包龍生,張子軒,沈 志,包宇揚(yáng)
(1.沈陽(yáng)建筑大學(xué)交通工程學(xué)院,遼寧 沈陽(yáng) 110168;2.遼寧省交通高等??茖W(xué)校道路與橋梁工程系,遼寧 沈陽(yáng) 110000)
隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)技術(shù)的不斷發(fā)展,道路橋梁等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)也得到大規(guī)模發(fā)展,當(dāng)前重新建設(shè)大、中、小等各種形式的橋梁近20萬(wàn)座,各種斜拉橋、懸索橋等大跨徑橋梁不斷建成,使我國(guó)成為世界上的橋梁大國(guó)[1]。在橋梁使用的過(guò)程中會(huì)受到各種自然因素和人為因素的影響,導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生變形,當(dāng)變形超過(guò)一定程度就會(huì)發(fā)生破壞,導(dǎo)致嚴(yán)重災(zāi)害和事故發(fā)生。為了預(yù)防這些災(zāi)害的發(fā)生,對(duì)橋梁進(jìn)行監(jiān)測(cè)就顯得十分重要。
最近幾十年,隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步,應(yīng)用衛(wèi)星進(jìn)行橋梁監(jiān)測(cè)成為研究熱點(diǎn),國(guó)內(nèi)外許多的橋梁都采用了衛(wèi)星監(jiān)測(cè)技術(shù)。1997年I.Daniele等[2]對(duì)英國(guó)亨伯大橋利用GPS進(jìn)行了變形監(jiān)測(cè),但是測(cè)量結(jié)果不夠準(zhǔn)確。2000年H.H.Handayani等[3]對(duì)亨伯大橋采用GPS技術(shù)進(jìn)行風(fēng)載測(cè)量和車(chē)載測(cè)量試驗(yàn),證明了使用衛(wèi)星監(jiān)測(cè)技術(shù)在橋梁監(jiān)測(cè)上使用的可行性。我國(guó)首次進(jìn)行GPS橋梁監(jiān)測(cè)是在1999年的廣東虎門(mén)大橋上[4]。2012年在廣東珠江黃埔大橋交通部公路科學(xué)研究院利用北斗/GPS技術(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè),這是北斗系統(tǒng)第一次在橋梁監(jiān)測(cè)上使用[4]。
我國(guó)現(xiàn)有的橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)大多采用GPS技術(shù),而使用我國(guó)自主研發(fā)的北斗導(dǎo)航系統(tǒng)非常少。為了擺脫對(duì)GPS系統(tǒng)的依賴,筆者通過(guò)研究RTK相對(duì)靜態(tài)定位技術(shù)來(lái)提高北斗系統(tǒng)在橋梁變形監(jiān)測(cè)上應(yīng)用的測(cè)量精度。首對(duì)北斗系統(tǒng)在監(jiān)測(cè)過(guò)程中可能產(chǎn)生的誤差來(lái)源進(jìn)行分析,研究在衛(wèi)星信號(hào)傳播過(guò)程中可能會(huì)產(chǎn)生的周跳現(xiàn)象,提出了一種可以探測(cè)并修復(fù)周跳的改進(jìn)算法,并進(jìn)行理論分析,最后通過(guò)橋梁監(jiān)測(cè)實(shí)例驗(yàn)證北斗系統(tǒng)在橋梁變形監(jiān)測(cè)領(lǐng)域應(yīng)用的可行性。
