短基線定位在結構物動態變形監測中的應用研究

連飛宇　黃立鑫

摘 要：【目的】驗證短基線定位在結構物動態變形監測中的應用效果，為測繪地理信息技術的跨界融合和應用延伸提供科學依據。【方法】通過試驗模擬結構物的動態變形情況，采用GNSS接收機觀測動態數據，通過TRACK動態定位模塊對3個基準站和1個移動站的觀測數據進行處理分析。【結果】移動站點位誤差X方向為2.2 mm，Y方向為-1.7 mm；基準站最大的點位誤差X方向為3.7 mm，Y方向為3.9 mm，移動站和基準站的點位精度誤差均滿足規范要求。【結論】GNSS短基線測量技術在結構物動態變形監測應用中具有較高的精度，可以更好地解決傳統結構物動態變形監測方法速度慢、成本高及自動化程度低等問題。

關鍵詞：GNSS；短基線；變形監測；應用研究

中圖分類號：P228? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標志碼：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

隨著國民經濟快速發展，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、工業煙囪及大跨徑橋梁等大型工程結構物。由于工程地質、外界條件等因素的影響，工程結構物及其附屬設備在施工和運營過程中經常發生整體或局部沉陷、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構物的正常使用，情況嚴重時可能危及結構物的安全狀態。因此，對大型工程結構物進行動態變形監測，可以評估其安全狀態、驗證設計參數和反饋施工質量，是工程施工領域重要的研究方向之一［1-3］。

全球導航衛星系統（Global Navigation Satellite System，GNSS）隨著硬件設施與數據處理軟件的日臻完善，集成了多傳感器、偽衛星增強和多天線等數據采集方法，使測量定位的速度和精度得到了極大的提高。目前，GNSS定位技術從靜態定位擴展到動態定位，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，已廣泛應用在地質災害［4］、橋梁工程［5］、水利工程［6］及高層建筑［7］等多領域的變形監測工作中。

基于此，本研究通過試驗模擬工程結構物的動態變形情況，運用GNSS定位技術獲取結構物的動態變形數據，研究短基線狀態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定位技術中誤差消除和提高精度的理論體系，為GNSS在大型工程結構物的動態變形監測工作提供科學參考，對工程結構物的動態變形風險早期識別、預報預警等工作提供重要依據。

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生的信號延遲［8-9］。研究表明，對于工作頻率在15 GHz以內的微波而言，對流層使該種信號的傳播路徑比幾何路徑長，所導致的傳播路徑彎曲較小可忽略不計。對流層延遲導致的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 多路徑效應誤差

在GNSS定位測量中，被測站附近的反射物所反射的衛星信號如果進入接收機的天線，將會對直接來自衛星的信號產生干涉，導致觀測值偏離真實值，產生多路徑效應誤差［10-11］。設直射信號、反射信號的數學表達式為式（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學表達式為式（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學表達式為式（5）。

[φ=tan-1i=1nαisinθi1+i=1nαicosθi] （5）

1.3 整周模糊度動態解算

常用的動態模糊度解算方法有最優喬里斯基分解算法、最小二乘模糊度降相關平差法、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、搜索區域策略以及檢驗標準［12-13］。

在連續跟蹤而不存在整周跳變的情況下，衛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載波相位測量動態定位中，通常采用在動態之前進行一段時間的靜態測量或者在已知基線上進行短時間的靜態測量，利用動態定位實施之前的測量數據來確定整周模糊度，并依據無周跳時整周模糊度不變的性質，使用后續的GNSS載波相位觀測值，進行高精度的動態定位解算。

2 試驗分析

2.1 選擇試驗設備儀器

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

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

2.2 設計試驗方案

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軟件設置WS-Z30-50振動臺的頻率和振幅等基本參數；GNSS接收機采樣間隔為1 s，衛星截止高度角為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數據，如圖2（a）所示；基準站架設于流動站周圍20 m左右位置，測站架設相對位置如圖2（b）所示。

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

第二個觀測周期，在Vib’SQK軟件中設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，基準站和移動站以同樣的采樣頻率進行數據采集；第一個振動周期結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，進行重復實驗觀測。

2.3 數據處理與分析

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據轉換為標準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，得到移動站和基準站平面坐標，見表1。根據表1數據分析可知，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。移動站和基準站的點位精度誤差均滿足規范要求的最大誤差值。

結果表明，基于TRACK定位模塊可以正確解算GNSS短基線觀測數據的整周模糊度，有效地提高觀測數據的處理精度；進一步驗證了短基線定位可以更好地應用于結構物動態變形監測工作中。

3 結語

隨著GNSS測量技術的日臻完善，相比傳統測繪技術其優勢明顯，在諸多領域得到了廣泛的應用。在結構物動態變形監測方面，GNSS測量技術集成了計算機技術、數據通信技術及數據處理與分析技術，實現數據采集、傳輸、處理、分析及預警的數字化、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mm級定位精度，對于高精度、高時效的結構物動態變形監測中具有重要意義。

參考文獻：

［1］趙娟，白春，史青菁，等.基于改進北斗衛星導航的超高層建筑變形監測方法［J］.沈陽工業大學學報，2022，44（4）：426-430.

［2］姜衛平，梁娛涵，余再康，等.衛星定位技術在水利工程變形監測中的應用進展與思考［J］.武漢大學學報（信息科學版），2022，47（10）：1625-1634.

［3］丁樂樂，潘宇明，王震，等.不同觀測時長的GNSS變形監測精度分析［J］.工程勘察，2022，50（7）：56-60.

［4］王國權，鮑艷.基于區域參考框架的GNSS滑坡監測［J］.測繪學報，2022，51（10）：2107-2116.

［5］張澤平，張澤玉，王金山.基于BDS/GPS/IBIS-S數據橋梁變形監測分析［J］.工程勘察，2022，50（5）：68-72.

［6］陳丹.GPS技術在水利工程變形勘測中的應用［J］.河南水利與南水北調，2021，50（10）：79-80.

［7］陳凱.GPS技術在某大型建筑物變形監測中的應用［J］.江西建材，2022（9）：99-100，105.

［8］章迪.GNSS對流層天頂延遲模型及映射函數研究［J］.測繪學報，2022，51（9）：1984.

［9］LIU G L，HUANG G W，XU Y，et.al. Accuracy Evaluation and Analysis of GNSS Tropospheric Delay Inversion from Meteorological Reanalysis Data［J］. Remote Sensing，2022，14（14），3434.

［10］劉健，黃觀文，杜源，等.基于基準站信噪比先驗信息的GNSS觀測數據多路徑誤差識別方法及應用［J］.地球科學與環境學報，2022，44（2）：352-362.

［11］NIE S H，WANG Y X，TU J S，et.al. Retrieval of Soil Moisture Content Based on Multisatellite Dual-Frequency Combination Multipath Errors［J］. Remote Sensing，2022，14（13），3193.

［12］祝會忠，雷嘯挺，李軍，等.BDS參考站三頻整周模糊度單歷元確定方法［J］.測繪學報，2020，49（11）：1388-1398.

［13］WU Z M. GNSS integer ambiguity posterior probability calculation with controllable accuracy［J］. Journal of Geodesy，2022，96，53.

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測等。

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