北斗ⅱ载波相位差分定位法在高填方变形监测中的应用

北斗载波相位差分定位法在高填方变形监测中的应用 杜伟飞 张继文 夏娜 郑建国 于永堂 张慧海 机械工业勘察设计研究院有限公司 陕西省特殊土工程性质与处理技术重点实验室 合肥工业大学 摘 要： 通过对北斗载波相位差分定位技术在高填方变形监测中的应用研究, 包括实时动态差分定位 (RTK) 和静态相对定位, 构建了完整的北斗高填方变形监测软硬件系统。该系统采用基于贯序极限学习机的卫星信号周跳探测与修复方法进行数据预处理, 并利用基于卫星历元数的分层置信滤波算法对静态相对定位结果进行修正, 提高了定位结果的准确性和可靠性。通过自制的精度测试装置, 以百分表和钢尺测量的位移变化量为相对真值, 完成了上述变形监测系统的精度试验。试验结果表明:该系统的 RTK 高程测量精度优于 2 cm, 静态高程测量精度优于 2 mm, 静态水平位移测量精度优于 1.5 mm, 可有效抑制卫星信号周跳和卫星历元数量较少等因素的影响。关键词： 载波相位; 差分定位; 精度分析; 高填方; 变形监测; 作者简介：杜伟飞 (1985-) , 男, 山西太原人, 工程师, 硕士, 主要从事岩土工程监测技术研究。E-mail:441976250qq.com收稿日期：2016-12-14基金：国家科技支撑计划项目 (2013BAJ06B00) The Application of BDS Carrier Phase Diff-Positioning Technology for the Deformation Monitoring of High Fill EmbankmentDU Weifei ZHANG Jiwen XIA Na ZHENG Jianguo YU Yongtang ZHANG Huihai China JK Institute of Engineering Investigation and Design Co.Ltd; Hefei University of Technology; Abstract： The applications of Bei Dou Navigation Satellite System II ( BDS) carrier phase diff-positioning methods for the deformation monitoring of high fill embankment, including Real Time Kinematic ( RTK) and static relative positioning, were studied in this paper. A comprehensive monitoring system was constructed in order to improve the accuracy and reliability of the results. Firstly, a method of detection and correction of satellite signals based on the OS-ELM ( Online-Sequential Extreme learning Machine) was used for pretreating data. Afterwards, according to the epoch number of received satellite observation data, a layered-belief data filtering algorithm was proposed to ensure the positioning accuracy. The accuracy tests of the above deformation monitoring system were finished by using the homemade testing devices. In the tests the relative true displacement changes were measured by the dial indicator and steel ruler. The results show that the monitoring system can effectively reduce the influence of the satellite signal cycle slips and epoch numbers on the deformation monitoring results. The precision of vertical displacements derived from RTK is better than 2 cm. On the other hand, the precision of displacements derived from static relative positioning are better than 2 mm and 1.5 mm for the vertical and horizontal components, respectively.Keyword： carrier phase; differential positioning; precision analysis; high fill embankment; deformation monitoring; Received： 2016-12-14丘陵沟壑区高填方工程的工后沉降监测对于后续工程建设规划具有重要意义。目前, 利用水准仪进行人工测量等传统监测方法, 对填筑面积较大的场区很难实现短周期连续监测。