低成本GNSS接收机监测高层建筑动态变形的可行性分析

侯红科，王亚荣，匡翠林

低成本GNSS接收机监测高层建筑动态变形的可行性分析

侯红科1,2，王亚荣3，匡翠林1

（1. 中南大学 地球科学与信息物理学院，长沙 410083；2. 广州市城市规划勘测设计研究院，广州 510663；3. 武汉大学 测绘学院，武汉 430079）

针对目前高层建筑动态监测成本较高的问题，提出利用单频低费用全球卫星导航系统（GNSS）接收机进行高层建筑动态监测的方法，并通过模拟实验验证低费用接收机获取监测点微变形的有效性。实际工程监测结果表明，低费用接收机和测量型接收机在获取高楼似静态变形和识别低频振动频率方面具有较好的一致性；低费用接收机应用于高层建筑变形监测既可保证测量精度，又可有效降低工程成本，具有较高的工程应用价值。

全球卫星导航系统；单频接收机；高层建筑；动态监测

0 引言

随着城市化的快速发展和建筑工艺的进步，大量高耸建筑不断兴建。高层建筑在温度、日照、强风以及运营荷载等外界因素的影响下将产生振动变形和缓慢的似静态变形，变形量的大小将直接影响其结构安全状况[1-2]。对高楼进行动态变形监测，不但可以评估其健康状况，而且在验证结构设计参数、评估其安全运营能力等方面具有重要意义[3]。全球卫星导航系统（global navigation satellite system, GNSS）技术因其具有全天候、无需通视、可直接获取监测点3维位移等优点，被广泛的应用于高层建筑动态监测[4]。目前，在GNSS高楼动态监测领域学者们已经做了很多研究，并取得了较好的效果，但是一般利用的是双频测量型GNSS接收机，接收机的价格昂贵，从而导致工程应用成本较高。随着GNSS技术在软硬件方面的发展，单频低费用接收机的定位精度得到了大幅度提高。文献[5-6]基于goGPS对低费用接收机进行了一系列研究，验证了单频低费用接收机相对动态定位精度较之前有了较大的提高。文献[7]基于低成本的全球定位系统（global positioning system, GPS）及北斗卫星导航系统（BeiDou navigation satellite system, BDS）接收机，结果表明借助于实时动态载波相位差分(real time kinematic,RTK）定位方式可以达到厘米级的实时定位精度。文献[8-9]研究了低费用接收机用于滑坡监测的可行性，并探讨了基线长度对定位结果的影响。对单频接收机在工程测量领域的应用进行研究，可以降低工程成本，具有重要的应用价值。

本文研究验证单频低费用接收机监测微变形的有效性，并对低费用单频接收机应用于高楼动态监测进行分析。

1 单频GNSS数据处理方案

本文采用相位差分模式对数据进行处理，大幅消除削弱了多种系统误差，例如电离层延迟、对流层延迟、卫星钟差等。在测站、上对卫星、进行同步观测，其双差载波相位定位方程为

在相位差分定位时，双差后的电离层和对流层延迟误差可忽略不计，而固定双差模糊度则成为解算基线向量的核心问题。在高层建筑动态变形监测中，监测站的初始坐标已知，而动态变形位移较小，因此基线长度可视为已知。本文使用了基线长度约束，基于模型化后的最小二乘模糊度降相关平差法（modified least-square ambiguity decorrelation adjustment, MLAMBDA）[10]，实现了对单频信号的模糊度固定。周跳普遍存在于载波相位测量中，且一个周期的跳变就可引发数十厘米的定位误差，因而在解算之前需要对相位观测值进行周跳探测和修复。而单频观测值无法使用墨尔本-维贝纳（Melbourne-Wubbena, MW）宽巷组合法、电离层残差法等方法，本文利用了3差后作1次历元间差分，对周跳进行初步的探测与修复，然后再用3差迭代解进一步修复数值较小的周跳。另外，多路径作为动态监测的误差源，无法通过差分定位进行消除，因此在进行动态监测时要合理选择监测点的位置，数据处理时选择合适的截止高度角来减小多路径误差对定位结果的影响。

