基于北斗网络RTK的桥梁监测关键技术.pdf

铁道勘测与设计 RAILWAY SURVEY AND DESIGN 2023（4）200 引言高 精 度 实 时 定 位 技 术（Real-time Kinematic,RTK）作为 GNSS 技术的一种扩展应用，可以在厘米级别实现精确测量，因此在高精度定位领域具有广泛应用。网络 RTK 在 RTK 的基础上，利用网络通信技术，实现了对移动站接收器的高精度校正数据的远程传输和处理，目前已成为高精度测量领域的主流技术之一。已有研究利用多基站数据和差分技术，实现了高精度、实时的北斗网络 RTK 解算。高星伟等介绍了网络 RTK 算法的基本流程，对网络 RTK 模糊度固定、误差估算等算法进行了研究，给出了网络 RTK的定位结果1-2。唐卫明等提出了一种新的由宽巷模糊度、窄巷模糊度到原始载波模糊度逐步固定地确定基准站间的双差模糊度的三步法，并用实例证明了该方法确定基准站模糊度速度快、可靠性高的特点3。高旺等提出了一种基于北斗三频宽巷组合的网络 RTK单历元定位方法，并通过实验证明该方法在解算准确率和定位精度均有明显优势4。近年来，桥梁健康监测技术逐渐成为了智慧交通领域的研究热点。北斗卫星导航系统作为我国自主研发的卫星导航系统，具有全球覆盖、多系统互操作等优点，被广泛应用于桥梁健康监测中。和永军等人讨论了北斗和 GPS 系统在桥梁健康监测中的应用，旨在提高桥梁的安全性和可靠性5。彭振中等人讨论了北斗与 GPS 集成的高精度定位技术在实际工程中的推广和应用前景6。李鹏分析了北斗定位技术在桥梁变形监测中的优势，证明 BDS 相对定位精度略优于GPS，定位精度可稳定在厘米级7。尽管相关技术已经取得了一定的进展，但是北斗桥梁健康监测技术还面临着一些问题和挑战。一方面，目前基于北斗的桥梁健康监测多采用单基站的布设模式，不仅建设成本较高、监测距离受限，而且监测结果受基准站的信号状态影响较大；另一方面，国内网络 RTK 技术研究起步较晚，特别是基于单北斗系统的网络 RTK 技术在实际工程中鲜有应用，这对基于北斗网络 RTK 的桥梁监测关键技术孙亚辉（中铁十八局集团第四工程有限公司 天津 300222）【摘 要】桥梁安全对于交通和社会发展至关重要。为了证明北斗定位技术在工程中自主可靠的应用优势，本文提出了一种基于北斗网络实时动态差分（RTK）技术的桥梁监测方法，重点比较了单北斗系统与 GPS 系统在这一技术中的应用精度。结果表明在组网过程中采用三步法模糊度固定策略对单北斗系统的服务应用具有显著的精度提升，有效抑制了 RTK 用户定位粗差结果，使其定位结果与单 GPS 系统精度相当。在桥梁监测应用中，监测点精度可以达到 E：0.46mm、N：0.72mm、U：2.1mm，证明该方法具有很强的工程应用前景。【关键词】北斗 网络 RTK 桥梁监测 CORS 三步法Key technologies of bridge monitoring based on Beidou Network RTKSUN Yahui(China Railway 18th Bureau Group 4th Engineering Co.,Ltd.Tianjin 300222)Abstract:Bridge safety is very important for traffic and social development.In order to improve the accuracy and efficiency of bridge safety monitoring,a method based on network real-time dynamic difference(RTK)technology is proposed in this paper,and the feasibility of single Beidou system application in this technology is discussed emphatically.In the experiment,the network RTK service of single Beidou system was established based on CORS,and the application accuracy of this method in bridge safety monitoring was verified.The results show that the precision of the single Beidou system is