利用PPP固定解提取橋梁變形的可行性分析

張　耕，趙　言，黎慕韓，徐　運

(天津市測繪院，天津 300381)

Feasibility Analysis of Using PPP Fixed Solutions for Extracting

Bridge Deformation

ZHANG Geng，ZHAO Yan，LI Muhan，XU Yun

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利用PPP固定解提取橋梁變形的可行性分析

張耕，趙言，黎慕韓，徐運

(天津市測繪院，天津 300381)

FeasibilityAnalysisofUsingPPPFixedSolutionsforExtracting

BridgeDeformation

ZHANGGeng，ZHAOYan，LIMuhan，XUYun

摘要：研究了基于整數(shù)鐘模糊度固定的方法，采用CNES中心的產品，以RTKLIB為平臺初步實現(xiàn)了PPP固定解。將PPP固定解用于提取橋梁變形信息，進行橋梁安全監(jiān)測。通過對某橋梁數(shù)據的事后差分動態(tài)解算、PPP浮點解解算和PPP固定解解算的結果進行分析和比對，表明PPP固定解較PPP浮點解的精度和穩(wěn)定性有大幅提高，能夠提取橋梁的變形量，正確識別橋梁振動頻率，初步驗證了其可行性。

關鍵詞：PPP固定解；變形信息；RTK；橋梁安全監(jiān)測

一、引言

變形監(jiān)測是工程項目中的一項重要而細致的內容，要求對變形體進行實時連續(xù)的監(jiān)測，以規(guī)避災難性事故。近年來，GPS技術以其高精度、全天候、實時、連續(xù)跟蹤等優(yōu)點，已廣泛應用于各類工程及災害監(jiān)測，如對城市地表、滑坡體、橋梁、高層建筑、水庫大壩等進行監(jiān)測[1-4]。其中，以RTK技術為代表的GPS差分定位方法，在短基線的情況下能較好地消除接收機鐘差、衛(wèi)星鐘差等公共誤差，以及削弱衛(wèi)星軌道、對流層延遲、電離層延遲等與距離強相關的誤差的影響,從而獲得高精度的位移變形信息，是目前工程項目中常用的一種監(jiān)測手段[5]。

然而，GPS差分方法也存在著一些缺陷。例如，至少需要2臺高性能大地型GPS接收機，監(jiān)測成本較高；要求基準站有良好的觀測環(huán)境，這對于高樓林立的現(xiàn)代化大都市通常難以滿足；基準站與監(jiān)測站所處的環(huán)境差異大，某些誤差難以較好地消除，如測站高差差異帶來的對流層延遲誤差、測站周邊環(huán)境差異帶來的多路徑誤差等；公共誤差相關性隨著距離的增大而下降，導致監(jiān)測精度隨著GPS監(jiān)測站與基準站之間的距離增大而降低，等等。

精密單點定位技術(precisepointpositioning,PPP)采用單臺GNSS接收機，利用國際GNSS服務組織(InternationalGNSSService,IGS)提供的精密星歷和衛(wèi)星鐘差，基于載波相位觀測值可實現(xiàn)與RTK相當?shù)慕^對定位精度，同時具有無須架設基站、不受作用距離約束等優(yōu)點，目前已在高精度測量、低軌衛(wèi)星定軌、航空測量、地表形變監(jiān)測等領域取得了廣泛的應用[6-7]。然而，由于目前PPP一般采用浮點解，導致其精度和可靠性較雙差解稍差，同時需要較長的收斂時間。如果能將非差模糊度快速固定為整數(shù)，不僅能進一步提高PPP的定位精度及可靠性，還能顯著縮短PPP定位的初始化時間，實現(xiàn)與RTK相當?shù)亩ㄎ痪群投ㄎ恍?。基于此，本文在RTKLIB開源程序的基礎上，實現(xiàn)了CNES中心Laurichesse等提出的整數(shù)鐘(IRCs)模糊度固定方法，將其用于某橋梁變形監(jiān)測數(shù)據處理中，提取變形信息，初步驗證了PPP固定解提取橋梁變形的可行性。

二、PPP模糊度固定方法

1. 非差觀測方程

GPS雙頻偽距和載波相位觀測方程為

(1)

(2)

(3)

(4)

2. 非差模糊度固定

針對非差模糊度固定這一關鍵技術，國內外學者已進行了較為深入和系統(tǒng)的研究，并取得了豐富的成果[8-10]。本文僅對整數(shù)鐘方法(IRCs)進行介紹。

基于IRCs的PPP模糊度固定算法主要分為3個部分：寬巷衛(wèi)星小數(shù)偏差估計、整數(shù)衛(wèi)星鐘差估計、用戶端模糊度固定。首先根據式(1)—式(4)形成M-W組合固定寬巷模糊度

MW=-Nw+ur-us

(5)

式中，Nw=N2-N1為寬巷模糊度；ur、us分別為接收機端和衛(wèi)星端的寬巷延遲。寬巷模糊度可通過多歷元平滑獲得較準確的估值，將其從式(5)中減去后僅剩接收機端和衛(wèi)星端寬巷小數(shù)硬件延遲，可通過固定地面觀測站網中基準站的接收機小數(shù)硬件延遲，進而分解出衛(wèi)星端寬巷小數(shù)硬件延遲；然后根據式(1)—式(4)形成消電離層組合

(6)

(7)

L3-ρ+λWNW=λ1N1+hr-hs

(8)

