郁 雯 何浩博

(1.河北省土木工程診斷、改造與抗災(zāi)重點實驗室，河北 張家口 075000；2.河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075000；3.中國鐵路設(shè)計集團(tuán)有限公司，天津 300142)

當(dāng)今社會，隨著科技水平的不斷提高，建筑結(jié)構(gòu)監(jiān)測技術(shù)及數(shù)據(jù)處理方法也在不斷革新，除了對傳統(tǒng)的水準(zhǔn)儀、全站儀及加速度計等在監(jiān)測技術(shù)及數(shù)據(jù)處理方法上的探究外，國內(nèi)外學(xué)者也同時對導(dǎo)航系統(tǒng)三維監(jiān)測技術(shù)及濾波去噪技術(shù)進(jìn)行了分析.

伊?xí)詵|[1]、賀志勇等[2]分別以超高層鋼結(jié)構(gòu)建筑及塔高610m的在建電視塔為研究對象，采用基于RTK技術(shù)的GPS導(dǎo)航系統(tǒng)監(jiān)測結(jié)構(gòu)在強(qiáng)風(fēng)作用下的風(fēng)振位移數(shù)據(jù)，并與有限元模擬監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，結(jié)果表明：GPS-RTK技術(shù)實測數(shù)據(jù)與有限元模擬數(shù)據(jù)之間互差僅為8%，具有定位準(zhǔn)，精度高的特點；李宏男等[3]同樣采用GPS-RTK技術(shù)進(jìn)行風(fēng)振監(jiān)測，以顯著水平估計法對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪處理分析得濾波振動曲線，并與有限元數(shù)值分析進(jìn)行對比，結(jié)果表明：濾波技術(shù)在建筑結(jié)構(gòu)風(fēng)振等非線性信號的處理中適用性極高；吉緒發(fā)等[4]為了減小GPS監(jiān)測多路徑誤差對試驗數(shù)據(jù)的影響，對比分析了小波去噪法及Vondark去噪法的作用特性，并詳細(xì)闡述了它們的優(yōu)缺點，結(jié)果表明：兩種去噪方法都可以在一定程度上減小監(jiān)測誤差，其中較小波去噪法，Vondark去噪可以更大程度上接近原始信號，且可以有效避免端部效應(yīng)，但是計算效率較低；黃丁發(fā)等[5]同樣對小波去噪法進(jìn)行了多尺度分解研究，分離出微小振動影響源，從而提高數(shù)據(jù)采集精度；伊廷華等[6]針對GPS監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)異常范圍難確定的問題，基于仿真模型分析提出了一種關(guān)聯(lián)負(fù)選擇檢測算法，結(jié)果表明：該檢測算法可以以較少的檢測器檢測到較大的空間范圍，在很大程度提高了檢測效率.

綜上所述，國內(nèi)外研究學(xué)者關(guān)于導(dǎo)航系統(tǒng)監(jiān)測風(fēng)振響應(yīng)數(shù)據(jù)的方法多數(shù)采用單星系監(jiān)測，且多以GPS監(jiān)測為主，對于數(shù)據(jù)去噪處理也有一定分析，但關(guān)于EMD濾波去噪處理的作用特性分析較少，因此本文以117大廈為風(fēng)振監(jiān)測對象，對比分析了基于GNSS-RTK技術(shù)的多星系組合導(dǎo)航系統(tǒng)的定位監(jiān)測特性，并著重分析了EMD濾波去噪法的作用特性.

1 試驗概況

本文采用現(xiàn)場實測的方法，以中國第一高樓天津高銀117大廈為試驗對象，如圖1大廈立面圖所示，該大廈屬于典型的框架結(jié)構(gòu)，其建造方正對稱，以其總建筑面積84.7萬平方米達(dá)世紀(jì)高樓建筑面積之最，其主體塔樓結(jié)構(gòu)首層建筑面積達(dá)4200m2，并以0.88°漸變角度向上逐層遞減，直至頂層減為2100m2，其地上建筑117層，高度達(dá)596.5m，地下建造有三層地下室結(jié)構(gòu)，成為中國建筑第一高.