在使用偽距和載波相位的方法進(jìn)行測(cè)量值時(shí),在測(cè)量值里一般含有各種誤差。按照誤差的來(lái)源可分為6種[5-6]:①衛(wèi)星和接收機(jī)的鐘差;②衛(wèi)星星歷的誤差;③電離層延時(shí);④對(duì)流層延時(shí);⑤接收機(jī)噪聲;⑥多路徑效應(yīng)。
鐘差是衛(wèi)星上的高精度原子鐘隨著時(shí)間的推移發(fā)生老化而使計(jì)時(shí)發(fā)生頻率偏移和時(shí)間偏差所導(dǎo)致的誤差,只有衛(wèi)星的時(shí)間和接收機(jī)的時(shí)間完全一致才能實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量。鐘差的產(chǎn)生對(duì)相位和載波相位測(cè)量都會(huì)有非常大的誤差產(chǎn)生,通過(guò)采用鐘差修正模型可以消除衛(wèi)星鐘差[7]。
星歷是定義衛(wèi)星的準(zhǔn)確位置和運(yùn)行速度大小的,衛(wèi)星的運(yùn)行位置和速度與星歷所定義的偏差被稱作星歷誤差。星歷誤差產(chǎn)生的原因是由于衛(wèi)星在實(shí)際運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)受到地球重力、地球內(nèi)部活動(dòng)等方面的影響,使衛(wèi)星實(shí)際的運(yùn)行軌道與星歷中的軌道不同而造成誤差。消除星歷誤差的方法有多種,主動(dòng)忽略軌道誤差,適用于需要實(shí)時(shí)定位的測(cè)量;采用對(duì)軌道進(jìn)行處理過(guò)的觀測(cè)數(shù)據(jù),適用于對(duì)測(cè)量精度要求較高的測(cè)量;采用差分技術(shù)[8],也可以減弱由星歷誤差造成的影響。
電離層是大氣層最外層,直接受到太陽(yáng)輻射的作用,使大氣發(fā)生電離作用。電離層會(huì)對(duì)電磁波的傳輸產(chǎn)生折射、散射等現(xiàn)象,還會(huì)使電磁波損失一部分能量,從而延長(zhǎng)了傳播時(shí)間并且改變了傳播方向,由此使接收機(jī)在接收信號(hào)時(shí)產(chǎn)生誤差。消除電離層的影響可以使用電離層模型來(lái)消除電離層延時(shí)誤差,使用雙頻接收機(jī)也可以消除電離層的延時(shí)誤差,當(dāng)基線較短時(shí),使用差分技術(shù)就可以很好地減小或消除電離層的延時(shí)[9-10]。
對(duì)流層是大氣中最靠近地面的一層,它包含了大氣中75%的質(zhì)量。電磁波在對(duì)流層傳播的過(guò)程中不受色散介質(zhì)的影響,但是當(dāng)衛(wèi)星與地面的夾角比較小時(shí),電磁波在對(duì)流層的傳播過(guò)程中會(huì)發(fā)生大角度的折射,增大了對(duì)流層的延遲。對(duì)流層的延遲只能通過(guò)數(shù)學(xué)模型來(lái)修正[11]。
接收機(jī)的噪聲包括了環(huán)境中各種通訊信號(hào)、熱輻射、其他種類的電器產(chǎn)生的電磁波、衛(wèi)星之間的信號(hào)互相干擾、接收機(jī)本身的計(jì)算誤差等。接收機(jī)噪聲的誤差來(lái)源有很多,很難進(jìn)行分析和判斷[12]。在觀測(cè)方程中,每個(gè)接收機(jī)都有各自的噪聲參數(shù)。
