全球导航卫星系统-动态后处理技术在强夯夯沉量监测中的应用

朱耀杰, 张晓明, 耿煜琛

(中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室, 太原 030051)

强夯法是20世纪60年代末出现的一种地基加固方法,由法国工程师梅那(Menard)首创,是目前最常见的地基加固方法[1]。依照强夯地基处理技术规程，地基夯实度是强夯地基处理质量检测和验收的重要技术指标，决定着整个工程的质量，因此对夯沉量的精确测量显得尤为重要。

目前，强夯地基处理过程中普遍依靠监理和施工人员使用人工水准仪进行夯沉量测量，测量设备信息化程度低，不具备实时监测与数据回传功能，效率低精度差；测量时需要多人配合且存在较大的安全隐患，施工参数受人为因素干扰大，结果复现性差，且不可追根溯源，不便于强夯施工远程电子化管理与监管。采用超声波或激光测距等非接触方式进行测量，受恶劣的施工环境以及强振动、高温、大雾、多尘等因素影响，无法长时间进行高精度测量[2-3]。

近年来，中外学者借助传感器技术、全球导航卫星系统(global navigation satellite system，GNSS)技术、通信技术、云计算等新兴技术对夯沉量的测量进行了深入研究。这些研究有力地推动了强夯施工信息化技术的快速发展。国外出现了应用于快速夯击过程中的可自动记录贯入深度、夯击次数等参数的车载夯击监控系统。张青兰[4]利用压力传感器、接近传感器与光电编码器等实现了夯击深度的自动检测。詹金林[5]提出了基于全球定位系统(global positionmg system,GPS)的强夯施工信息管理系统的设想，但未见该系统的工程应用。

随着中国基础工程设施建设的持续增加,强夯法必将在地基处理中得到更加广泛的应用，为改变现有测量方式的痛点，亟需出现低成本、低功耗、小体积、高精度的夯沉量信息化监测设备，完成强夯施工高过载环境下对夯沉量长时间高精度以及高信息化程度的直接测量。鉴于此，现提出利用载波相位差分技术测量夯锤夯击前后相对地面的位移量(即夯沉量)的技术设想。开展基于动态后处理 (post processed kinematic，PPK)技术和远程无线电(long range radio，LoRa)技术的强夯夯沉量监测方法的研究，并从系统构建和实验两方面进行说明验证。

1 PPK技术监测夯沉量的原理

1.1 PPK测量基本原理

PPK技术是基于载波相位差分进行事后差分的GNSS应用技术，其是在载波实时差分定位(real-time kinematic，RTK)技术的基础上衍生出的。与RTK测量技术不同的是，由于是进行事后处理，PPK测量时基准站无需建立实时通信链路给移动站传输差分信号，该优点使得PPK测量技术更适用于低功耗、小体积的应用场景。PPK测量技术是在一定范围内布设基准站GNSS接收机和移动站接收机，同步对GNSS卫星进行观测，事后通过计算机数据处理软件将基准站与移动站数据进行线性组合，利用虚拟载波相位观测值求出基准站与移动站之间各个时刻的基线，引入基准站的已知坐标，实现对移动站三维坐标的高精度定位[6-7]。

通过快速动态逼近法求解整周模糊度实现对移动站的高精度定位。载波相位测量的位置方程[8]表示为

(1)

图1 PPK监测工作原理

1.2 夯沉量监测系统的工作原理

强夯施工时夯锤从静止提升到下落看作一次完整的夯击动作，夯击前后夯锤的高度位置变化量即为夯锤的单击沉降量。因此，可忽略夯锤提升与下落过程中的高度，重点对夯击前后静止状态下的夯锤高度进行精确测量。RTK测量技术在基准站与移动站之间通过大功率电台进行差分数据传输[9-10]，考虑到夯沉量监测对系统实时性要求不高以及低功耗设计的要求，选用PPK测量技术实现该方案。图1为PPK监测工作原理。

基于PPK技术的强夯夯沉量监测系统，固联于强夯机夯锤上表面的测点终端对导航卫星持续观测，并通过LoRa无线通信[11]方式实现2～3 km内数据传输，将测点终端观测数据回传给数据处理中心，为了提高工作效率，测点终端仅输出原始观测数据；同时基准站串口传输其原始观测值与星历文件给数据处理中心，数据处理中心将测点终端与基准站的观测信息进行差分组合运算，通过引入基准站的已知坐标进行绝对定位，得到夯锤的高精度测量值。事后PPK的解算方案可满足一个基站对多个测点终端。为了实现低功耗的设计，在选用低功耗的硬件设备的同时，根据强夯施工独有的特点，创造性地利用加速度传感器来判断夯锤的状态，通过阈值的设置实现监测系统的休眠与采集传输模式切换。夯沉量监测系统简要技术路线如图2所示。

