基于PPP-AR的組合高低頻GNSS高層建筑動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)

蔣俊華 王亞榮

(天津市測(cè)繪院有限公司, 天津 300381)

0 引言

對(duì)高層建筑在外界環(huán)境作用下的動(dòng)態(tài)變形響應(yīng)過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè),可以有效評(píng)估結(jié)構(gòu)的安全健康狀況。通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)變形機(jī)制進(jìn)行分析,可以對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行檢驗(yàn),進(jìn)而改進(jìn)設(shè)計(jì)模型[1-2]。常規(guī)監(jiān)測(cè)手段主要包括加速度計(jì)、全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System,GNSS)、全站儀、位移傳感器等,其中GNSS應(yīng)用于高層建筑動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)優(yōu)勢(shì)顯著,如不受氣候條件限制,可全天候觀測(cè),易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化,且可直接獲取監(jiān)測(cè)體的三維變形信息[3-5]。

目前,GNSS應(yīng)用于結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)主要包括相對(duì)定位和精密單點(diǎn)定位兩種模式。GNSS相對(duì)定位技術(shù)可以有效削弱甚至消除空間相關(guān)定位誤差,定位精度高。振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)和實(shí)際工程監(jiān)測(cè)實(shí)例驗(yàn)證了實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)(Real Time Kinematic,RTK)定位技術(shù)和單歷元差分定位技術(shù)應(yīng)用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的可行性和有效性[6-7]。然而,在實(shí)際工程應(yīng)用中,相對(duì)定位方法需要在參考站和監(jiān)測(cè)站同時(shí)架設(shè)高性能的高頻GNSS接收機(jī)。在高樓林立的環(huán)境中,穩(wěn)定的基準(zhǔn)站位置選擇可能會(huì)比較困難,同時(shí)架設(shè)基準(zhǔn)站也增加了工程成本。與相對(duì)定位技術(shù)相比,精密單點(diǎn)定位(Precise Point Positioning,PPP)技術(shù)因無(wú)須架設(shè)參考站、簡(jiǎn)單易行、工程硬件成本低,在工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。學(xué)者利用振動(dòng)模擬實(shí)驗(yàn)對(duì)動(dòng)態(tài)PPP在水平和垂直方向的定位精度進(jìn)行了分析,PPP技術(shù)可有效獲取結(jié)構(gòu)的振動(dòng)變形量以及振動(dòng)模態(tài)信息[8-9]。但是受定位精度的限制,PPP技術(shù)無(wú)法準(zhǔn)確獲取結(jié)構(gòu)的低頻變形信息。為了節(jié)約硬件成本,提高測(cè)量精度,易重海等提出利用組合單站歷元間差分和單歷元相對(duì)定位技術(shù)進(jìn)行超高建筑風(fēng)振監(jiān)測(cè)[10]。該方法雖然可以利用城市連續(xù)運(yùn)行參考站(Continuously Operating Reference Stations, CORS)作為基準(zhǔn)站,獲取高采樣率、高精度的位移數(shù)據(jù),但是該監(jiān)測(cè)方法數(shù)據(jù)處理復(fù)雜且無(wú)法利用現(xiàn)有的GNSS數(shù)據(jù)處理軟件。

針對(duì)以上GNSS監(jiān)測(cè)方法的不足,提出了一種基于PPP-AR(Precise Point Positioning-Ambiguity Resolution)的組合高低頻GNSS高層建筑動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)新方法。該方法只需在監(jiān)測(cè)站架設(shè)高頻GNSS接收機(jī),而基準(zhǔn)站可以采用低頻GNSS接收機(jī),一般城市CORS滿足這種需求。該方法與傳統(tǒng)的GNSS監(jiān)測(cè)技術(shù)相比,既可以保證測(cè)量的精度,又可以簡(jiǎn)化工作流程,節(jié)約工程成本。