衛(wèi)星在發(fā)出信號(hào)后會(huì)傳播很長(zhǎng)一段距離,在這個(gè)過(guò)程中信號(hào)不只是從衛(wèi)星直接傳播到接收機(jī),衛(wèi)星信號(hào)還會(huì)受到大氣層的折射與反射或者表面光滑的建筑物所反射回來(lái)。接收機(jī)不光會(huì)收到直接傳輸信號(hào),還會(huì)收到經(jīng)由反射而來(lái)的信號(hào),這種現(xiàn)象叫做多路徑效應(yīng)[13]。在實(shí)際傳播過(guò)程中,多路徑有多重傳播方式和組合方式,周?chē)沫h(huán)境在不斷產(chǎn)生變化則更會(huì)加劇組合的復(fù)雜性,多路徑效應(yīng)變得更加隨機(jī)。多路徑效應(yīng)在觀測(cè)方程中也有固定的參數(shù)[14]。
周跳現(xiàn)象是載波相位信號(hào)在接收信號(hào)的過(guò)程中因?yàn)槠渌蛩鶎?dǎo)致的信號(hào)接收中斷,使觀測(cè)數(shù)據(jù)在整周數(shù)處失去一些記錄的現(xiàn)象[15]。周跳現(xiàn)象的出現(xiàn)有多種原因:一是由于載波相位信號(hào)在傳播過(guò)程中由于建筑物的遮擋造成無(wú)線電信號(hào)的中斷導(dǎo)致;二是由于信號(hào)經(jīng)過(guò)地球電離層或多路徑干擾等,導(dǎo)致信號(hào)接收失敗;三是由于接收機(jī)自身的原因處理數(shù)據(jù)失敗造成的。周跳的出現(xiàn)導(dǎo)致發(fā)生信號(hào)中斷處前后的模糊度值不一致,從而無(wú)法進(jìn)行精確定位。周跳的出現(xiàn)會(huì)影響之后數(shù)據(jù)的計(jì)數(shù),并不斷累積偏差[16]。
現(xiàn)階段對(duì)周跳的探測(cè)與修復(fù)的方法有很多,其中應(yīng)用最多的就是TurboEdit法[17],它是共同使用衛(wèi)星信號(hào)的MW(Mel-bourne-Wübbena)組合和GF(Geometry-Free)組合來(lái)對(duì)周跳進(jìn)行探測(cè)和修復(fù)的。運(yùn)用MW組合可以解決幾何誤差項(xiàng)、電離層延遲等造成的影響。在能夠精準(zhǔn)地探測(cè)周跳現(xiàn)象出現(xiàn)的位置后,就能夠根據(jù)余下參數(shù)間的數(shù)學(xué)關(guān)系來(lái)對(duì)周跳進(jìn)行修復(fù),在綜合運(yùn)用MW組合和GF組合在對(duì)周跳進(jìn)行探測(cè)時(shí)還可以對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行互相補(bǔ)充。
載波相位的寬巷組合為
(1)
對(duì)應(yīng)的偽距組合為
(2)
(3)
載波相位電離層殘差組合:
L1=L1-L2=N+λ1dδ-λJd2.
(4)
偽距電離層殘差組合:
PJ=P2-P1=J.
(5)
式中:λ1為窄巷波長(zhǎng),λJ=λ2-λ2≈5.4 cm;J為電離層延遲。
兩式相減后,可以得到電離層殘差組合方程為
ΔLJ=LJ-PJ=λ1dδ-λJd2.
(6)
因?yàn)樵趥尉嘤^測(cè)里有很多的觀測(cè)噪聲,因此在偽距電離層殘差組合法中,上式的偽距電離層殘差組合PN用Q代替,其中多項(xiàng)式Q的階數(shù)m符合下列條件:
(7)
其中,N為觀測(cè)歷元總數(shù)。
如滿足:
如果在兩個(gè)頻率上,周跳發(fā)生前模糊度是d1和d2,周跳發(fā)生后的模糊度為d*1和d*2,那么兩個(gè)頻率在周跳發(fā)生前后的模糊度之差就可以表示為Δd1和Δd2(也就是周跳)。因此在周跳發(fā)生前后,寬巷模糊度之差為Δdδ,并且在周跳探測(cè)成功后,在周跳發(fā)生位置把數(shù)據(jù)文件重新分段,對(duì)每段周跳處的電離層殘差組合ΔLj進(jìn)行多項(xiàng)式擬合并外推,那么基準(zhǔn)段J與其他段的電離層殘差外推值之差具有如下關(guān)系:
Δdδ=Δd1-Δd2.
(8)
Δ(ΔLJ)=λ1Δdδ-λJΔd2.