consistent with that of the single GPS system in frame datum construction.The accuracy of the monitoring points can reach E:0.46mm,N:0.72mm and U:2.1mm after the three-step method is used to fix the fuzzy degree stably between the base stations,which proves that the method has a strong engineering application prospect.Key words:Beidou;Network RTK;Bridge monitoring;CORS;Three-step method基于北斗网络 RTK 的桥梁监测关键技术 孙亚辉212023 No.4数据安全性与工程建设的独立自主性都存在较大的考验。因此，本文将重点探讨基于单北斗网络 RTK 技术的桥梁健康安全监测的关键技术以及工程应用的可行性，以期为相关领域的研究者和实践者提供参考和帮助。1 网络 RTK 实时数据处理单北斗网络 RTK 改正数生成主要包括双差电离层延迟改正数、双差对流层延迟改正数转换为单差电离层延迟改正数、单差对流层延迟改正数，单差几何距离改正数计算，卫星星历误差改正数计算，以及虚拟观测值生成和输出。本文对单北斗网络 RTK 数据处理软件进行了开发，处理的观测量包括北斗 L1+L2相位观测值和伪距观测值，观测值定权模型采用高度角定权。详细的数据处理策略如表 1 所示。表 1 GNSS 网络 RTK 数据处理策略类型参数 模型观测值观测量北斗相位观测值和伪距观测值采样率1s信号北斗:B1/B3截止高度角10观测值定权高度角定权误差改正卫星轨道误差BRDC 广播星历电离层延迟误差无电离层组合对流层静力学延迟ITG 模型对流层延迟映射函数GMF 模型卫星相位中心偏差IGS_08 模型接收机相位中心偏差IGS_14 模型参数估计双差整周模糊度Kalman 滤波估计对流层湿延迟Kalman 滤波估计（随机游走）1.1 单北斗网络 RTK 模糊度固定技术单北斗基准站站间模糊度的准确快速固定是网络RTK 实时解算的关键，后续的大气信息提取建模、改正数生成均建立在模糊度固定的基础上。模糊度固定数据处理流程分为三个步骤：步骤一：1、通过 Melbourne-Wbbena 组合进行宽巷模糊度固定。步骤二：2、通过对相位和伪距观测值进行无电离层组合，消去电离层一阶项影响，建立观测方程，通过最小二乘或卡尔曼滤波等方法解算出无电离层组合浮点模糊度及其方差协方差阵。以无电离层延迟组合观测值建立观测方程，消除电离层延迟一阶项的影响，同时添加测站天顶湿延迟待估参数，实时估计对流层延迟。步骤三：3、利用步骤一固定的宽巷整周模糊度和步骤二得到的无电离层组合浮点模糊度，计算出L1 的浮点模糊度及其方差协方差阵，进而固定 L1 整周模糊度。并利用 L1 和宽巷整周模糊度计算出精确的无电离层组合模糊度，进而反算得到精确的位置矢量信息，实现高精度定位。1.2 单北斗网络 RTK 大气误差提取对于 CORS 网内的任意一条基线，在其 L1 和 L2频点双差整周模糊度均已固定的条件下，该条基线所包含的双差电离层延迟可以通过式 1 计算得到：（1）式中，lono 为 L1 频点的双差电离层延迟，f1和 f2为 L1 和 L2 观测值的频率；1和 2为 L1 和 L2观测值波长；1和2为 L1 和 L2 双差载波相位观测值；N1和N2为L1和L2双差整周模糊度。基线的双差对流层延迟Trop 可由无电离层组合模糊度固定过程中解算的对流层延迟湿分量计算得到：（2）在计算得到基线的电离层延迟和对流层延迟后，可以进一步计算基线的残余误差Other，其中对于单北斗观测值而言，计算公式如下：（3）1.3 单北斗网络 RTK 大气误差插值方法对于单北斗网络 RTK 的用户而言，能否实现精确定位的关键是与距离相关的误差能否准确得到。由于电离层延迟误差、对流层延迟误差和综合误差具有较强时空相关性，故基于平面二维坐标线性插值模型，分别内插流动站的以上三种误差，具体内插公式如下：（4）式中，Err 为基线误差，X、Y 为基线东、北方向矢量，D 为基线长，a1、a2为对应的内插系数铁道勘测与设计 RAILWAY SURVEY AND DESIGN 2023（4）22矢量，Errv、Xv、Yv分别为流动站的内插误差、流动站到主站基线的东、北方向矢量。