2 实验与结果分析

2.1 模拟实验

本文中使用的低费用接收机是Ublox公司的EVK-M8T，接收天线为EVK-M8T配套的导航型小天线，它属于陶瓷平板天线，尺寸大小为40 mm×40 mm×12 mm。相对于测量型接收机，它在价格、质量、功耗上均有优势，但接收到的信号为单频信号。模拟实验利用模拟位移变形装置对接收机的监测性能进行评估。将模拟变形装置安置在观测墩上，整平后用罗盘标定北方向和东方向。由于移动的位移量较小，磁偏角以及罗盘定北不准确对测试结果的影响可忽略不计。使模拟变形装置1个轴平行南北方向，则另1轴平行东西方向。通过旋转旋钮可以调整装置的南北轴和东西轴产生位移，装置位移刻度为1 mm。将模拟位移和监测位移进行对比，可以对监测结果进行评价。模拟监测实验如图1所示。模拟变形的方案如表1所示。基准站使用了Trimble公司测量型接收机Net R9和测量型天线TRM55971.00，在进行结果分析之前，对2种接收机的信噪比进行了对比分析，结果如图2所示。结果表明，单频低费用接收机的信号质量与测量型接收机相差不大，信噪比大多集中在40 dB左右。

图1 模拟监测实验

图2 两种接收机信号质量对比

模拟实验数据采样率为1 s，单个历元解算时间序列如图3所示。由图可知，单频低费用GNSS接收机监测的位移序列较好地反映了模拟装置的实际位移，但部分测段位移序列出现波动，这主要是因为多路径等其他误差造成的。模拟实验结果表明，单频低费用GNSS监测结果和模拟变形吻合得很好，该监测技术可以很好地监测到微变形。

表1 模拟变形方案

图3 测量变形与GNSS解算结果比较

2.2 实验概况

为了验证低费用接收机应用于高层建筑动态监测的可行性，本研究对某一高层建筑进行了动态监测。该建筑层数为63层，总高度超过300 m。在高楼楼顶的对角处设置2个监测站，用来监测高楼的动态变形。其中：1号监测站采用Trimble Net R9高频测量型接收机，数据采样率设置为10 Hz；2号监测站采用ublox公司的EVK-M8T单频接收机，数据采样率设置为1 Hz。在观测环境良好的空旷地方架设基准站，基准站与高楼监测站的基线长度大约为5.6 km。现场观测环境和监测示意如图4所示。

图4 高层建筑GNSS动态监测

2.3 监测结果分析

监测期间基本不受风振等其他明显外部环境荷载作用，高楼变形主要表现为自身振动以及温度、光照等引起的缓慢变形。分别对2个监测站1 h的观测数据进行单历元动态解算。经均值化处理后的北方向、东方向、高方向坐标时间序列如图5所示。高楼在北、东方向位移时间序列在零值附近波动，高楼的似静态位移较小。由于GNSS在高程方向定位精度较低，监测点在高程方向具有较大的波动范围。由于受到多路径以及卫星信号遮挡的影响，1号监测点在方向0~1000 s表现出较大的波动。监测结果表明，2个监测点的位移时间序列无论在整体趋势还是在局部细节上都表现出较好的一致性。利用单频低费用接收机，可以准确监测到高楼的似静态变形。

图5 监测点位移时间序列

高楼的振动信号微弱，由于受到GNSS观测噪声的影响，很难从原始位移数据结果中识别出高楼的动态特性。本文基于快速傅里叶变换将时间域数据转换到频率域，频谱分析结果如图6所示。数据在低频部分表现出较高的功率谱密度，这主要是因为高楼似静态变形和多路径等测量噪声引起的。测量型接收机监测数据识别的高楼在北、东方向的模态振动频率分别0.045和0.046 Hz，导航型接收机识别的高楼在北、东方向的振动频率为0.050和0.050 Hz。由于高楼的振动信号微弱，受点位分布不一致和GNSS观测白噪声的影响，识别的振动频率存在细微的差别。监测结果表明，高楼的振动频率分布在较低频段，导航型接收机和测量型接收机识别的高楼振动频率分布具有较好的一致性。

图6 监测点原始坐标时间序列频谱分析结果

小波分析能够将信号分解到任意频段上，具有带通滤波的功能，常被应用于高层建筑振动信号的提取[11]。对监测点原始数据进行小波分析，提取高楼的振动信号，结果如图7所示。监测结果表明，2种接收机监测出的振动具有较好的一致性，振动信号均在2 mm以内。由于监测时间段内无风等其他明显外部荷载，高楼自身的振动信号微弱，该建筑具有很好的稳定性。

图7 小波提取振动位移

3 结束语

GNSS已成为目前工程结构健康监测领域的关键技术，使用GNSS 技术进行建筑物健康监测，可以解决传统的建筑物健康监测方法的不足。GNSS单频低费用接收机小巧灵活，它在价格、质量、功耗上相对于测量型接收机均有优势。本研究通过模拟实验和工程实测数据验证了单频低费用GNSS接收机应用于高层建筑动态变形监测的可行性和有效性。分析结果表明，该监测方法可有效识别高楼的似静态变形和振动频率。低费用接收机应用于工程测量领域，可有效降低工程成本，具有良好的工程应用价值。

[1] 匡翠林, 张晋升, 曾凡河, 等. GPS监测高层建筑在台风载荷下的动态响应特征[J]. 大地测量与地球动力学, 2012, 32(6): 139-143.