图2 夯沉量监测系统简要技术路线

2 夯沉量实时监测系统

2.1 硬件设计

强夯监测系统采用u-blox公司的消费级NEO-M8T多模GNSS模块来实现PPK算法，其具有高可靠性、高精确度及低功耗的特点。采样频率范围为1～10 Hz，考虑到数据可存储性以及后期处理的便捷，将模块输出数据(观测数据和星历文件)格式配置为十六进制的UBX文件，原始观测数据输出UBX-RXM-RAWX[12]。通过LoRa协议的无线网络实现广域环境下低功耗远距离的数据传输，将测点终端原始观测数据单向传输到数据处理中心。其传输距离可以达到3 km，最高通信速率为1 042 bps。主控制器选择超低功耗的STM32L431单片机，它专为低功耗的应用场景打造。为保证系统的长期运行，在测点终端中集成加速度传感器，通过实时采集加速度信息，程序设计控制进入休眠模式以降低功耗。基准站通过串口将观测数据传输到数据处理中心。监测系统结构如图3(a)、图3(b)所示。

强夯的高动态环境决定了测点终端必须具备抗高过载能力，必须通过多重防护技术来提高其在恶劣环境下的生存能力。选用硬铝制作测点终端系统结构，同时采用聚氨酯和环氧树脂对壳体内部空间进行填充，极大地提高系统的抗振动冲击性能。

2.2 低功耗方案设计

为降低系统整体功耗，利用测点终端内的加速度传感器实时采集当前加速度值，通过采集加速度值并设置阈值来控制系统不同工作模式的转换。系统上电后，初始化配置完成，采集当前夯锤位置信息，通过LoRa模块发送数据到数据处理中心，数据传输完成后系统进入休眠模式。根据强夯施工特点可知夯锤从高处下落夯击瞬间会产生较大的加速度，即此时夯锤已经完成一次夯击，若当前加速度值高于设定的阈值则监测系统自动唤醒，开始采集当前夯锤位置信息，并进行数据传输。低功耗设计方案流程如图4所示。

UART为通用异步收发传输器；LPUART为低功耗通用异步收发传输器；SPI为串行外设接口

图4 低功耗设计方案流程

3 系统性能测试

3.1 测量精度测试

测量精度是监测系统的重点关注指标，其决定了能否在强夯施工中使用。选择在开阔无大型建筑物遮挡区域进行测试，布设基站与测点终端，基线长度196.5 m，监测系统设置进行GPS/BDS(BDS为北斗卫星导航系统)组合定位，采样率为1 Hz，天线为高精度GNSS测量天线，在GPS/BDS组合定位中，18 s左右即可实现模糊度固定，测试时间350 s。实验表明在短基线条件下系统精度达到毫米级，ENU(东-北-天)方向上的精度分别为3.8、4.6、8.8 mm，图5给出了ENU方向上的定位误差曲线。

图5 ENU方向定位误差曲线

为更客观地反映监测系统在强夯施工环境下的监测精度，利用上述部署的测点终端与基准站进行观测，模拟强夯施工夯沉量的变化。基准站状态保持不变，测点终端模拟夯沉变化情况，将其在高程方向逐次下降不同的高度；在测点终端进行监测的同时，对模拟下降的高度进行精确测量，通过人工测量数据来表征强夯监测系统的外符合精度。图6给出了测点终端高程方向位移曲线(高度为测点终端的经纬高度)。表1统计了测点终端测量与人工测量高程方向的位移变化。

3.2 功耗测试

低功耗的方案是监测系统长期运行的保障。

图6 测点终端高程方向位移曲线

表1 两种手段高程方向位移统计结果

对采集传输以及休眠模式下的功耗进行测试。节点可充电锂电池额定工作电压为7.4 V，容量3 000 mA·h。对不同模式下的节点电流测量，多次测量取平均值。休眠模式下电流为0.13 mA，采集传输模式下电流为32.6 mA。按强夯施工每天10 h的工作时间来算，监测系统一天的电量消耗为327.82 mA·h，工作的总时长为3 000÷327.82=9.15 d。

3.3 强夯现场实验

为了分析强夯监测系统在实际强夯施工中的精度与可靠性，在山西省太原市某项目部进行了强夯实测实验，实验强夯机夯击能量为6 000 kN·m，锤高2.05 m，夯锤落距9 m。在强夯监测系统工作的同时，监理人员采用水准仪测量每一次夯击的夯沉量。

强夯施工现场如图7所示，图8为夯沉量监测终端。

图7 强夯施工现场

表2 监测系统和水准仪监测结果对比

图8 夯沉量监测终端

选取强夯实验的一处夯点结果进行对比分析。由表2监测系统和水准仪监测结果对比数据可知相对误差小于10%，且二者测量结果偏差较小，依照强夯地基项目的检查验收标准，监测系统能够满足强夯夯沉量的监测需求。

4 结论

针对强夯施工夯沉量测量存在的监测精度低、信息化程度低等痛点问题，提出将PPK技术和无线远距离传输技术相结合，实现了对夯沉量的高精度广域GNSS实时监测。与常规夯沉量测量方法相比，提高了施工效率，实现了对强夯施工信息的实时、自动、高精度采集。所设计的监测系统可在恶劣环境下长期可靠运行，具有低成本、小体积、高可靠性等优点。可为下一步大范围普适性GNSS夯沉量监测技术推广提供支撑。