1.4 单北斗网络 RTK 改正数生成VRS 虚拟观测值是由主参考站的单北斗伪距、载波相位观测值、以及各项相关误差组合生成，其计算公式可以表示为：式中，i1,VRS和 i2,VRS为虚拟的卫星 i 播发的 L1 和L2 相位观测值；Pi1,VRS和 Pi2,VRS为虚拟的卫星 i 播发的 L1表 2 低纬地区 CORS 宽巷模糊度固定信息统计表Elevation 0 1010 2020 3030 4040 5050 6060 7070 90总历元数1144075181175486517303472764519666960固定历元数1134074980845486517303472764519666960错估历元数00000000Psf%100.00100.00100.00100.00100.00100.00100.00100.00Pu%0.900.000.400.000.000.000.000.00P f%0.000.000.000.000.000.000.000.00（5）和 L2 伪距观测值；i1,MAS和 i2,MAS为主参考站接收的卫星 i 的 L1 和 L2 相位观测值；Pi1,MAS和 Pi2,MAS为主参考站接收的卫星 i 的 L1 和 L2 载波相位观测值；i1和 i2为导航卫星 i 的 L1 和 L2 观测值波长；Ni1,VRS-MAS和 Ni2,VRS-MAS为主参考站与虚拟参考站站间单差 L1 和 L2 整周模糊度；Gi1,VRS-MAS为主参考站与虚拟参考站的站间单差几何距离改正数；Ionoi1,VRS-MAS和 Ionoi2,VRS-MAS为主参考站与虚拟参考站的 L1 和 L2 站间单差电离层延迟改正数；TropiVRS-MAS为主参考站与虚拟参考站的站间单差对流层延迟改正数；OtheriVRS-MAS主参考站与虚拟参考站的站间单差残余误差改正数；OiVRS-MAS为参考站与虚拟参考站的站间单差卫星星历改正数。2 实验结果与分析2.1 实验描述为了验证三步法模糊度固定策略，实验对我国高纬度地区、中纬度地区以及本文项目所在的中纬地区的 CORS 测站进行了模糊度固定，分析并比较了该方法在不同区域的模糊度固定效率及准确性；其次，实验选用一台 CORS 测站模拟 RTK 用户，比较了传统模糊度固定方法与本项目采用的三步法固定策略下测站的动态单历元模糊度固定结果，分析了两种固定策略对用户定位精度的影响；最后，通过构建的单北斗网络 RTK 技术对桥梁基础中心位置的一台监测站提供差分改正服务，并对监测结果序列进行精度分析，证明了本文提出的基于北斗网络 RTK 的桥梁监测技术的工程应用可行性。2.2 网络 RTK 服务精度分析对我国低纬地区、高纬地区和本文所设项目的中纬地区 CORS 数据进行解算，并固定宽巷模糊度。为验证模糊度固定性能，无论该历元宽巷模糊度是否完全固定，均仅选取 4 组已固定宽巷模糊度，对其余宽巷模糊度进行基于电离层相关性的宽巷模糊度整网固定，并利用事后真值统计固定正确率等信息。由于本方法历元间没有关联，实际为单历元固定方法，故每历元数据结果均可认为是独立。三地区模糊度固定情况统计如表 2 表 4：从表 2 表 4 可以看出，本文使用的固定方法在固定率及正确率上表现极佳，在三地近百万组宽巷模糊度中并未出现错估现象，同时也意味着当本计算单元有超过 4 条基线或 4 座基站宽巷模糊度已固定时，则几乎可以在本历元固定全部宽巷模糊度。为进一步验证该方法的有效性，以及宽巷模糊度最大化固定对用户定位效果的提升，实验使用项目CORS 网中间测站模拟为用户。将不采用本文所提出方法进行解算的过程定义为方法一；采用本文方法进行 CORS 网宽巷模糊度固定的过程定义为方法二。流动站定位模式统一为动态单历元模糊度固定模式，以展示用户端模糊度快速固定的真实表现。基于北斗网络 RTK 的桥梁监测关键技术 孙亚辉232023 No.4图 1 单北斗定位水平方向分布图图 2 单 GPS 定位水平方向分布图图 1 图 3 分别为方法一、方法二对应的单北斗、单 GPS 以及 GPS+北斗双系统定位结果水平方向示意图。可以看出，本文采用的固定策略对三种组合的定位精度有较为明显的提升，主要表现在对部分模糊度错误固定而导致的粗差点进行了较为明显的改善。三步法固定策略对单北斗系统以及 GPS+北斗双系统的定位精度分别提升东向 2mm、北向 4mm以及东向 2mm、北向 1mm，而对单 GPS 定位精度没有明显的提升，表明该方法对北斗数据处理更为有效。同时，三步法对单北斗系统、单 GPS 系统以及GPS+北斗双系统的固定率提升分别为 48.7%、8.8%和 12.8%。