[2] PIOTR G. Dynamic characteristic of tall industrial chimney estimated from GPS measurement and frequency domain decomposition[J]. Engineering Structures, 2017, 148(2): 277-292.

[3] 林巍, 黄铭枫, 郭中秀, 等. 台风下香港K11大楼风振响应实测及分析[J]. 深圳大学学报(理工版), 2012, 29(1): 45-50.

[4] YI Z H, KUANG C L, WANG Y R, et al. Combination of high- and low-rate GPS receivers for monitoring wind-induced response of tall buildings[J]. Sensors 2018, 18(3), 4100.

[5] REALINI E. goGPS free and constrained relative kinematic positioning with low cost receivers[D]. Milan: Politecnico di Milano, 2009.

[6] REALINI E, YOSHIDA D, REGUZZONI M, et al. Enhanced satellite positioning as a web service with goGPS open source software[J]. Applied Geomatics, 2012, 4(2): 135-142.

[7] 张艳红, 张鹏, 吴辉, 等. 基于RTK的低成本GPS+BDS接收机设计与性能分析[J]. 测绘通报, 2018(11): 1-6.

[8] ALBERTO C, MARCO P. Performance of low-cost GNSS receiver for landslides monitoring: test and results[J]. Geomatics Natural Hazards & Risk, 2015, 6(5-7): 497-514.

[9] CHANG X W, YANG X, ZHOU T. MLAMBDA: a modified LAMBDA method for integer least-squares estimation[J]. Journal of Geodesy, 2005, 79(9): 552-565.

[10] 匡翠林, 戴吾蛟. GPS监测高层建筑风致振动变形及小波应用[J]. 武汉大学学报(信息科学版), 2010, 35(9): 1024-1028.

Feasibility analysis on dynamic deformation monitoring of high-rise buildings by low-cost GNSS receivers

HOU Hongke1,2, WANG Yarong3, KUANG Cuilin1

1. School of Geosciences and Info-Physics, Central South University, Changsha 410083, China;2. Guangzhou Urban Planning & Design Survey Research Institute, Guangzhou 510663, China;3. School of Geodesy and Geomatics, Wuhan University, Wuhan 430079, China)

Aiming at the problem that there exists high cost in current dynamic monitoring of high-rise buildings, the paper proposed to use single-frequency and low-cost GNSS receivers to dynamically monitor the high-rise buildings, and verified the feasibility of acquiring the micro deformation of monitoring points by the low-cost receiver through simulational experiments. Practical engineering monitoring results showed that: the low-cost receiver and the geodetic receiver would have good consistency in acquiring quasi-static deformation and identifying low-frequency vibration frequency for high-rise buildings; moreover, the application of low-cost receivers for deformation monitoring of high-rise buildings could not only ensure the measurement accuracy, but also effectively reduce the engineering cost, meaning a high engineering application value.

global navigation satellite system (GNSS); single-frequency receiver; high-rise building; dynamic monitoring

P228

A

2095-4999(2019)04-0094-05

侯红科，王亚荣，匡翠林.低成本GNSS接收机监测高层建筑动态变形的可行性分析[J].导航定位学报,2019,7(4): 94-98.（HOU Hongke,WANG Yarong,KUANG Cuilin.Feasibility analysis on dynamic deformation monitoring of high-rise buildings by low-cost GNSS receivers[J].Journal of Navigation and Positioning,2019,7(4): 94-98.）

10.16547/j.cnki.10-1096.20190417.

2019-01-20

国家自然科学基金项目（41774040）；中南大学中央高校基本科研业务费专项资金项目（2018zzts703）。

侯红科（1994—），男，河北邢台人，硕士生，研究方向为GNSS导航与定位。

匡翠林（1978—），男，湖南长沙人，博士，副教授，研究方向为GNSS导航与定位。