本文在大廈核心筒頂層四個角分別布設(shè)1～4號監(jiān)測點，進(jìn)行不同組合星系監(jiān)測其X向及Y向的風(fēng)振響應(yīng)曲線，并通過EMD濾波去噪法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，具體布設(shè)情況如圖1測點平面布設(shè)圖所示.

圖1 117大廈立體圖及測點平面布設(shè)圖

2 GNSS-RTK定位監(jiān)測技術(shù)

2.1 GNSS-RTK定位機(jī)理

GNSS是包括諸如GPS、GLONASS、BDS等眾多導(dǎo)航系統(tǒng)及相應(yīng)增強(qiáng)系統(tǒng)的一種全球衛(wèi)星，其主要組成部分包括用戶設(shè)備、空間星座及平面監(jiān)控等[7-8]，如圖2所示，GNSS技術(shù)定位原理即通過確定各衛(wèi)星空間坐標(biāo)S1(X1,Y1,Z1)、S2(X2,Y2,Z2)、S3(X3,Y3,Z3)及衛(wèi)星與接收機(jī)之間的中心距離ρ1、ρ2、ρ3，同時考慮到多星系導(dǎo)航系統(tǒng)的時間與空間標(biāo)準(zhǔn)存在差異性，因此本文通過等效偽距修正的方法實現(xiàn)時空統(tǒng)一，從而組合導(dǎo)航解算出接收機(jī)所處的位置P(X,Y,Z)[9].

圖2 GNSS定位原理示意圖

RTK技術(shù)原理即通過設(shè)置一臺接收機(jī)作為基準(zhǔn)站和多個接收機(jī)作為移動站，將與基準(zhǔn)站連接好的移動站分別布設(shè)在要進(jìn)行監(jiān)測的測站位置，進(jìn)行實時監(jiān)測時，基準(zhǔn)站與移動站同時接受衛(wèi)星信號，從而獲得各測點實時三維動態(tài)數(shù)據(jù)信息，進(jìn)行統(tǒng)計整理分析.

2.2 GNSS-RTK測量精度及穩(wěn)定性試驗

本試驗主要以最為常見的GPS、GLONASS及BDS導(dǎo)航系統(tǒng)多組合星系監(jiān)測為研究對象，接收機(jī)采用海星達(dá)H32五臺，其中一臺作為基準(zhǔn)站，編號Q，其它四臺作為移動站，分別編號為A、B、C、D，移動站A采用GPS一星系導(dǎo)航監(jiān)測系統(tǒng)；移動站B采用GPS+GLONASS二星系導(dǎo)航監(jiān)測系統(tǒng)；移動站C采用GPS+BDS二星系導(dǎo)航監(jiān)測系統(tǒng)；移動站D采用GPS+GLONASS+BDS三星系導(dǎo)航監(jiān)測系統(tǒng)，各組合星系監(jiān)測系統(tǒng)同時進(jìn)行連續(xù)數(shù)據(jù)采集3000s，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，從而進(jìn)行對比分析，試驗布置現(xiàn)場如圖3所示.

圖3 GNSS-RTK精度試驗布置現(xiàn)場

由現(xiàn)場精度測試試驗得出不同組合星系導(dǎo)航系統(tǒng)的平面中誤差mx與my，高程中誤差mz，PDOP值及衛(wèi)星數(shù)量等，其中PDOP表示位置精度強(qiáng)弱度，其大小可用來評價衛(wèi)星組合分布好壞，其值越小，代表衛(wèi)星組合分布越好，試驗結(jié)果如下表1所示.

表1 不同星系組合試驗數(shù)據(jù)

由表1，隨著星系組合數(shù)的增多，高程中誤差mz及PDOP值不斷減小，衛(wèi)星數(shù)不斷增多，單星系導(dǎo)航系統(tǒng)平面中誤差mx及my相對較大，二星系與三星系組合導(dǎo)航系統(tǒng)平面中誤差mx及my大小差異不大，由此可知，單星系導(dǎo)航系統(tǒng)定位精度最差，三星系組合導(dǎo)航系統(tǒng)相對于單星系或二星系來說，定位精度最高，空間幾何分布最穩(wěn)定，適用性極強(qiáng).

