全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)用于橋梁健康監(jiān)測數(shù)據(jù)處理分析

田保慧，張擎天，張 建

（1.河南省交通技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 450016；2.河南北斗衛(wèi)星導(dǎo)航平臺有限公司，河南 鄭州 450003）

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)用于橋梁健康監(jiān)測數(shù)據(jù)處理分析

田保慧1，張擎天2，張 建2

（1.河南省交通技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 450016；2.河南北斗衛(wèi)星導(dǎo)航平臺有限公司，河南 鄭州 450003）

作為橋梁健康監(jiān)測的一種重要手段，全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)具有低通視要求、高自動化、短周期等明顯的技術(shù)優(yōu)點，可以滿足實時、全天候的橋梁健康監(jiān)測要求，使其成為該領(lǐng)域應(yīng)用發(fā)展的一個熱點。文章通過對比各種解算方式下的數(shù)據(jù)，旨在分析出全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)用于橋梁健康監(jiān)測的不同解算模式下數(shù)據(jù)的精度與誤差，為推動全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)在橋梁健康監(jiān)測領(lǐng)域中的應(yīng)用和探索略盡綿力。

橋梁；精度；全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)；健康監(jiān)測；參考站

衛(wèi)星導(dǎo)航是指采用分布太空的多顆導(dǎo)航衛(wèi)星對覆蓋區(qū)域內(nèi)的用戶進行導(dǎo)航定位的技術(shù)。全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（以下簡稱GNSS）是指利用有多個覆蓋全球的衛(wèi)星組成的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)提供的位置、速度及時間信息，對各種目標進行定位、導(dǎo)航及監(jiān)管，目前常用的GNSS測量解算模式主要包括：靜態(tài)、快速靜態(tài)和動態(tài)模式三種。在大地測量、海洋測量、工程測量、勘探測量及各種類型的變形監(jiān)測等領(lǐng)域，GNSS測量已被廣泛深入使用。隨著生產(chǎn)力的發(fā)展，作為交通咽喉的橋梁變得跨度大、結(jié)構(gòu)柔，但人們對大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)認識不足、不定時或不可抗的外在因素（超負荷運營、超限服役、腐蝕、疲勞、撞擊、爆炸）影響。為確保橋梁的安全運營，日常需要對橋梁進行健康監(jiān)測。橋梁的健康監(jiān)測是指對橋梁的主要位置和關(guān)鍵部位實施不間斷的實時測量，來觀察橋梁的承載、耐久等各項生命體征在外界環(huán)境因素（風(fēng)、溫度、氣候等）和過往車輛與行人作用下的變化情況。目前，廣泛應(yīng)用于變形監(jiān)測領(lǐng)域的全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)監(jiān)測方法由于具有無需通視，全天候運行受氣候條件影響小，可以進行同步觀測，觀測時間短，定位的結(jié)果沒有誤差積累，并可以快速、簡便地獲取監(jiān)測位置的三維空間坐標，逐步成為橋梁健康監(jiān)測的一個重要發(fā)展方向。因此，建立基于GNSS技術(shù)的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)從技術(shù)來講是切實可行的。文章通過一個基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的橋梁健康監(jiān)測項目，結(jié)合GNSS解算的原理和實踐數(shù)據(jù)的分析討論，進一步分析何種解算模式更適合橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)。

在花園口黃河大橋開展的基于北斗的橋梁健康與交通量運營的項目中，采用了基于北斗（BDS）的GNSS衛(wèi)星定位方式來監(jiān)測大橋關(guān)鍵部位的變形情況。其中，基準站是建立在管理處機房樓頂開闊處的屋頂站，監(jiān)測點布設(shè)在大橋105跨的橋墩處，高出橋面40cm。文章通過分析采用各種監(jiān)測解算方式下的監(jiān)測結(jié)果，分析出橋梁GNSS監(jiān)測的數(shù)據(jù)解算方式。

1 全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)橋梁健康監(jiān)測分析

1.1 全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)橋梁健康監(jiān)測的原理

全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)橋梁健康的基本工作原理是，在橋梁關(guān)鍵位置布設(shè)監(jiān)測站一處或若干處，在橋梁周圍地形穩(wěn)固空間寬闊的位置建設(shè)一座或以上數(shù)量的基準站，進行同步觀測并解算出各監(jiān)測站處的三維坐標，得出大橋的某一位置在固定時刻的三維空間坐標，進而由此評估橋梁的健康狀態(tài)和各種運行情況下位移變化的規(guī)律。