1 高層建筑動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)新方法

本文提出了一種基于PPP-AR的組合高低頻GNSS高層建筑動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)新方法。該方法只需在監(jiān)測(cè)站采用高采樣率的GNSS接收機(jī),而參考站采用低采樣率的接收機(jī)。當(dāng)附近有CORS站時(shí),只需單站作業(yè),簡(jiǎn)化作業(yè)流程。數(shù)據(jù)處理具體流程如圖1所示。

圖1 高層建筑動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)新方法數(shù)據(jù)處理流程

(1)基于PPP-AR技術(shù)獲取監(jiān)測(cè)站高采樣率的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)結(jié)果,并將位移監(jiān)測(cè)結(jié)果轉(zhuǎn)化為歷元間坐標(biāo)差?？紤]到在幾秒鐘的短時(shí)間內(nèi),外部因素對(duì)定位結(jié)果的影響不會(huì)發(fā)生很大的變化,則認(rèn)為歷元間坐標(biāo)差的精度在短時(shí)間內(nèi)是一致的。

(2)提取參考站和監(jiān)測(cè)站的同步歷元的低采樣率監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),基于相對(duì)定位方法獲取監(jiān)測(cè)站高精度低采樣率的監(jiān)測(cè)結(jié)果。

(3)綜合平差處理。利用高精度低采樣率的相對(duì)定位結(jié)果對(duì)高采樣率的歷元間坐標(biāo)差進(jìn)行誤差修正,獲取監(jiān)測(cè)站高采樣率、高精度的歷元間坐標(biāo)差。

(4)利用監(jiān)測(cè)站低采樣率、高精度的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和監(jiān)測(cè)站高采樣率、高精度的歷元間坐標(biāo)差,獲取監(jiān)測(cè)站高采樣率高精度的位移監(jiān)測(cè)結(jié)果。

2 高層建筑動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)分析

2.1 試驗(yàn)概況

某研究機(jī)構(gòu)對(duì)高層建筑進(jìn)行了長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)。該建筑高度約260 m,外形輪廓為長(zhǎng)寬比約為4∶1。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)同步布設(shè)了兩組加速度計(jì)和兩臺(tái)高頻GNSS接收機(jī),用來(lái)監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的風(fēng)致振動(dòng)加速度和變形位移。其中加速度計(jì)和GNSS的數(shù)據(jù)采樣率分別為20和10 Hz。為了驗(yàn)證提出的新方法的有效性,對(duì)比實(shí)驗(yàn)中將GNSS基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)采樣時(shí)間間隔設(shè)置為5 s,監(jiān)測(cè)站數(shù)據(jù)采樣率為10 Hz。儀器設(shè)置如圖2所示。

圖2 大廈樓頂平面與傳感器布置圖

2.2 數(shù)據(jù)分析

由高樓的結(jié)構(gòu)分布可知,高樓在X方向?qū)Νh(huán)境荷載更加敏感,由于篇幅限制,本文只對(duì)X方向的監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析。基于相對(duì)定位方法獲取監(jiān)測(cè)站低頻高精度的定位結(jié)果,數(shù)據(jù)時(shí)間間隔為5 s,結(jié)果如圖3(a)所示。從相對(duì)定位結(jié)果中可以看出,高樓在臺(tái)風(fēng)荷載作用下存在長(zhǎng)周期的變形,變形量約為2 cm,由于受數(shù)據(jù)采樣率的限制,無(wú)法獲取建筑更加細(xì)節(jié)的振動(dòng)變形信息。本研究采用武漢大學(xué)衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)研究中心研發(fā)的固定模糊度的精密單點(diǎn)定位軟件PRIDE-PPPAR對(duì)監(jiān)測(cè)站高頻GNSS數(shù)據(jù)進(jìn)行PPP-AR解算,數(shù)據(jù)時(shí)間間隔為0.1 s。位移結(jié)果如圖3(c)所示。將PPP-AR位移結(jié)果轉(zhuǎn)化為歷元間坐標(biāo)差,結(jié)果如圖3(e)所示。圖3中(b)(d)(f)分別是對(duì)(a)(c)(e)的局部放大。PPP定位采取了模糊度固定技術(shù),定位結(jié)果誤差范圍為-4～4 cm。由于一些誤差無(wú)法通過(guò)差分模式進(jìn)行消除削弱,PPP結(jié)果與相對(duì)定位結(jié)果在整體趨勢(shì)上仍然存在一定的偏差。