目前CNES中心已開始提供用于整數(shù)模糊度固定的整數(shù)鐘和寬巷產品，用戶可以在浮點PPP的基礎上利用這些產品實現(xiàn)PPP非差模糊度固定[11]。另外，RTKLIB最新版本提供了整數(shù)鐘模糊度固定的部分接口，這為本文實現(xiàn)PPP固定解提供了方便。

三、橋梁變形監(jiān)測試驗

1. 試驗數(shù)據說明

試驗數(shù)據來源于廣州某大橋施工的GPS監(jiān)測網，采用12臺高采樣率的中海達雙頻GPS接收機，其中一臺固定作為基準站(M0，圖中未畫出)，其余都安置在橋梁各監(jiān)測部位，監(jiān)測網布設如圖1所示，取2014年2月15日的數(shù)據，當天天氣晴朗微風，觀測條件良好。本文選取了位于橋梁中部的GPS2號點，分別進行了事后差分動態(tài)解算、PPP浮點解解算和PPP固定解解算，并對轉換得到的相對于參考點M0的ENU三維基線向量進行了分析。

圖1　變形監(jiān)測網示意圖

2. 試驗結果分析

對于短基線的事后差分動態(tài)處理，采用Novatel公司開發(fā)的高精度事后處理軟件GrafNav，其標稱精度為1cm+1.0×10-6D，本文先將差分結果作為真值，比較PPP浮點解和PPP固定解的精度，兩者均基于RTKLIB解算得到。ENU方向的差值序列及精度統(tǒng)計如圖2所示。

PPP固定解由于將模糊度固定，充分利用了模糊度信息，極大地改善了定位精度，與雙差解更加吻合，其差值序列較PPP浮點解穩(wěn)定。PPP浮點解的模糊度容易受到各種誤差影響，并且在動態(tài)定位中，位置參數(shù)前后約束小，使得動態(tài)PPP浮點解的定位精度較差，不能充分利用載波的觀測信息。比較兩者的定位精度可知，PPP固定解的平面精度優(yōu)于2cm，高程精度優(yōu)于4cm，比PPP浮點解的精度分別提高了66%和69%，對于高精度的橋梁變形監(jiān)測，PPP固定解模式優(yōu)于PPP浮點解模式。

橋梁本身具有結構性振動，另外在風力、河水等外因作用下，也會產生一定的振動，當這種周期性擺動超過設計值時，橋梁將存在安全隱患。本文中橋梁大致為東西走向，因此橋梁橫向為南北向，橋梁橫向的振動較為明顯。雙差和PPP已解算得到相對于基準點的北向位移量，再以雙差第一個歷元為參考值，得到雙差和PPP的北向位移序列，如圖3所示。

雙差橫向位移序列在2.5cm內波動，PPP固定解橫向位移序列在5cm內波動，而PPP浮點解的位移序列值抖動幅度大，與雙差結果差異較大，顯然不能正確表達橋梁的真實變形量，利用PPP浮點解進行橋梁變形監(jiān)測是不可靠的。然而PPP固定解的位移序列與雙差的變形幅度也有一定差異，這是由于本文采用了CNES的產品，而程序則由RTKLIB二次開發(fā)而來，兩者并不融洽，并且本文實現(xiàn)的算法不完善，因此與雙差結果存在厘米級的差異，但是，隨著PPP固定解在變形監(jiān)測領域的深入研究和軟件的開發(fā)完善，PPP固定解可以達到雙差一樣的精度，這是未來橋梁變形監(jiān)測的一個研究方向。

圖2　PPP浮點解和PPP固定解精度比較

圖3　橋梁橫向(北向)位移序列

對3種結果利用FFT進行了頻譜分析，如圖4所示。頻率單位為每小時1次。雙差變形序列檢測到兩個峰值頻率點，分別為0.959 5Hz和0.056 4Hz，而對于PPP固定解同樣檢測到該兩個頻率點，但同時還檢測到了0.564 4Hz的頻率點，推測該頻率點是PPP未消除誤差引起的。對于PPP浮點解，檢測到了0.056 4Hz和0.564 4Hz兩個頻率點，這說明0.564 4Hz確實是由PPP這種非差解算模式引起的。對于變形頻譜中的0.959 5Hz的頻率點，PPP浮點的解PSD值很小，不能被檢測。從頻譜分析中可以看出，PPP固定解能夠檢測到橋梁振動的真實頻率，優(yōu)于PPP浮點解。

四、結束語

本文研究了PPP的整數(shù)鐘模糊度固定方法，并利用RTKLIB進行了二次開發(fā)。采用CNES中心發(fā)布的產品，實現(xiàn)了PPP固定解。并針對某橋梁GPS變形監(jiān)測數(shù)據，分析了PPP固定解提取橋梁變形的可行性。試驗表明，PPP固定解較PPP浮點解有更好的定位精度和穩(wěn)定性，可以提取橋梁變形量，并且能夠正確檢測出橋梁振動的真實頻率，隨著PPP固定解在變形監(jiān)測領域的深入研究和軟件的開發(fā)完善，利用PPP固定解進行橋梁變形監(jiān)測和分析是可行的。

圖4　橋梁橫向變形頻譜分析

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引文格式： 張耕，趙言，黎慕韓，等. 利用PPP固定解提取橋梁變形的可行性分析[J].測繪通報，2015(6)：57-60.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2015.0178

通信作者：趙言

作者簡介：張耕(1984—)，男，碩士，工程師，主要從事城市工程測量、城市CORS應用研究等相關工作。E-mail:kubrick@163.com

收稿日期：2014-06-17

中圖分類號：P228.4

文獻標識碼：B

文章編號：0494-0911(2015)06-0057-04