(9)
在TurboEdit 算法中,MW組合是將每個(gè)歷元中得到的寬巷模糊度dδ的平均值和均方根求出周跳發(fā)生的位置,這個(gè)求平均值的過(guò)程實(shí)質(zhì)是一個(gè)對(duì)寬巷模糊度dδ平滑處理、過(guò)濾雜波的過(guò)程,以此來(lái)減小噪聲導(dǎo)致的影響[18]。在衛(wèi)星運(yùn)行到剛能夠觀測(cè)到測(cè)點(diǎn)時(shí)和衛(wèi)星即將觀測(cè)不到測(cè)點(diǎn)時(shí),衛(wèi)星與地面的夾角較小,觀測(cè)的結(jié)果比較差。兩端的數(shù)據(jù)與沒(méi)有此噪聲干擾的模糊度變化規(guī)律不能很好的吻合,會(huì)使所得的均方根比較大,不能很好地探測(cè)中間段的周跳現(xiàn)象是否發(fā)生;中間段的數(shù)據(jù)質(zhì)量比較好,所得的平均值能夠比較好地展現(xiàn)出模糊度的變化規(guī)律,對(duì)應(yīng)的均方根也比較小,但把中間段的數(shù)據(jù)加到兩端波形不穩(wěn)定的地方來(lái)進(jìn)行周跳的探測(cè),計(jì)算結(jié)果比實(shí)際的會(huì)小很多,大概率會(huì)發(fā)生周跳的誤判,造成測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)。所以對(duì)TurboEdit法進(jìn)行改進(jìn),運(yùn)用滑動(dòng)平均法求得平均值,滑動(dòng)平均法是采用模糊度全長(zhǎng)的所有數(shù)據(jù),對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)滑動(dòng)地取N個(gè)相鄰的數(shù)據(jù)作為加權(quán)平均數(shù)求得最終結(jié)果,計(jì)算式如下:
(10)
(1)當(dāng)衛(wèi)星從剛看到觀測(cè)點(diǎn)到與地面的夾角為 0°~30°時(shí),因?yàn)槎嗦窂秸`差和對(duì)流層誤差讓測(cè)量的數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確,定義平滑移動(dòng)步長(zhǎng)等于歷元數(shù),即s1=i,s1為步長(zhǎng),i為本歷元的數(shù)值。
(2)當(dāng)衛(wèi)星運(yùn)行與地面的夾角大于30°時(shí),多路徑效應(yīng)造成的誤差和對(duì)流層造成的誤差處于相對(duì)平衡,平滑移動(dòng)設(shè)置為s2=min(n/10,25),其中n為此夾角內(nèi)歷元數(shù)量。
(3)當(dāng)衛(wèi)星即將離開(kāi)觀測(cè)點(diǎn)時(shí),衛(wèi)星與地面之間的夾角逐漸小于30°,平滑移動(dòng)的步長(zhǎng)增加。平滑移動(dòng)的距離設(shè)置與數(shù)據(jù)的取樣頻率有關(guān),當(dāng)數(shù)據(jù)的取樣率為30s時(shí),當(dāng)前歷元值i=100,衛(wèi)星與地面的夾角為30°,平滑移動(dòng)步長(zhǎng)為s3=100-(sine),其中e為此歷元衛(wèi)星與地面的夾角。
最后把式(10)帶入式(8)、式(9)中,判斷是否有周跳現(xiàn)象發(fā)生。
對(duì)兩個(gè)相鄰歷元之間的載波相位信號(hào)使用電離層組合進(jìn)行求差,能夠避免帶入偽距電離層殘差組合,計(jì)算如下:
ΔLJi=LJ(i)-LJ(i-1)=(J+λ1d1-λ2d2)i-(J+λ1d1-λ2d2)i-1=λ1Δd1-λ2Δd2.
