低成本GNSS接收機監測高層建筑動態變形的可行性分析

侯紅科，王亞榮，匡翠林

低成本GNSS接收機監測高層建筑動態變形的可行性分析

侯紅科1,2，王亞榮3，匡翠林1

（1. 中南大學 地球科學與信息物理學院，長沙 410083；2. 廣州市城市規劃勘測設計研究院，廣州 510663；3. 武漢大學 測繪學院，武漢 430079）

針對目前高層建筑動態監測成本較高的問題，提出利用單頻低費用全球衛星導航系統（GNSS）接收機進行高層建筑動態監測的方法，并通過模擬實驗驗證低費用接收機獲取監測點微變形的有效性。實際工程監測結果表明，低費用接收機和測量型接收機在獲取高樓似靜態變形和識別低頻振動頻率方面具有較好的一致性；低費用接收機應用于高層建筑變形監測既可保證測量精度，又可有效降低工程成本，具有較高的工程應用價值。

全球衛星導航系統；單頻接收機；高層建筑；動態監測

0 引言

隨著城市化的快速發展和建筑工藝的進步，大量高聳建筑不斷興建。高層建筑在溫度、日照、強風以及運營荷載等外界因素的影響下將產生振動變形和緩慢的似靜態變形，變形量的大小將直接影響其結構安全狀況[1-2]。對高樓進行動態變形監測，不但可以評估其健康狀況，而且在驗證結構設計參數、評估其安全運營能力等方面具有重要意義[3]。全球衛星導航系統（global navigation satellite system, GNSS）技術因其具有全天候、無需通視、可直接獲取監測點3維位移等優點，被廣泛的應用于高層建筑動態監測[4]。目前，在GNSS高樓動態監測領域學者們已經做了很多研究，并取得了較好的效果，但是一般利用的是雙頻測量型GNSS接收機，接收機的價格昂貴，從而導致工程應用成本較高。隨著GNSS技術在軟硬件方面的發展，單頻低費用接收機的定位精度得到了大幅度提高。文獻[5-6]基于goGPS對低費用接收機進行了一系列研究，驗證了單頻低費用接收機相對動態定位精度較之前有了較大的提高。文獻[7]基于低成本的全球定位系統（global positioning system, GPS）及北斗衛星導航系統（BeiDou navigation satellite system, BDS）接收機，結果表明借助于實時動態載波相位差分(real time kinematic,RTK）定位方式可以達到厘米級的實時定位精度。文獻[8-9]研究了低費用接收機用于滑坡監測的可行性，并探討了基線長度對定位結果的影響。對單頻接收機在工程測量領域的應用進行研究，可以降低工程成本，具有重要的應用價值。

本文研究驗證單頻低費用接收機監測微變形的有效性，并對低費用單頻接收機應用于高樓動態監測進行分析。

1 單頻GNSS數據處理方案

本文采用相位差分模式對數據進行處理，大幅消除削弱了多種系統誤差，例如電離層延遲、對流層延遲、衛星鐘差等。在測站、上對衛星、進行同步觀測，其雙差載波相位定位方程為

在相位差分定位時，雙差后的電離層和對流層延遲誤差可忽略不計，而固定雙差模糊度則成為解算基線向量的核心問題。在高層建筑動態變形監測中，監測站的初始坐標已知，而動態變形位移較小，因此基線長度可視為已知。本文使用了基線長度約束，基于模型化后的最小二乘模糊度降相關平差法（modified least-square ambiguity decorrelation adjustment, MLAMBDA）[10]，實現了對單頻信號的模糊度固定。周跳普遍存在于載波相位測量中，且一個周期的跳變就可引發數十厘米的定位誤差，因而在解算之前需要對相位觀測值進行周跳探測和修復。而單頻觀測值無法使用墨爾本-維貝納（Melbourne-Wubbena, MW）寬巷組合法、電離層殘差法等方法，本文利用了3差后作1次歷元間差分，對周跳進行初步的探測與修復，然后再用3差迭代解進一步修復數值較小的周跳。另外，多路徑作為動態監測的誤差源，無法通過差分定位進行消除，因此在進行動態監測時要合理選擇監測點的位置，數據處理時選擇合適的截止高度角來減小多路徑誤差對定位結果的影響。