卫星定位技术、计算机技术、无线通讯技术和数据管理技术的快速发展和高度整合运用为解决全天候的连续沉降监测难题提供了可靠的技术支撑。其中, 卫星定位精度、服务能力是核心问题。我国自主研发建设的北斗卫星导航系统 (BDS) 已具备全天时定位、导航、授时服务能力, 定位精度与 GPS 已处于同一量级, 在国防建设、森林防火、抗震救灾、交通及水利等行业发挥了重要作用1-6。更多研究成果均表明北斗导航系统的定位精度在不断提高7-8, 已基本能满足许多变形监测工程的需要;关于北斗系统在地灾监测和公路边坡位移监测等方面的应用研究均有报道9-11, 但对于监测系统的观测精度均未做具体研究介绍。此外, 北斗卫星导航系统在高填方沉降监测方面的应用研究也鲜有报道。本团队依托某黄土高填方工程, 研究、设计和建设了基于北斗载波相位差分定位的高填方变形监测系统 (简称北斗变形监测系统) 。通过自制的精度测试装置进行了大量的变形测量精度试验和工程应用, 得出了该系统在该地区的 RTK、静态测量精度及其适用范围, 为该系统在同类工程中的推广应用提供了参考。1 北斗变形监测系统建设1.1 集成的北斗监测设备本团队集成开发的北斗监测设备包括北斗双频接收机和天线、数传电台、无线数据传输模块 (DTU) 、太阳能板、蓄电池及其控制器以及封装机壳等。集成后的北斗监测设备如图 1 所示。其中, 北斗板卡和天线分别采用上海司南公司的 K505 GNSS 板卡和 AT300 测量型天线;DTU 采用 ZSD3110 GPRS 模块;发射电台 (基准站) 及接收电台 (监测站) 采用 TRP 收发电台、RXO 单收电台。硬件集成后构建的基准站安装于地质结构稳定、顶部开阔、无施工扰动的山体地表;监测站安装于填土厚度大且顶部开阔的填筑体表面。图 1 集成开发的监测站设备 下载原图基准站利用北斗接收机接收北斗卫星信号, 一方面将差分数据通过数传电台发送到监测站进行实时差分计算以得到监测站的 RTK 定位结果;另一方面将卫星信号的载波相位等原始观测数据通过 DTU 发送到远程监测中心, 供静态相对定位解算用。监测站同样接收北斗卫星信号, 一方面与基准站发来的差分数据进行RTK 定位计算;另一方面将 RTK 定位结果和自身采集的卫星信号载波相位一并通过 DTU 发送至远程监测中心。远程监测中心是具有固定 IP 地址的网络服务器, 可以收集基准站和监测站发来的数据。一方面将收到的监测站 RTK 定位结果进行动态显示;另一方面综合基准站和监测站长时间大量的载波相位数据进行静态相对定位解算, 以得到更高精度的定位结果作为高填方变形监测的主要依据。1.2 监测中心软件北斗变形监测系统远程监测中心软件是一个可视化的监控平台 (见图 2) 。主要由网络通信模块、算法解算模块、数据库存储管理模块和变形观测用户操作界面模块等四大模块组成。图 2 监测中心软件功能界面 下载原图算法解算模块是保障系统监测精度的关键。首先利用基于贯序极限学习机的卫星信号周跳探测与修复方法12完成卫星信号的周跳测探与修复, 确保算法初始化解算时使用的载波相位数据为无周跳的数据;然后建立载波相位双差观测方程, 求解基准站与监测站之间基线的双差整周模糊度候选解;最后使用 ratio 检验法判断整周模糊度是否可靠, 将通过 ratio 检验法的整周模糊度代回方程求解基线矢量, 结合基准站的已知坐标得到监测站的高精度坐标, 完成静态相对定位解算过程。参与计算的历元数量越多定位精度越高。1.3 分层置信的数据滤波算法北斗变形监测系统基于全天 24 h 采集的全部历元数据进行静态相对定位解算, 得出一个高程定位结果。由于工程应用过程中现场监测设备采用太阳能供电, 因此在长时间阴雨天气情况下, 设备会遭遇供电时间不足甚至停电, 导致北斗设备单日采集的卫星历元数据不足甚至为零, 进而无法得到高精度的定位结果。针对以上情况, 根据每天参与静态相对定位解算的历元数量, 给予定位结果不同的置信度。进一步基于置信度以滤波的方式确定每一天的最终静态定位结果, 以保证精确定位的准确性和稳定性。采用分层置信滤波算法处理前后的定位效果如图 3 所示。图 3 采用分层置信滤波算法处理前后的定位效果 下载原图该方法定义为“分层置信的数据滤波算法”。分层置信的数据滤波算法方程为式中: 表示日期 tk的最终静态定位结果;H (t k) 表示日期 tk的原始静态定位结果;B 表示日期 tk的置信度, B 满足下式:2 精度试验及结果分析2.1 试验方法本研究针对北斗变形监测系统进行了观测精度试验。试验包括 RTK 定位精度和静态相对定位精度两部分。试验场地位于延安某高填方工程场地内, 该区域可见北斗卫星数量为 8 颗, PDOP 值小于 32。在 RTK 定位精度试验中, 采用如图4 所示的装置实现北斗天线突然下降 (工况) 和缓慢下降 (工况) 两种工况, 分别模拟现场的突发性地表沉降和快速渐变地表沉降。图 4 RTK 定位精度测试装置 下载原图在工况中, 设置了 6 组不同的突然下降高度, 分别为 6、5、4、3、2 和 1 cm;在工况 2 中, 设置了快速渐变下降速度为平均 25 mm/min。下降过程结束后, 采用钢尺测量和北斗变形监测系统两种测量方法同步完成对北斗天线高程变化的实时观测, 钢尺测量精度为 1 mm。图 5 静态定位精度测试装置图 下载原图在静态相对定位精度试验中采用如图 5 所示的装置13, 实现北斗天线和百分表的同步竖向位移并通过百分表准确测量北斗天线的真实沉降量, 百分表测量精度为 0.01 mm。通过每天调整北斗天线下降幅度, 得出北斗变形监测系统的沉降测量精度指标。此外, 将图 5 所示的装置进行 90°转置改进, 完成了北斗变形监测系统的水平位移测量精度试验。2.2 精度试验结果分析2.2.1 RTK 定位精度图 6 给出的是 RTK 定位精度试验工况的试验结果。可见, 在北