基于多系统GNSS的桥梁变形监测

鄂明曦

(甘肃省地质矿产勘查开发局测绘勘查院，甘肃 兰州 730060)

桥梁作为重要的交通枢纽，其安全稳定是保证人们生命财产安全的重要的保证，也是我国经济发展的必要的基础设施[1-2]。传统的桥梁变形监测手段主要有全站仪、水准仪以及加速计等，传统桥梁变形监测手段具有效率低、耗时耗力等缺点，并且不能监测出桥梁的连续变形情况[3-4]。随着测绘新技术的不断发展，GNSS技术被广泛应用于建筑物的变形监测领域，相比于传统的桥梁变形监测手段，GNSS技术具有受天气影响小、高精度、高采样率、全天候以及连续监测的优点[5-6]。我国北斗二号于2012底建设完成，是GNSS家族里面新鲜的血液，与其他导航系统相比，具有GEO、IGSO和MEO三星座、播发三频信号以及具有通信服务的特点，北斗导航系统的加入，为实现多系统GNSS导航与定位提供了可能性[7]。目前很多专家学者只结合GPS与北斗或者其他监测技术手段进行桥梁变形监测，刘明亮等[8]结合地基微波雷达与GPS对桥梁进行变形监测，发现二者结合监测精度可以达到毫米，且桥梁中间变形大于两侧；熊春宝等[9]结合GPS与加速度计对桥梁进行变形监测，发现RTK技术能有效的识别桥梁的动态位移变化，且AFEC滤波器能有效的去除GPS观测数据中存在的噪声；和永军等[10]结合高精度GPS/北斗监测了桥梁变形，发现GPS与北斗结合不仅提高了监测的精度，也解决了原有桥梁变形监测存在的问题。

为进一步分析GNSS技术在桥梁变形监测的优势与桥梁变形情况，本文基于国内现役桥梁，利用多系统GNSS技术对其变形监测，并分析了多系统GNSS变形监测数据的精度以及桥梁的健康状况。

1 多系统RTK定位算法

GNSS的观测值主要由伪距观测值和载波相位观测值组成，其基本观测方程如下[11]：

(1)

式中，P和Φ分别为伪距和载波相位观测值；λ为波长；ts为卫星发射信号的时间；tr为接收机接收到卫星信号的时间；ρ为站星间距；c为真空中光速；δts为卫星钟差；δtr为接收机钟差；δion为电离层改正；δtrop为对流层改正；N为整周模糊度；ε为观测噪声。

在进行短基线RTK定位时，为了消除接收机钟差、硬件延迟以及对流层、电离层延迟等影响时，一般采用双差模型，如下：

(2)

为了分析双系统和三系统的观测结果，先将双系统的联合求解，如下：

(3)

(4)

(5)

接下来联合三系统进行求解，如下：

(6)

式中，A和B与式(4)式(5)相同，其它标示量与式(3)相同。

2 数据处理分析

本文以国内某现役桥梁的变形监测为背景，实现基于多系统GNSS技术的桥梁变形监测分析。此次监测的现役桥梁全长200多米，为双向南北通车，桥梁两侧有人行通道和护栏，方便仪器的架设。监测仪器采用华测接收机，可以同时接收到北斗、GPS和GLONASS信号，在桥梁上共布设2个监测站，距离桥梁1.5 km稳定位置处布设1个基准站，采样率设置为1 s，截止高度角设置为15°，监测总时长为36 h，取其中24 h进行分析。在进行数据处理时，先利用BJFS站进行网解算，获取监测点以及基准点的精确坐标，然后利用基准点单基线解算监测点的单历元坐标，通过与精确坐标做差而得到桥梁的变形情况。采用四种解算方案：GPS/北斗、GPS/GLONASS、北斗/GLONASS和GPS/北斗/GLONASS。

图1 可见卫星数

图2 PDOP值

如图1所示，北斗+GPS的卫星可见数为13～19颗，北斗+GLONASS的卫星可见数为11～19颗，GPS+GLONASS的卫星可见数为12～19颗，北斗+GPS+GLONASS的卫星可见数为19～28颗。三系统组合可见卫星数比双系统可见卫星数多8～9颗。如图2所示，四种组合方案的PDOP值都在3以下，其中,北斗+GPS的PDOP值为1～2.2，北斗+GLONASS的PDOP值为1.2～2.5，GPS+GLONASS的PDOP值为1.1～2.1，北斗+GPS+GLONASS的PDOP值为0.9～1.6，三系统组合的PDOP值比双系统组合的PDOP值小0.2～0.9。

图3 北斗+GPS解算结果

图4 北斗+GLONASS解算结果

图5 GPS+GLONASS解算结果

图6 北斗+GPS+GLONASS解算结果

如图3～图4所示，为去噪之后四种不同组合下的X、Y和Z三个方向的桥梁动态变形情况，由图上可知，X方向和Y方向的变形要小于Z方向的变形。北斗+GPS组合下X方向和Y方向的变形都在2 cm以内，Z方向变形在4 cm以内，其中，Z方向最大变形在3.8 cm。北斗+GLONASS组合下X方向和Y方向的变形在2 cm以内，Z方向的变形在5 cm，其中Z方向的最大变形达到了4.6 cm。GPS+GLONASS组合下X方向和Y方向的变形在2 cm以内，Z方向的变形在5 cm，其中，Z方向的最大变形达到了4.7 cm。北斗+GPS+GLONASS组合下X方向和Y方向的变形在2 cm以内，Z方向的变形在4 cm，其中，Z方向的最大变形达到了3.6 cm。

为了进一步分析多系统组合在桥梁变形监测中的精度，统计四种组合下的RMS值、平均可见卫星数以及平均PDOP值。

表1 不同系统组合情况下精度统计

如表1所示，在双系统组合中，北斗+GLONASS的定位精度较差，PDOP值相比于其他两种组合也较大。而三系统组合定位精度相比于双系统在X、Y和Z三个方向都有很大的提升，X和Y方向的定位精度最大提升了0.09 cm，定位精度在1 cm以内，Y方向的定位精度最大提升了0.11 cm，定位精度在1 cm以内，Z方向的定位精度最大提升了0.18 cm，定位精度在2 cm以内。三系统组合的平均可见卫星数比双系统最大增加了8颗，平均PDOP值比双系统最大减少了0.4。

3 结 论

本文利用多系统组合GNSS技术对国内某桥梁进行了变形监测分析，通过对监测数据处理分析发现：

(1)三系统组合可以同时接收到北斗、GPS和GLONASS的卫星数，使卫星可见数大大增加，同时优化了卫星的几何分布，降低了精度稀释因子，提高了定位精度，利用高精度定位技术对桥梁变形监测进行变形监测可行。

(2)三系统组合定位相比于双系统组合，在桥梁变形监测的精度、卫星可见数、PDOP值、效率以及可靠可用性方面都有了很大的提升，随着我国北斗的发展，多系统组合定位技术将会有很大的提升。