1.2 全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)定位數(shù)據(jù)的解算

載波相位觀測值是高精度GNSS測量解算結(jié)果的精度最高的定位方式。靜態(tài)定位和RTK動態(tài)定位兩種測量模式都是采用載波相位觀測值解算的定位技術(shù)，它們能夠提供測量位置高精度的三維空間坐標。

（1）靜態(tài)定位解算模式。采用載波相位觀測值的相對定位模式的靜態(tài)解算是目前精度最高的，該模式認為整個觀測過程中接收機天線的位置是靜止不動的，通過衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)的變化求解位置信息。具體是取得放置在一條或數(shù)條基線的兩個端點基準站和參考站同一時段觀測的衛(wèi)星數(shù)據(jù)。通過基線解算和各種誤差方程求取測站點間的基線向量，確定每個測站點在指定坐標系下的三維坐標，一般需要觀測2個小時以上，解算精度為mm級，整個數(shù)據(jù)處理流程分為前期處理、基線解算、網(wǎng)平差、坐標變換等幾個階段。

（2）動態(tài)定位解算模式。Real-time Kinematic（簡稱RTK）定位技術(shù)是目前廣泛使用的實時動態(tài)衛(wèi)星定位技術(shù)，通過基準站的配合，流動站能夠?qū)崟r返回觀測點厘米級精度的待測點的三維坐標。在RTK定位模式下，作為基準站點的三維坐標是事先獲得的，流動站通過基準站發(fā)來的觀測值改正數(shù)不斷修正其自身的觀測值快速返回測量結(jié)果?；鶞收就ㄟ^電臺、無線網(wǎng)絡(luò)等各種形式將流動站所需信息發(fā)送至流動站。流動站不僅接收基準站發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，其自身還接收衛(wèi)星發(fā)送的數(shù)據(jù)，然后將兩種來源的數(shù)據(jù)組成差分觀測值進行實時解算，一秒內(nèi)給出待測位置的觀測結(jié)果。由于通信線路的限制，基準站和流動站間距通常在數(shù)公里內(nèi)，因此可以認為兩站間的各種誤差來源因素存在很強的一致性，通過組成差分觀測值可以消除一定量的相關(guān)誤差，保證觀測結(jié)果的精度。

1.3 靜態(tài)定位模式

目前，各地開展的基于GPS/BDS橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)主要采用這種解算方式處理觀測數(shù)據(jù)，得出監(jiān)測點準確位置。采用載波相位相對定位的靜態(tài)模式可以達到毫米級的解算精度，有靜態(tài)、準（快速）靜態(tài)定位兩種解算方式。常規(guī)靜態(tài)測量需要觀測2個小時以上，不適用于橋梁監(jiān)測實時監(jiān)測的設(shè)計要求，而快速定位通過快速獲取整周模糊度可以短時間內(nèi)解算出監(jiān)測結(jié)果，花園口黃河大橋橋梁健康監(jiān)測項目采用了后者進行監(jiān)測數(shù)據(jù)解算方式。

快速靜態(tài)定位需要設(shè)計數(shù)據(jù)處理軟件處理衛(wèi)星接收機觀測到的原始星歷、觀測數(shù)據(jù)。為了保證解算結(jié)果的高精度，設(shè)計了滿足以下條件的GNSS數(shù)據(jù)解算軟件：

（1）刪除整個觀測過程中觀測時間過短的衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)，不讓該衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)參與相關(guān)解算過程，保證基線解算精度。

（2）關(guān)于周跳問題，可以通過刪除某顆衛(wèi)星周跳嚴重時間段的方法和刪除周跳嚴重衛(wèi)星觀測值兩種模式對比來提高基線解算結(jié)果的精度。