3 EMD濾波去噪技術(shù)應(yīng)用

如圖4所示為GNSS-RTK監(jiān)測技術(shù)中GPS+GLONASS+BDS三星系導(dǎo)航系統(tǒng)測得的測點處X向及Y向的實時振動曲線.

由圖可知，三星系實時振動曲線在X向及Y向振動幅度相當(dāng)，差異性較小，且其振動曲線表示的規(guī)律不太明顯，針對此現(xiàn)象，本文采用基于自相關(guān)函數(shù)的EMD濾波去噪法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，從而進(jìn)行有效的分析.

EMD濾波去噪法對風(fēng)振響應(yīng)等非線性信號采集處理適用性極強(qiáng)，其基本原理即通過將復(fù)雜的信號由高頻到低頻分解為若干個本征函數(shù)，簡稱IMF，然后從這些本征函數(shù)中分離出噪聲，將去噪后的各個分量進(jìn)行重組，即可得到去噪后的信號，具體解算原理如下所示.

(1)對于非線性信號Xi(t)，設(shè)r0=Xi(t)，i=1；

(2)從第i個非線性信號中獲取IMF信號，數(shù)據(jù)處理步驟如下：

①h0(t)=ri(t)，k=1；

②提取hk-1(t)的極大值及極小值序列；

③采用插值法擬合hk-1(t)極值點序列，從而獲得上、下包絡(luò)線值uk-1(t)和vk-1(t)；

④由式mk-1(t)=(uk-1(t)+Vk-1(t))/2計算均值曲線；

⑤計算hk(t)=hk-1(t)-mk-1(t)；

⑥確定是否滿足迭代準(zhǔn)則，若滿足則IMFi(t)=hk(t)，若違背則重復(fù)②～⑥，直至滿足為止；

(3)計算剩余信號：ri(t)=ri-1(t)-IMFi(t)；

(4)若ri(t)的極值點數(shù)>2，則i=i+1，并循環(huán)第(2)步，否則分解結(jié)束，此時ri(t)即為殘余信號分量；

為了驗證基于自相關(guān)系數(shù)的EMD濾波去噪法的適用性，本文對如圖4所示三星系組合導(dǎo)航系統(tǒng)測得的振動信號進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，以X向為例進(jìn)行分析，首先通過解算原理公式確定X向非線性振動信號的分解曲線如圖5所示，然后確定各階IMF分量的歸一化自相關(guān)函數(shù)，以F1～F9表示，X向各IMF分量自相關(guān)函數(shù)如圖6所示.

圖5 X向各IMF分量

圖6 X向各IMF分量自相關(guān)函數(shù)

由圖6發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)1～F5對應(yīng)圖，其均在時間差為零值處取得最大值，而其相鄰時間差位置處F值迅速衰減到特別小，由此可知，F(xiàn)1～F5對應(yīng)階數(shù)在原振動信號中噪聲起主導(dǎo)作用，因此在信號去噪處理過程中，只需要對前五階進(jìn)行去噪處理即可，然后將處理后信號與其余幾乎不受噪聲影響的信號進(jìn)行重組，得到重構(gòu)去噪曲線如圖7所示.

圖7 基于自相關(guān)函數(shù)EMD濾波后振動曲線

由圖7與去噪前的圖4對比發(fā)現(xiàn)，經(jīng)去噪處理后X及Y向的振動曲線的振幅明顯減小，且X與Y向的振動曲線的差異性也更為清晰，即Y向振幅相對X向更小，由此可見EMD濾波去噪法可以很大程度降低試驗數(shù)據(jù)監(jiān)測誤差，提高測量精度，具有極強(qiáng)的適用性.

4 結(jié) 語

(1)基于GNSS-RTK技術(shù)的GPS+GLONASS+BDS三星系組合導(dǎo)航監(jiān)測系統(tǒng)相對于單星系及二星系導(dǎo)航監(jiān)測系統(tǒng)來說有更高的定位精度，更好的穩(wěn)定性，可以很好的應(yīng)用于工程實例.

(2)EMD濾波去噪法是基于數(shù)據(jù)本身去噪處理的一種方法，其計算效率高，與原始信號吻合度高，可以很好的反應(yīng)風(fēng)振等非線性信號的規(guī)律，從而做到有效的分析.