(11)
式中:J為電離層延遲;i為第i個(gè)歷元;λ為窄巷波長(zhǎng);d為周跳發(fā)生前模糊度。
為了分析改進(jìn)后的算法能否有效探測(cè)出周跳發(fā)生的位置,選取無(wú)周跳現(xiàn)象發(fā)生的完整長(zhǎng)波模糊度變化情況、原始TurboEdit 算法計(jì)算模糊度變化情況和改進(jìn)后的算法模糊度變化情況作對(duì)比。無(wú)周跳現(xiàn)象發(fā)生的完整長(zhǎng)波模糊度變化情況如圖1所示。
圖1 無(wú)周跳現(xiàn)象發(fā)生的完整長(zhǎng)波模糊度變化
改進(jìn)后的TurboEdit法和原方法的長(zhǎng)波模糊度平均值變化如圖2所示。從圖2中可以看出,原方法求得的長(zhǎng)波模糊度平均值變化規(guī)律平滑,基本是平行于坐標(biāo)軸的,但改進(jìn)后的長(zhǎng)波模糊走勢(shì)去掉了圖1中的尖刺部分,又明顯地展示了長(zhǎng)波模糊度的局部變化,與原本的長(zhǎng)波模糊度變化規(guī)律基本一致,更能展現(xiàn)出長(zhǎng)波模糊度的變化形態(tài)。
圖2 改進(jìn)后的TurboEdit法和原方法的長(zhǎng)波模糊度平均值變化比較
改進(jìn)后的TurboEdit法和原方法的長(zhǎng)波模糊度均方根的變化情況如圖3所示。從圖3可以看出,長(zhǎng)波模糊度均方根基本上沒(méi)有變化,但改進(jìn)后的算法能夠明顯地展現(xiàn)出均方根兩端大、中間小的特點(diǎn),這種規(guī)律與長(zhǎng)波模糊度的變化規(guī)律相同。在進(jìn)行周跳探測(cè)時(shí)使用改進(jìn)后算法能夠有效地提升周跳探測(cè)的成功率,并減小周跳誤判發(fā)生的概率。
圖3 改進(jìn)后的TurboEdit法和原方法的長(zhǎng)波模糊度均方根的變化比較
在原算法中,對(duì)載波相位和偽距電離層組合求差進(jìn)而減小在信號(hào)傳播過(guò)程中的電離層延遲誤差。因?yàn)閭尉嘤^測(cè)本身就包括了很多不確定的隨機(jī)誤差,原方法對(duì)偽距組合進(jìn)行了計(jì)算,但是擬合過(guò)程中的其他因素會(huì)導(dǎo)致得到的觀測(cè)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。由于使用相鄰歷元求差法可以不引入偽距電離層組合。如果電離層組合在觀測(cè)值中不發(fā)生周跳現(xiàn)象,也就是Δd1和Δd2的數(shù)值為0,ΔLj在0的附近進(jìn)行波動(dòng)。在有周跳現(xiàn)象時(shí),在的地方就會(huì)有明顯的變化。
圖4為相鄰歷元的載波相位電離層組合之差,從圖中可以看出,有周跳現(xiàn)象發(fā)生的地方波形有顯著的變化,其他的歷元在0附近進(jìn)行波動(dòng)。在運(yùn)用相鄰歷元電離層組合法時(shí),以ΔLJ的3倍均方根σ做為限值,當(dāng)|ΔLJj|≤3σ,第i個(gè)歷元沒(méi)有周跳現(xiàn)象發(fā)生;當(dāng)|ΔLJj|>3σ,第i個(gè)歷元發(fā)生了周跳現(xiàn)象。
圖4 相鄰歷元的載波相位電離層組合之差
利用北斗進(jìn)行靜態(tài)監(jiān)測(cè),隨著測(cè)量時(shí)間的增加,原本受到各種誤差影響的監(jiān)測(cè)結(jié)果會(huì)逐漸向監(jiān)測(cè)點(diǎn)的真實(shí)坐標(biāo)收斂。所以監(jiān)測(cè)的時(shí)間越長(zhǎng),測(cè)量結(jié)果越準(zhǔn)確。