（3）對于殘差較大的觀測值，直接剔除不讓其參與基線解算。

（4）根據(jù)觀測的情況生成模型，改正對流層和電離層對衛(wèi)星信號傳播的延遲，提高解算精度。

表1 截取了該軟件部分的監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果

通過表1可以看出，監(jiān)測結(jié)果穩(wěn)定性高。分析數(shù)天的觀測數(shù)據(jù)，可以得知監(jiān)測站點坐標極限差值整體不大于1cm。鑒于監(jiān)測點布設(shè)位置為橋梁的墩柱位置，為不可能頻繁出現(xiàn)厘米級的震顫、變形的部位，所以可以認定監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果符合橋梁監(jiān)測點位置的實際情況。再連續(xù)觀測數(shù)天后，統(tǒng)計分析所有天觀測的解算數(shù)據(jù)，通過數(shù)學(xué)計算得出數(shù)據(jù)以一個固定坐標為中心形成正態(tài)分布，從而說明了監(jiān)測處坐標細微變化的根源系GNSS測量過程中的偶然誤差。通過以上分析，可以看出快速靜態(tài)定位可以用于橋梁的健康監(jiān)測，并能夠獲取準確、可靠的監(jiān)測結(jié)果。

1.4 RTK動態(tài)定位模式

為了探索RTK動態(tài)定位的解算模式能否用于變形監(jiān)測領(lǐng)域，通過更改監(jiān)測站接收機輸出設(shè)置，設(shè)置監(jiān)測站接收機的解算模式為RTK觀測模式。在RTK模式下，分別進行了接入自建基準站和接入“河南北斗地基增強系統(tǒng)”兩種基站模式進行監(jiān)測。開展了一段時間的監(jiān)測后，統(tǒng)計分析各種方式的相關(guān)數(shù)據(jù)。截取部分的觀測值數(shù)據(jù)，如表2所示。

通過表2數(shù)據(jù)可以看出數(shù)據(jù)值浮動很大，通過分析對比所有監(jiān)測天數(shù)的監(jiān)測解算數(shù)據(jù)，得出以下4點結(jié)論：①通過RTK模式解算的數(shù)據(jù)其結(jié)果的穩(wěn)定性差，結(jié)果的差異無明顯規(guī)律；②但是在一些特殊的情景下其數(shù)據(jù)解算結(jié)果又趨于穩(wěn)定且靠攏靜態(tài)模式下解算的結(jié)果值；③自建基準和北斗地基增強系統(tǒng)兩種模式，在觀測過程中都出現(xiàn)了幾次衛(wèi)星失鎖導(dǎo)致接收機重新初始化的現(xiàn)象，但是北斗地基增強系統(tǒng)模式下出現(xiàn)的次數(shù)要少一些；④同比測試下對比自建基站和地基增強系統(tǒng)站兩種模式下的數(shù)據(jù)，接入地基增強系統(tǒng)的觀測結(jié)果優(yōu)異于基準站模式的觀測結(jié)果。

表2 截取部分的觀測值數(shù)據(jù)

通過對幾天的觀測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析可得出結(jié)論：RTK動態(tài)解算模式的觀測結(jié)果的分布無法用正態(tài)分布表示，明顯存在一定的系統(tǒng)誤差。因而雖然目前動態(tài)RTK模式可以達到1cm+1ppm的測量精度，但是由于橋梁變形監(jiān)測的特殊要求，尚不能作為GNSS橋梁變形監(jiān)測的數(shù)據(jù)解算手段。

1.5 兩種解算模式的對比分析

GNSS測量結(jié)果的主要誤差有以下四個來源：①導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)的衛(wèi)星鐘差和衛(wèi)星軌道偏差等相關(guān)誤差；②電流層、對流程、多路徑效應(yīng)對衛(wèi)星信號傳播影響產(chǎn)生的誤差；③接收機設(shè)備的鐘差及天線相位中心、觀測誤差、整周未知數(shù)等因素形成的誤差；④其它外界因素。其中各種硬件設(shè)備的鐘差如衛(wèi)星鐘差和接收機鐘差，對兩種模式觀測結(jié)果的影響可以認定為一致的，而電流層、對流層、多路徑的誤差影響忽略觀測時段不同的影響基本也應(yīng)一致。造成兩種解算模式不同的原因應(yīng)在于外界因素影響以及其對監(jiān)測點接收機天線相位中心和觀測時段長短對整周模糊度的影響。

