短基線定位在結(jié)構(gòu)物動態(tài)變形監(jiān)測中的應(yīng)用研究

連飛宇　黃立鑫

摘 要：【目的】驗證短基線定位在結(jié)構(gòu)物動態(tài)變形監(jiān)測中的應(yīng)用效果，為測繪地理信息技術(shù)的跨界融合和應(yīng)用延伸提供科學(xué)依據(jù)?！痉椒ā客ㄟ^試驗?zāi)M結(jié)構(gòu)物的動態(tài)變形情況，采用GNSS接收機觀測動態(tài)數(shù)據(jù)，通過TRACK動態(tài)定位模塊對3個基準(zhǔn)站和1個移動站的觀測數(shù)據(jù)進行處理分析?！窘Y(jié)果】移動站點位誤差X方向為2.2 mm，Y方向為-1.7 mm；基準(zhǔn)站最大的點位誤差X方向為3.7 mm，Y方向為3.9 mm，移動站和基準(zhǔn)站的點位精度誤差均滿足規(guī)范要求。【結(jié)論】GNSS短基線測量技術(shù)在結(jié)構(gòu)物動態(tài)變形監(jiān)測應(yīng)用中具有較高的精度，可以更好地解決傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)物動態(tài)變形監(jiān)測方法速度慢、成本高及自動化程度低等問題。

關(guān)鍵詞：GNSS；短基線；變形監(jiān)測；應(yīng)用研究

中圖分類號：P228? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1003-5168（2023）08-0108-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.08.022

Study on The Application of Short Baseline Positioning in Dynamic Deformation Monitoring of Structures

LIAN Fei Yu1 HUANG Li Xin2

（1. Gansu Provincial Architecture Design and Research Institute Co. Ltd， Lanzhou 730000， China; 2. Lanzhou College of Information Science and Technology， Lanzhou 730000， China）

Abstract： [Purposes] To verify the application effect of short baseline positioning in dynamic deformation monitoring of structures， which provides a scientific basis for the trans-boundary integration and application extension of surveying and mapping geographic information technology. [Methods] Through the experiment， the dynamic deformation of the structure was simulated， the GNSS receiver was used to observe the dynamic data， and the TRACK dynamic positioning module was used to process and analyze the observation data of three reference stations and one mobile station. [Findings] The error of moving site location is 2.2mm in X direction and -1.7mm in Y direction. The maximum point position error of the reference station is 3.7mm in the X direction and 3.9mm in the Y direction. The point position accuracy errors of both the mobile station and the reference station meet the requirements of the specification. [Conclusions] GNSS short baseline measurement technology has high precision in the application of structural dynamic deformation monitoring， and can better solve the problems of slow speed， high cost and low degree of automation of traditional structural dynamic deformation monitoring methods.

Keywords： GNSS;short baseline; deformation monitoring; applied research

0 引言

隨著國民經(jīng)濟快速發(fā)展，人民生活水平顯著提高，全國各地興建了諸多高層建筑、蓄水大壩、工業(yè)煙囪及大跨徑橋梁等大型工程結(jié)構(gòu)物。由于工程地質(zhì)、外界條件等因素的影響，工程結(jié)構(gòu)物及其附屬設(shè)備在施工和運營過程中經(jīng)常發(fā)生整體或局部沉陷、傾斜和裂縫等變形情況，變形量超過一定的限值將會影響工程結(jié)構(gòu)物的正常使用，情況嚴(yán)重時可能危及結(jié)構(gòu)物的安全狀態(tài)。因此，對大型工程結(jié)構(gòu)物進行動態(tài)變形監(jiān)測，可以評估其安全狀態(tài)、驗證設(shè)計參數(shù)和反饋施工質(zhì)量，是工程施工領(lǐng)域重要的研究方向之一［1-3］。

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）隨著硬件設(shè)施與數(shù)據(jù)處理軟件的日臻完善，集成了多傳感器、偽衛(wèi)星增強和多天線等數(shù)據(jù)采集方法，使測量定位的速度和精度得到了極大的提高。目前，GNSS定位技術(shù)從靜態(tài)定位擴展到動態(tài)定位，從單點定位擴展到局部與廣域差分定位，定位精度可以達到mm級，已廣泛應(yīng)用在地質(zhì)災(zāi)害［4］、橋梁工程［5］、水利工程［6］及高層建筑［7］等多領(lǐng)域的變形監(jiān)測工作中。