2 實驗與結果分析

2.1 模擬實驗

本文中使用的低費用接收機是Ublox公司的EVK-M8T，接收天線為EVK-M8T配套的導航型小天線，它屬于陶瓷平板天線，尺寸大小為40 mm×40 mm×12 mm。相對于測量型接收機，它在價格、質量、功耗上均有優勢，但接收到的信號為單頻信號。模擬實驗利用模擬位移變形裝置對接收機的監測性能進行評估。將模擬變形裝置安置在觀測墩上，整平后用羅盤標定北方向和東方向。由于移動的位移量較小，磁偏角以及羅盤定北不準確對測試結果的影響可忽略不計。使模擬變形裝置1個軸平行南北方向，則另1軸平行東西方向。通過旋轉旋鈕可以調整裝置的南北軸和東西軸產生位移，裝置位移刻度為1 mm。將模擬位移和監測位移進行對比，可以對監測結果進行評價。模擬監測實驗如圖1所示。模擬變形的方案如表1所示。基準站使用了Trimble公司測量型接收機Net R9和測量型天線TRM55971.00，在進行結果分析之前，對2種接收機的信噪比進行了對比分析，結果如圖2所示。結果表明，單頻低費用接收機的信號質量與測量型接收機相差不大，信噪比大多集中在40 dB左右。

圖1 模擬監測實驗

圖2 兩種接收機信號質量對比

模擬實驗數據采樣率為1 s，單個歷元解算時間序列如圖3所示。由圖可知，單頻低費用GNSS接收機監測的位移序列較好地反映了模擬裝置的實際位移，但部分測段位移序列出現波動，這主要是因為多路徑等其他誤差造成的。模擬實驗結果表明，單頻低費用GNSS監測結果和模擬變形吻合得很好，該監測技術可以很好地監測到微變形。

表1 模擬變形方案

圖3 測量變形與GNSS解算結果比較

2.2 實驗概況

為了驗證低費用接收機應用于高層建筑動態監測的可行性，本研究對某一高層建筑進行了動態監測。該建筑層數為63層，總高度超過300 m。在高樓樓頂的對角處設置2個監測站，用來監測高樓的動態變形。其中：1號監測站采用Trimble Net R9高頻測量型接收機，數據采樣率設置為10 Hz；2號監測站采用ublox公司的EVK-M8T單頻接收機，數據采樣率設置為1 Hz。在觀測環境良好的空曠地方架設基準站，基準站與高樓監測站的基線長度大約為5.6 km。現場觀測環境和監測示意如圖4所示。

圖4 高層建筑GNSS動態監測

2.3 監測結果分析

監測期間基本不受風振等其他明顯外部環境荷載作用，高樓變形主要表現為自身振動以及溫度、光照等引起的緩慢變形。分別對2個監測站1 h的觀測數據進行單歷元動態解算。經均值化處理后的北方向、東方向、高方向坐標時間序列如圖5所示。高樓在北、東方向位移時間序列在零值附近波動，高樓的似靜態位移較小。由于GNSS在高程方向定位精度較低，監測點在高程方向具有較大的波動范圍。由于受到多路徑以及衛星信號遮擋的影響，1號監測點在方向0~1000 s表現出較大的波動。監測結果表明，2個監測點的位移時間序列無論在整體趨勢還是在局部細節上都表現出較好的一致性。利用單頻低費用接收機，可以準確監測到高樓的似靜態變形。

