田?；?，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?；?，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(diǎn)，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(diǎn)。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(jìn)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(biāo)進(jìn)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(rèn)識不足、不定時或不可抗的外在因素（超負(fù)荷運(yùn)營、超限服役、腐蝕、疲勞、撞擊、爆炸）影響。為確保橋梁的安全運(yùn)營，日常需要對橋梁進(jìn)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(yùn)行受氣候條件影響小，可以進(jìn)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(biāo)，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(jìn)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(yùn)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(zhǔn)站是建立在管理處機(jī)房樓頂開闊處的屋頂站，監(jiān)測點(diǎn)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(zhǔn)站，進(jìn)行同步觀測并解算出各監(jiān)測站處的三維坐標(biāo)，得出大橋的某一位置在固定時刻的三維空間坐標(biāo)，進(jìn)而由此評估橋梁的健康狀態(tài)和各種運(yùn)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(biāo)。

（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(rèn)為整個觀測過程中接收機(jī)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(diǎn)基準(zhǔn)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(diǎn)間的基線向量，確定每個測站點(diǎn)在指定坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)，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(biāo)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(zhǔn)站的配合，流動站能夠?qū)崟r返回觀測點(diǎn)厘米級精度的待測點(diǎn)的三維坐標(biāo)。在RTK定位模式下，作為基準(zhǔn)站點(diǎn)的三維坐標(biāo)是事先獲得的，流動站通過基準(zhǔn)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?zhǔn)站通過電臺、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(zhǔn)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(jìn)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(zhǔn)站和流動站間距通常在數(shù)公里內(nèi)，因此可以認(rèn)為兩站間的各種誤差來源因素存在很強(qiáng)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(diǎn)準(zhǔn)確位置。采用載波相位相對定位的靜態(tài)模式可以達(dá)到毫米級的解算精度，有靜態(tài)、準(zhǔn)（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(jìn)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(jī)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(yán)重時間段的方法和刪除周跳嚴(yán)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(diǎn)坐標(biāo)極限差值整體不大于1cm。鑒于監(jiān)測點(diǎn)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(rèn)定監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果符合橋梁監(jiān)測點(diǎn)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(biāo)為中心形成正態(tài)分布，從而說明了監(jiān)測處坐標(biāo)細(xì)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(zhǔn)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(jī)輸出設(shè)置，設(shè)置監(jiān)測站接收機(jī)的解算模式為RTK觀測模式。在RTK模式下，分別進(jìn)行了接入自建基準(zhǔn)站和接入“河南北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)”兩種基站模式進(jìn)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(diǎn)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(zhǔn)和北斗地基增強(qiáng)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(jī)重新初始化的現(xiàn)象，但是北斗地基增強(qiáng)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(qiáng)系統(tǒng)站兩種模式下的數(shù)據(jù)，接入地基增強(qiáng)系統(tǒng)的觀測結(jié)果優(yōu)異于基準(zhǔn)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(jìn)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(dá)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(jī)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(jī)鐘差，對兩種模式觀測結(jié)果的影響可以認(rèn)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(diǎn)接收機(jī)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(diǎn)，從而使接收機(jī)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(jìn)行初始化，影響了觀測的連續(xù)性。④由于RTK模式下，基準(zhǔn)站需要向監(jiān)測站發(fā)送差分?jǐn)?shù)據(jù)作為監(jiān)測點(diǎn)結(jié)算的一部分，所以基準(zhǔn)站的接收機(jī)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(qiáng)系統(tǒng)（連續(xù)運(yùn)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(zhǔn)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(zhǔn)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(jìn)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(jī)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(jìn)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(jìn)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(jìn)的解算算法能夠在短時間內(nèi)輸出達(dá)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(qiáng)系統(tǒng)作為基準(zhǔn)站的網(wǎng)絡(luò)RTK模式一定程度上優(yōu)異于自建基準(zhǔn)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。

［1］余加勇，邵旭東，晏班夫，等.基于全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的橋梁健康監(jiān)測方法的研究進(jìn)展［J］.中國公路學(xué)報，2016，（4）.

［2］王文貫，陸海波.單、雙頻GPS數(shù)據(jù)聯(lián)合處理基線分析［J］.水利規(guī)劃與設(shè)計，2010，（4）.

［3］石金峰，李新慧，楊培章.RTK技術(shù)及其在控制測量中的應(yīng)用［J］.遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報，2004，（6）：737-739.

［4］張隨甲，周曉忠.GPS-RTK誤差來源及減弱誤差的實用方法［J］.交通科技與經(jīng)濟(jì)，2014，（2）.

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。