本次測(cè)量測(cè)點(diǎn)選取在某橋兩橋塔頂部和岸邊一已知坐標(biāo)的固定基站.把已知坐標(biāo)的固定基站定義為參考點(diǎn),把橋塔上的監(jiān)測(cè)點(diǎn)定義為測(cè)試點(diǎn)。同時(shí)對(duì)參考點(diǎn)和測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè),基于參考點(diǎn)與測(cè)試點(diǎn)坐標(biāo)位置的距離來(lái)對(duì)監(jiān)測(cè)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差分析,定義dx為監(jiān)測(cè)點(diǎn)與參考點(diǎn)之間水平距離,定義dy為監(jiān)測(cè)點(diǎn)與參考點(diǎn)之間垂直距離。利用相同的衛(wèi)星對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè),以此來(lái)保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。
本次試驗(yàn)一共觀測(cè)了10個(gè)周期的數(shù)據(jù),每個(gè)觀測(cè)周期為60 min,其中兩個(gè)橋塔的測(cè)點(diǎn)分別定義為監(jiān)測(cè)點(diǎn)1和監(jiān)測(cè)點(diǎn)2。監(jiān)測(cè)點(diǎn)1監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果見(jiàn)表1,監(jiān)測(cè)點(diǎn)2監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果見(jiàn)表2。
表1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)1監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果
表2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)2監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果
監(jiān)測(cè)點(diǎn)1的dX誤差折線圖見(jiàn)圖5,dy誤差折線圖見(jiàn)圖6。由圖5和圖6可知,采用改進(jìn)后算法的測(cè)量結(jié)果與實(shí)測(cè)值差值明顯小于傳統(tǒng)方法測(cè)量的結(jié)果與實(shí)測(cè)值差值,傳統(tǒng)方法在X方向上距離差值的平均值為1.02 cm,在Y方向上距離差值的平均值為0.98 cm;改進(jìn)后的方法在X方向上距離差值的平均值為0.59 cm,在Y方向上距離差值的平均值為0.59 cm。采用改進(jìn)后的方法進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)更具有優(yōu)勢(shì)。
圖5 監(jiān)測(cè)點(diǎn)1 的dx誤差折線圖
圖6 監(jiān)測(cè)點(diǎn)1 的dy誤差折線圖
監(jiān)測(cè)點(diǎn)2 的dx誤差折線圖見(jiàn)圖7,dy誤差折線圖見(jiàn)圖8。由圖7和圖8可知,采用改進(jìn)后算法的測(cè)量結(jié)果與實(shí)測(cè)值差值明顯小于傳統(tǒng)方法測(cè)量的結(jié)果與實(shí)測(cè)值的差值,傳統(tǒng)算法在X方向上距離差值的平均值為1.14 cm,在Y方向上距離差值的平均值為1.13 cm;改進(jìn)后的算法在X方向上距離差值的平均值為0.78 cm,在Y方向上距離差值的平均值為0.78 cm。由此可見(jiàn)采用改進(jìn)后的算法對(duì)橋梁變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)更具有優(yōu)勢(shì)。
圖7 監(jiān)測(cè)點(diǎn)2的dx誤差折線圖
圖8 監(jiān)測(cè)點(diǎn)2的dy誤差折線圖
(1)監(jiān)測(cè)點(diǎn)1和監(jiān)測(cè)點(diǎn)2使用傳統(tǒng)方法測(cè)得X方向和Y方向距離差值的平均值均大于改進(jìn)后算法,由此得出改進(jìn)后算法的結(jié)果比傳統(tǒng)方法更加精確。
(2)改進(jìn)后的算法在應(yīng)用的過(guò)程中能使北斗系統(tǒng)測(cè)量精度基本能夠維持在1 cm以內(nèi),基本可以滿足高精度變形監(jiān)測(cè)的要求。