造成RTK監(jiān)測結(jié)果難以穩(wěn)定固定值1cm范圍內(nèi)的主要誤差來源為：①由于參考站布設(shè)在橋面之上，通行車輛帶動的空氣使儀器發(fā)生輕微振動，RTK模式下振動使天線相位中心無法固定一個點，從而使接收機解算出不同的固定解。②由于黃河大橋的高度，導(dǎo)致橋面以上的高度風(fēng)力大于普通路面高度的風(fēng)力，對儀器的穩(wěn)定造成影響，該種影響和上一個影響相同。③天空衛(wèi)星分布的影響，天氣惡劣情況下會導(dǎo)致無法正常差分解算，從而儀器要重新進行初始化，影響了觀測的連續(xù)性。④由于RTK模式下，基準站需要向監(jiān)測站發(fā)送差分數(shù)據(jù)作為監(jiān)測點結(jié)算的一部分，所以基準站的接收機和發(fā)送數(shù)據(jù)的精度對移動站的解算有一定影響。

而選擇河南北斗地基增強系統(tǒng)（連續(xù)運行參考站系統(tǒng)）的網(wǎng)絡(luò)RTK模式優(yōu)異于自建基站的普通RTK模式，其主要原因在于：①網(wǎng)絡(luò)RTK模式下，虛擬基站和監(jiān)測站之間的基線距離可以更短，從而消除衛(wèi)星系統(tǒng)相關(guān)的誤差更有效明顯；②在傳播誤差方面，網(wǎng)絡(luò)RTK可以以整個參考系統(tǒng)的電離層、對流層模型修正監(jiān)測站的數(shù)據(jù)，而普通RTK只能通過基準站和監(jiān)測站兩個站建立模型，所以相對而言，前者的模型更復(fù)雜更準確有效；③在整周未知數(shù)方面，眾所周知，網(wǎng)絡(luò)RTK的解算周期更短，能夠更快得到固定解，從而更有優(yōu)勢；④網(wǎng)型優(yōu)勢，網(wǎng)絡(luò)RTK組成的網(wǎng)絡(luò)形狀更加復(fù)雜，能夠利用單基線、多基線等來解算基線，從而能通過軟件來處理得出更優(yōu)的情況。

2 結(jié)論

通過對黃河公路大橋橋梁健康監(jiān)測項目的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析可知，雖然全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)在橋梁監(jiān)測領(lǐng)域有很大的應(yīng)用潛力，但由于其仍受一定外界因素的干擾和各種解算模式的局限性，導(dǎo)致其在變形監(jiān)測領(lǐng)域內(nèi)的價值受到一定的影響。在監(jiān)測過程中，如何選擇數(shù)據(jù)的處理對整個監(jiān)測結(jié)果起著至關(guān)重要的作用。靜態(tài)相對定位技術(shù)雖然有較高的精度，但是其觀測時間較長，所以無法應(yīng)用于對觀測時段要求高的項目；RTK模式不論是網(wǎng)絡(luò)型RTK還是普通模式的RTK，由于受到其誤差來源與自身精度的影響，難以適用于觀測環(huán)境差精度要求高的項目；而快速定位模式，可以較快的解算出整周模糊度并具有很高的解算精度，可以作為橋梁GNSS監(jiān)測的數(shù)據(jù)處理方式。

綜上所述，可以得出如下結(jié)論：①全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)測量結(jié)果的精度受到天空中衛(wèi)星分布姿態(tài)和衛(wèi)星信號傳播的制約，可以通過使用三星八頻的高端接收機組合四大全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的衛(wèi)星，選取最優(yōu)觀測結(jié)果進行組合解算消除部分誤差的影響。②RTK實時動態(tài)相對定位技術(shù)，雖然能夠方便快捷的得到1cm級的定位精度，但是由于易受外界因素如風(fēng)力、溫度和大橋通行人車的不良影響，無法精確消除這類影響帶來的誤差，想通過RTK定位技術(shù)進行橋梁位移監(jiān)測還有待各方面技術(shù)的發(fā)展。③全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)快速靜態(tài)定位技術(shù)配合先進的解算算法能夠在短時間內(nèi)輸出達到毫米級的定位精度觀測值，其精度符合橋梁健康監(jiān)測對觀測精度的要求，能作為橋梁位移測量的一種技術(shù)手段。④北斗地基增強系統(tǒng)作為基準站的網(wǎng)絡(luò)RTK模式一定程度上優(yōu)異于自建基準站的普通RTK模式的數(shù)據(jù)精度，可以作為未來探索的一個方向。

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田?；郏?975-），河南商水人，碩士，副教授，主要從事智能交通研究工作。