基于此，本研究通過試驗?zāi)M工程結(jié)構(gòu)物的動態(tài)變形情況，運用GNSS定位技術(shù)獲取結(jié)構(gòu)物的動態(tài)變形數(shù)據(jù)，研究短基線狀態(tài)下整周模糊度確定的方法和分析定位精度誤差，旨在豐富GNSS定位技術(shù)中誤差消除和提高精度的理論體系，為GNSS在大型工程結(jié)構(gòu)物的動態(tài)變形監(jiān)測工作提供科學(xué)參考，對工程結(jié)構(gòu)物的動態(tài)變形風(fēng)險早期識別、預(yù)報預(yù)警等工作提供重要依據(jù)。

1 GNSS定位誤差分析

1.1 對流層延遲誤差

GNSS測量定位中的對流層延遲通常是泛指電磁波信號在通過離地面高度50 km以下的未被電離的中性大氣層時所產(chǎn)生的信號延遲［8-9］。研究表明，對于工作頻率在15 GHz以內(nèi)的微波而言，對流層使該種信號的傳播路徑比幾何路徑長，所導(dǎo)致的傳播路徑彎曲較小可忽略不計。對流層延遲導(dǎo)致的GNSS信號傳播路徑的偏差表示為式（1）。

[ΔDtrop=S-ρ=SnSds-pdρ=SnS-1ds+Sds-pdρ] （1）

式中：S為實際傳播路徑，ρ為幾何路徑，n（S）為對流層的微波折射率。

1.2 多路徑效應(yīng)誤差

在GNSS定位測量中，被測站附近的反射物所反射的衛(wèi)星信號如果進入接收機的天線，將會對直接來自衛(wèi)星的信號產(chǎn)生干涉，導(dǎo)致觀測值偏離真實值，產(chǎn)生多路徑效應(yīng)誤差［10-11］。設(shè)直射信號、反射信號的數(shù)學(xué)表達式為式（2）和式（3）。

[Sd=Ucosωt] （2）

[Sr=αUcosωt+θ] （3）

式中：U為信號電壓；ω為載波的角頻率。

直射和反射信號疊加后被接收機接收，故接收機天線實際收到的信號的數(shù)學(xué)表達式為式（4）。

[Sr=βUcosωt+φ] （4）

式中：[β=1+2αcosθ+α212]；[φ=tan-1][αsinθ1+αcosθ]。

實際情況中可能有多個反射信號同時進入接收機天線，則此時多路徑誤差的數(shù)學(xué)表達式為式（5）。

[φ=tan-1i=1nαisinθi1+i=1nαicosθi] （5）

1.3 整周模糊度動態(tài)解算

常用的動態(tài)模糊度解算方法有最優(yōu)喬里斯基分解算法、最小二乘模糊度降相關(guān)平差法、直接整周模糊度搜索方法、快速模糊度解算法、快速模糊度濾波法以及用某些特殊的約束條件來確定模糊度。這些整周模糊度解算方法都適用于初始模糊度的解算，并具有最佳模糊度組合的搜索策略；但相互之間差異主要有搜索用到的觀測類型、搜索區(qū)域策略以及檢驗標(biāo)準(zhǔn)［12-13］。

在連續(xù)跟蹤而不存在整周跳變的情況下，衛(wèi)星通過的載波相位觀測值均含有相同的初始整周模糊度N。為了正確的解算出這個整周模糊度，在GNSS載波相位測量動態(tài)定位中，通常采用在動態(tài)之前進行一段時間的靜態(tài)測量或者在已知基線上進行短時間的靜態(tài)測量，利用動態(tài)定位實施之前的測量數(shù)據(jù)來確定整周模糊度，并依據(jù)無周跳時整周模糊度不變的性質(zhì)，使用后續(xù)的GNSS載波相位觀測值，進行高精度的動態(tài)定位解算。

2 試驗分析

2.1 選擇試驗設(shè)備儀器

本試驗主要目的是基于GNSS接收機獲取模擬大型工程結(jié)構(gòu)物的動態(tài)變形數(shù)據(jù)，利用GAMIT數(shù)據(jù)處理軟件中TRACK模塊對獲取的模擬動態(tài)觀測數(shù)據(jù)進行處理分析。因此，采用WS-Z30-50型振動臺配套Vib’SQK軟件模擬大型工程結(jié)構(gòu)物的動態(tài)變形情況，如圖1（a）所示；選用PENTAX G6型號的GNSS接收機觀測動態(tài)數(shù)據(jù)，如圖1（b）所示。