2.3 桥梁监测精度分析为验证网络 RTK 技术在桥梁安全监测工程应用中的可行性，实验以置于桥梁基础中心位置的 B026监测点数据为例，以粗差探测法为基础，对单北斗变形监测序列进行粗差探测，结果如图 4 所示：表 3 中纬地区 CORS 宽巷模糊度固定信息统计表Elevation 0 1010 2020 3030 4040 5050 6060 7070 90总历元数64784217544574777065408458600163348144固定历元数62924191144573776695408458600163348144错估历元数00000000Psf%100.0100.0100.0100.0100.0100.0100.0100.0Pu%2.900.600.000.000.000.000.000.00P f%0.000.000.000.000.000.000.000.00表 4 高纬地区 CORS 宽巷模糊度固定信息统计表Elevation 0 1010 2020 3030 4040 5050 6060 7070 900 90总历元数293063576976642746198940494298499316313562固定历元数293060976904642746198940494298499316313464错估历元数000000000Psf%100.0100.0100.0100.0100.0100.0100.0100.0100.00Pu%0.000.100.100.000.000.000.000.000.03P f%0.000.000.000.000.000.000.000.000.00图 3 GPS+BDS 定位水平方向分布图铁道勘测与设计 RAILWAY SURVEY AND DESIGN 2023（4）24图 4 B026 测站粗差探测结果由图 4 可见，实验期间测站坐标在 E 方向和 N方向仅有毫米级动态变化，U 方向波动稍大，但不存在显著变化。明显粗差也能被准确识别，结合卡尔曼滤波算法进行解算将大大提高监测精度。由于实验选取的监测点无基准坐标，因此通过评价内符合精度，以估计的最似然估值为比对基准，通过标准差反映解算坐标序列之间的离散程度，精度评估结果如图 5 所示。图 5 中结果表明实验期间监测点整体误差分布比较符合高斯分布，三维方向标准差统计分别为 E 方向0.46mm、N 方向 0.72mm、U 方向 2.1mm，均保持在毫米级，考虑监测点的实际运动，解算结果十分稳定，证明基于网络 RTK 技术的单北斗监测算法具有很强的工程应用前景。图 5 误差分布直方图3 结语本文研究了基于北斗网络 RTK 技术的桥梁监测技术，并通过实验分析了单北斗数据在网络 RTK 技术中模糊度固定、桥梁变形监测等方面的应用效果。实验验证了三步法模糊度固定策略在单北斗网络RTK 构建中对模糊度固定过程的应用优势，通过对单北斗数据进行处理，分析了该策略在不同应用区域的固定精度以及对 RTK 用户提供服务的应用效果。结果表明，本文采用的固定方法在近百万组宽巷模糊度的实验中固定率及正确率接近 100%。同时，该固定策略对定位精度和固定率均有显著提升，其中北斗系统的固定率提升最为明显。这表明该固定策略可以有效地提高单北斗系统的精度和稳定性。最后，本文分析了北斗网络 RTK 技术在桥梁监测中的应用精度。结果表明监测点整体误差分布符合高斯分布，且三维方向标准差保持在毫米级。这表明该技术在桥梁监测中具有很好的应用前景。本文的研究成果对于推动北斗系统在桥梁监测领域的应用具有一定的参考意义。参考文献1 高星伟,陈 锐志与赵春梅,网络 RTK 算法研究与实验.武汉大学学报(信科版),2009(11).2 高星伟,刘 经南与葛茂荣,网络 RTK 基准站间基线单历元模糊度搜索方法.测绘学报,2002.31(4):第 305-309 页.3 唐卫明等,三步法确定网络 RTK 基准站双差模糊度.武汉大学学报（信息科学版）,2007.32(4):第305-308页.4 高旺等,北 斗三频宽巷组合网络 RTK 单历元定位方法.测绘学报,2015.44(06):第 641-648 页.5 和永军,缪 应锋与刘华,北斗和 GPS 系统在病害影响下桥梁健康监测中的应用.云南大学学报（自然科学版）,2017(s1):第 52-57 页.6 彭振中等,北斗与 GPS 集成的高精度定位及桥梁监测分析.热带地理,2016.36(4):第 717-726 页.7 李鹏,北斗 与 GPS 在桥梁变形监测中的对比分析.北京测绘,2020.34(1):第 92-95 页.收稿日期：2023-5-6