)，隨著GNSS技術(shù)的不斷完善，該技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于超高層變形監(jiān)測領(lǐng)域，但都基于單系統(tǒng)或者雙系統(tǒng)完成的，文獻(xiàn)[7]基于北斗技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)平安國際金融中心的靜態(tài)監(jiān)測，并且根據(jù)測定的變形情況指導(dǎo)完成了大樓的歸心改正；文獻(xiàn)[8-9]基于GNSS三系統(tǒng)組合RTK技術(shù)對(duì)超高層進(jìn)行變形監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)三系統(tǒng)組合相比于單系統(tǒng)和雙系統(tǒng)，三系統(tǒng)組合定位精度提高，獲取的變形效果更好；文獻(xiàn)[10]結(jié)合RTK-GPS測量技術(shù)和高精度全站儀對(duì)廣州新電視塔施工進(jìn)行了全程日照變形監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)塔的變形隨溫度的增加和高度增加而變大。

結(jié)合目前的GNSS系統(tǒng)可應(yīng)用情況以及超高層變形狀況，本文基于BDS/GPS/GLONASS/Galileo多系統(tǒng)組合RTK技術(shù)對(duì)國內(nèi)某超高層進(jìn)行變形監(jiān)測分析。

1 多系統(tǒng)RTK定位算法

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

(1)

式中，P和Φ分別為偽距和載波相位觀測值；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為觀測噪聲。

進(jìn)行超高層變形監(jiān)測時(shí)，由于基準(zhǔn)站距離流動(dòng)站較近，因此采用雙差模型，具體公式如下：

(2)

為了分析GNSS多系統(tǒng)的定位結(jié)果，先解算雙系統(tǒng)的定位結(jié)果，具體如下如下：

(3)

(4)

(5)

接下來聯(lián)合三系統(tǒng)進(jìn)行求解，如下：

式中，A和B與式(4)式(5)相同，其他標(biāo)示量與式(3)相同。

最后解算四系統(tǒng)的定位結(jié)果，具體如下：

(7)

式中,G為GPS，C為BDS，R為GLONASS，E為Galileo。

2 數(shù)據(jù)處理分析

本文的監(jiān)測實(shí)例為國內(nèi)某超高層，該建筑高約150 m左右，使用性質(zhì)為商住兩用建筑，樓頂為平臺(tái)，方便架設(shè)儀器。此次監(jiān)測采用天寶R9接收機(jī)，可以接收到GPS/BDS/GLONASS/Galileo多個(gè)系統(tǒng)的信號(hào)，儀器采樣率設(shè)置為1 s，為了減小周圍建筑物對(duì)觀測信號(hào)的影響，高度角設(shè)置為15°，以便減小多路徑效應(yīng)。為了能獲取該超高層精確的變形信息，在距離樓頂流動(dòng)站約1.5 km處布設(shè)基準(zhǔn)站，作為基準(zhǔn)解算得到流動(dòng)站每個(gè)歷元的變形信息。為了使解算結(jié)果準(zhǔn)確，先利用GAMIT軟件聯(lián)合最近的CORS站數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)解算平差，獲取流動(dòng)站和基準(zhǔn)站的精確靜態(tài)坐標(biāo)，然后利用基準(zhǔn)站和流動(dòng)站進(jìn)行單基線解算，之前解算得到的基準(zhǔn)站靜態(tài)坐標(biāo)為基準(zhǔn)，得到流動(dòng)站每個(gè)歷元的數(shù)據(jù)，以流動(dòng)站靜態(tài)坐標(biāo)為參考值，進(jìn)一步得到該超高層的變形信息。進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)，按照三種方案進(jìn)行：第一種雙系統(tǒng)組合、第二種三系統(tǒng)組合、第三種四系統(tǒng)組合。

圖1 不同組合情況下衛(wèi)星天空?qǐng)D

如圖1所示，隨著系統(tǒng)數(shù)的增加，天空中衛(wèi)星的密集程度在不斷的增加，當(dāng)利用四系統(tǒng)進(jìn)行定位時(shí)，衛(wèi)星基本覆蓋了全球每一處。

圖2 不同組合下的衛(wèi)星可見數(shù)

如圖2所示，雙系統(tǒng)組合下衛(wèi)星可見數(shù)在20～27顆之間，三系統(tǒng)組合下衛(wèi)星可見數(shù)在27～35顆之間，四系統(tǒng)組合下衛(wèi)星可見數(shù)在32～42顆之間，可見每增加一個(gè)系統(tǒng)衛(wèi)星可見數(shù)增加7顆左右，這對(duì)提高定位精度有著重要的意義。如圖3所示，雙系統(tǒng)的PDOP值明顯大于三系統(tǒng)四系統(tǒng)，表明隨著系統(tǒng)的增加，衛(wèi)星空間分布結(jié)構(gòu)越好，定位精度越高。

進(jìn)一步分析超高層E、N和U三個(gè)方向的變形情況。

圖3 不同組合下的PDOP值

圖4 不同系統(tǒng)組合下超高層變形情況

如圖4所示，不同組合下的監(jiān)測結(jié)果在每個(gè)方向變化趨勢(shì)基本一致，在E方向和N方向，該超高層的動(dòng)態(tài)位移變化在8 mm以內(nèi)，在U方向，該超高層的動(dòng)態(tài)位移變化在5 mm以內(nèi)，因?yàn)槌邔拥淖匀画h(huán)境影響，主要發(fā)生水平擺動(dòng)，因此水平向動(dòng)態(tài)位移大于豎直向。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，雙系統(tǒng)組合下在個(gè)別時(shí)刻解算結(jié)果會(huì)發(fā)生跳變，這可能是衛(wèi)星數(shù)突然減少與衛(wèi)星空間幾何結(jié)構(gòu)變差所致，但這種情況不存在于三系統(tǒng)與四系統(tǒng)組合中，表明多系統(tǒng)組合下檢測結(jié)果更穩(wěn)定可靠。

表1 不同組合系統(tǒng)精度統(tǒng)計(jì)

如表1所示，三系統(tǒng)和四系統(tǒng)組合下，水平向的RMS值優(yōu)于2 cm，雙系統(tǒng)組合下的水平向RMS值優(yōu)于2.2 cm，整體的豎直向RMS值優(yōu)于2.5 cm。隨著GNSS系統(tǒng)的不斷增加，衛(wèi)星可見數(shù)明顯增多，PDOP值也在減少，有效改善了衛(wèi)星空間分布結(jié)構(gòu)，提高了定位精度。

3 結(jié) 論

本文基于國內(nèi)超高層變形監(jiān)測實(shí)例，利用BDS/GPS/GLONASS/Galileo多系統(tǒng)組合RTK技術(shù)對(duì)其動(dòng)態(tài)變形進(jìn)行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)利用多系統(tǒng)GNSS技術(shù)對(duì)建筑物進(jìn)行變形監(jiān)測，不僅增加了衛(wèi)星可見數(shù)、降低了PDOP值、有效改善衛(wèi)星空間分布結(jié)構(gòu)，還使變形監(jiān)測精度有了較大的提高，讓監(jiān)測結(jié)果變得更加穩(wěn)定可靠，為今后的超高層健康評(píng)估提供一份可靠的數(shù)據(jù)支撐。