圖5 監測點位移時間序列

高樓的振動信號微弱，由于受到GNSS觀測噪聲的影響，很難從原始位移數據結果中識別出高樓的動態特性。本文基于快速傅里葉變換將時間域數據轉換到頻率域，頻譜分析結果如圖6所示。數據在低頻部分表現出較高的功率譜密度，這主要是因為高樓似靜態變形和多路徑等測量噪聲引起的。測量型接收機監測數據識別的高樓在北、東方向的模態振動頻率分別0.045和0.046 Hz，導航型接收機識別的高樓在北、東方向的振動頻率為0.050和0.050 Hz。由于高樓的振動信號微弱，受點位分布不一致和GNSS觀測白噪聲的影響，識別的振動頻率存在細微的差別。監測結果表明，高樓的振動頻率分布在較低頻段，導航型接收機和測量型接收機識別的高樓振動頻率分布具有較好的一致性。

圖6 監測點原始坐標時間序列頻譜分析結果

小波分析能夠將信號分解到任意頻段上，具有帶通濾波的功能，常被應用于高層建筑振動信號的提取[11]。對監測點原始數據進行小波分析，提取高樓的振動信號，結果如圖7所示。監測結果表明，2種接收機監測出的振動具有較好的一致性，振動信號均在2 mm以內。由于監測時間段內無風等其他明顯外部荷載，高樓自身的振動信號微弱，該建筑具有很好的穩定性。

圖7 小波提取振動位移

3 結束語

GNSS已成為目前工程結構健康監測領域的關鍵技術，使用GNSS 技術進行建筑物健康監測，可以解決傳統的建筑物健康監測方法的不足。GNSS單頻低費用接收機小巧靈活，它在價格、質量、功耗上相對于測量型接收機均有優勢。本研究通過模擬實驗和工程實測數據驗證了單頻低費用GNSS接收機應用于高層建筑動態變形監測的可行性和有效性。分析結果表明，該監測方法可有效識別高樓的似靜態變形和振動頻率。低費用接收機應用于工程測量領域，可有效降低工程成本，具有良好的工程應用價值。

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Feasibility analysis on dynamic deformation monitoring of high-rise buildings by low-cost GNSS receivers

HOU Hongke1,2, WANG Yarong3, KUANG Cuilin1

1. School of Geosciences and Info-Physics, Central South University, Changsha 410083, China;2. Guangzhou Urban Planning & Design Survey Research Institute, Guangzhou 510663, China;3. School of Geodesy and Geomatics, Wuhan University, Wuhan 430079, China)

Aiming at the problem that there exists high cost in current dynamic monitoring of high-rise buildings, the paper proposed to use single-frequency and low-cost GNSS receivers to dynamically monitor the high-rise buildings, and verified the feasibility of acquiring the micro deformation of monitoring points by the low-cost receiver through simulational experiments. Practical engineering monitoring results showed that: the low-cost receiver and the geodetic receiver would have good consistency in acquiring quasi-static deformation and identifying low-frequency vibration frequency for high-rise buildings; moreover, the application of low-cost receivers for deformation monitoring of high-rise buildings could not only ensure the measurement accuracy, but also effectively reduce the engineering cost, meaning a high engineering application value.

global navigation satellite system (GNSS); single-frequency receiver; high-rise building; dynamic monitoring

P228

A

2095-4999(2019)04-0094-05

侯紅科，王亞榮，匡翠林.低成本GNSS接收機監測高層建筑動態變形的可行性分析[J].導航定位學報,2019,7(4): 94-98.（HOU Hongke,WANG Yarong,KUANG Cuilin.Feasibility analysis on dynamic deformation monitoring of high-rise buildings by low-cost GNSS receivers[J].Journal of Navigation and Positioning,2019,7(4): 94-98.）

10.16547/j.cnki.10-1096.20190417.

2019-01-20

國家自然科學基金項目（41774040）；中南大學中央高校基本科研業務費專項資金項目（2018zzts703）。

侯紅科（1994—），男，河北邢臺人，碩士生，研究方向為GNSS導航與定位。

匡翠林（1978—），男，湖南長沙人，博士，副教授，研究方向為GNSS導航與定位。