TRACK是GAMIT數(shù)據(jù)處理軟件的一個動態(tài)定位模塊，采用差分載波相位觀測值進行動態(tài)定位，其定位解算可以得到測站每個歷元的三維坐標(biāo)差及單位權(quán)中誤差，從而獲得移動站的運動軌跡。利用TRACK對實測數(shù)據(jù)處理的目的在于單歷元的解算，通過比較動態(tài)定位和靜態(tài)定位不同模式下TRACK模塊處理GNSS觀測數(shù)據(jù)的精度，以及解算出GNSS測站記錄到的振動位移和靜態(tài)位移的特征。

2.2 設(shè)計試驗方案

本試驗觀測時間為2023年1月11日，試驗地點位于甘肅省蘭州市，天氣狀況良好利于試驗觀測。通過Vib’SQK軟件設(shè)置WS-Z30-50振動臺的頻率和振幅等基本參數(shù)；GNSS接收機采樣間隔為1 s，衛(wèi)星截止高度角為15°。試驗首先將GNSS移動站接收機固定在振動平臺上以測量振動臺的動態(tài)數(shù)據(jù)，如圖2（a）所示；基準(zhǔn)站架設(shè)于流動站周圍20 m左右位置，測站架設(shè)相對位置如圖2（b）所示。

第一個觀測周期，在振動臺開始工作前，進行靜態(tài)觀測。使用4臺GNSS接收機靜態(tài)測量采集數(shù)據(jù)1 h，以確定整周模糊度并且確定移動站與基準(zhǔn)站的相對位置。

第二個觀測周期，在Vib’SQK軟件中設(shè)置振動平臺的控制頻率為0.2 Hz，振幅為10 mm，振動時長為1 000 s，通過軟件生成正弦波使振動平臺開始振動，基準(zhǔn)站和移動站以同樣的采樣頻率進行數(shù)據(jù)采集；第一個振動周期結(jié)束后改變控制頻率為0.1 Hz，振幅為10 mm，振動時長為1 000 s，進行重復(fù)實驗觀測。

2.3 數(shù)據(jù)處理與分析

通過PENTAX接收機官方軟件將第一、二觀測周期接收機的觀測數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)RINEX格式，基于TRACK定位模塊解算整周模糊度，進行電離層誤差改正、多路徑誤差改正和整周跳變誤差改正等處理，得到移動站和基準(zhǔn)站平面坐標(biāo)，見表1。根據(jù)表1數(shù)據(jù)分析可知，移動站Rove點位誤差X方向為2.2 mm，Y方向為-1.7 mm；基準(zhǔn)站Base3的點位誤差最大，X方向為3.7 mm，Y方向為3.9 mm。移動站和基準(zhǔn)站的點位精度誤差均滿足規(guī)范要求的最大誤差值。

結(jié)果表明，基于TRACK定位模塊可以正確解算GNSS短基線觀測數(shù)據(jù)的整周模糊度，有效地提高觀測數(shù)據(jù)的處理精度；進一步驗證了短基線定位可以更好地應(yīng)用于結(jié)構(gòu)物動態(tài)變形監(jiān)測工作中。

3 結(jié)語

隨著GNSS測量技術(shù)的日臻完善，相比傳統(tǒng)測繪技術(shù)其優(yōu)勢明顯，在諸多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。在結(jié)構(gòu)物動態(tài)變形監(jiān)測方面，GNSS測量技術(shù)集成了計算機技術(shù)、數(shù)據(jù)通信技術(shù)及數(shù)據(jù)處理與分析技術(shù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理、分析及預(yù)警的數(shù)字化、自動化、信息化和智能化。在GNSS測量中采用短基線觀測可以有效地減弱多路徑誤差等因素對定位精度的影響，實現(xiàn)mm級定位精度，對于高精度、高時效的結(jié)構(gòu)物動態(tài)變形監(jiān)測中具有重要意義。

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收稿日期：2022-01-14

作者簡介：連飛宇（1984—），男，本科，工程師，研究方向：無人機航攝及變形監(jiān)測等。

通信作者：黃立鑫（1994—），男，碩士生，工程師，研究方向：3S技術(shù)及應(yīng)用研究。