圖3 相對(duì)定位、PPP-AR以及歷元間坐標(biāo)差結(jié)果

為了驗(yàn)證本文提出的新方法的精度,采用傳統(tǒng)的單歷元相對(duì)定位方法獲取監(jiān)測(cè)站高采樣率、高精度的位移結(jié)果,數(shù)據(jù)時(shí)間間隔為0.1 s,原始結(jié)果如圖4(a)所示,對(duì)其細(xì)部進(jìn)行放大,如圖4(b)所示。基于基準(zhǔn)站5 s和監(jiān)測(cè)站0.1 s采樣時(shí)間間隔的GNSS數(shù)據(jù),采用提出的基于PPP-AR的組合高低頻GNSS高層建筑動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)新方法對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,原始結(jié)果如圖4(c)所示,對(duì)其結(jié)果進(jìn)行放大,如圖4(d)所示,其中獲取的位移結(jié)果的時(shí)間間隔為0.1 S。分析結(jié)果表明,無(wú)論是在整體趨勢(shì)還是局部細(xì)節(jié),新方法和傳統(tǒng)的單歷元相對(duì)定位方法都獲得了很好的一致性。

圖4 單歷元相對(duì)和新方法定位結(jié)果

將時(shí)間域監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為頻率域,進(jìn)而分析結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性。對(duì)高樓的位移和加速度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析。采用高頻GNSS相對(duì)定位方法和本文提出的新方法獲取結(jié)構(gòu)變形的頻譜分析結(jié)果分別如圖5(a)和5(b)所示。加速度計(jì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的頻譜分析結(jié)果如圖5(c)所示。本文提出的新方法獲取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的頻譜分析結(jié)果與傳統(tǒng)的相對(duì)定位方法具有很好的一致性。本文提出的新方法識(shí)別的高樓的前兩階振動(dòng)頻率分別為0.21和0.44 Hz,這和加速度計(jì)的監(jiān)測(cè)結(jié)果是一致的。由于加速度計(jì)具有更高的靈敏度,可以準(zhǔn)確識(shí)別結(jié)構(gòu)更高階的振動(dòng)頻率。

圖5 相對(duì)定位方法、新方法以及加速度計(jì)方法頻譜分析結(jié)果

小波分析是一種有效的結(jié)構(gòu)振動(dòng)信號(hào)提取方法[11-12]。為了與加速度計(jì)方法進(jìn)行對(duì)比分析,基于小波分析方法對(duì)高層建筑的振動(dòng)變形進(jìn)行提取,并將獲取的位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為加速度,結(jié)果如圖6所示。本文提出的新方法獲取的高層建筑振動(dòng)變形加速度與傳統(tǒng)的相對(duì)定位方法、加速度計(jì)方法無(wú)論在整體趨勢(shì)和局部細(xì)節(jié)方面都具有很好一致性。

圖6 提取的高樓振動(dòng)加速度

3 結(jié)束語(yǔ)

變形監(jiān)測(cè)為評(píng)估建筑結(jié)構(gòu)的健康狀況提供了有效的數(shù)據(jù)支撐。本文提出了一種基于PPP-AR的組合高低頻GNSS高層建筑動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)新方法。通過(guò)對(duì)高層建筑風(fēng)振監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析可得,在獲取結(jié)構(gòu)振動(dòng)位移和似靜態(tài)位移方面,新方法與GNSS相對(duì)定位方法獲得的結(jié)果具有很好的一致性。新方法識(shí)別的結(jié)構(gòu)振動(dòng)頻率、振動(dòng)加速度在數(shù)值方面與加速度計(jì)獲取的結(jié)果高度吻合。本文提出的新方法既可以保證監(jiān)測(cè)精度,又可以有效簡(jiǎn)化作業(yè)流程、節(jié)約監(jiān)測(cè)成本,具有廣闊的應(yīng)用前景。