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摘 要： 摘要：GPS動(dòng)態(tài)后處理技術(shù)是利用GPS進(jìn)行建筑測(cè)量的作業(yè)模式之一，其采用快速求解全周期模糊度的技術(shù)，通過先進(jìn)的內(nèi)業(yè)處理軟件進(jìn)行平差求中誤差，可將精度提高到毫米級(jí)。PPK測(cè)量模式作業(yè)半徑可達(dá)50 km，不需要在基準(zhǔn)站與移動(dòng)站間傳輸數(shù)據(jù)，也不需電臺(tái)實(shí)時(shí)傳輸
摘要：GPS動(dòng)態(tài)后處理技術(shù)是利用GPS進(jìn)行建筑測(cè)量的作業(yè)模式之一，其采用快速求解全周期模糊度的技術(shù)，通過先進(jìn)的內(nèi)業(yè)處理軟件進(jìn)行平差求中誤差，可將精度提高到毫米級(jí)。PPK測(cè)量模式作業(yè)半徑可達(dá)50 km，不需要在基準(zhǔn)站與移動(dòng)站間傳輸數(shù)據(jù)，也不需電臺(tái)實(shí)時(shí)傳輸，數(shù)據(jù)均為事后處理，而且測(cè)量周期短，可滿足超高層建筑施工中的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)和軸線控制網(wǎng)的檢核。
關(guān)鍵詞：GPS動(dòng)態(tài)后處理;超高層建筑施工;建筑測(cè)量;控制網(wǎng)檢核
1 概述
GPS(Global Positioning System，全球衛(wèi)星定位系統(tǒng))以其高精度、選點(diǎn)靈活、全天候、自動(dòng)化、高效率、不間斷等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于工程測(cè)量領(lǐng)域。GPS測(cè)量的作業(yè)模式是指利用GPS定位技術(shù)，確定觀測(cè)站之間相對(duì)位置所采用的作業(yè)方式。它主要由GPS接收設(shè)備的軟件和硬件來決定，不同的作業(yè)模式，其作業(yè)的方法和觀測(cè)時(shí)間亦有所不同，因此亦有不同的應(yīng)用范圍。GPS常用的作業(yè)模式有靜態(tài)和動(dòng)態(tài)2種，靜態(tài)測(cè)量的原理是在基線的端點(diǎn)上和每個(gè)觀測(cè)點(diǎn)上分別安置1臺(tái)接收機(jī)，多臺(tái)接收機(jī)形成閉合圖形，同步接收4顆以上的衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行觀測(cè)，通過與已知控制點(diǎn)聯(lián)測(cè)進(jìn)行基線解算，求出未知點(diǎn)坐標(biāo)。其優(yōu)點(diǎn)是精度高，可達(dá)到毫米級(jí)，缺點(diǎn)是觀測(cè)時(shí)間長，而且觀測(cè)時(shí)各觀測(cè)站位置不能變動(dòng)，在外界有振動(dòng)干擾的條件下無法進(jìn)行測(cè)量，所以靜態(tài)作業(yè)模式多用于工程測(cè)量中的場(chǎng)區(qū)控制網(wǎng)布設(shè)等領(lǐng)域。
動(dòng)態(tài)測(cè)量也叫實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)技術(shù)(Real Time Kinematic， RTK)，其工作原理是將1臺(tái)接收機(jī)設(shè)置為基準(zhǔn)站，其余接收機(jī)設(shè)置為移動(dòng)站，基準(zhǔn)站與移動(dòng)站接收同一星歷的衛(wèi)星信號(hào)，基準(zhǔn)站將接收的測(cè)量數(shù)據(jù)與已知觀測(cè)值進(jìn)行比較，得到GPS差分改正值，從而解算出各移動(dòng)站的測(cè)量坐標(biāo)[1] (圖1)。
RTK測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)是觀測(cè)時(shí)間短，觀測(cè)點(diǎn)有振動(dòng)干擾時(shí)仍然可以測(cè)量出點(diǎn)位固定解坐標(biāo)，缺點(diǎn)是測(cè)量精度較弱，而且移動(dòng)站必須與基準(zhǔn)站有通信連接，若連接信號(hào)受阻則無法測(cè)量，測(cè)量距離較短，一般在5 km以內(nèi)。RTK作業(yè)模式多用于工程測(cè)量領(lǐng)域中的土方測(cè)量、場(chǎng)地紅線標(biāo)底、工程樁放樣及道路邊線定位等一些精度要求不高的點(diǎn)位放樣測(cè)量中。
GPS動(dòng)態(tài)后處理簡稱PPK(Post Processing Kinematic)，是近幾年才出現(xiàn)的GPS作業(yè)模式，其實(shí)質(zhì)是對(duì)RTK作業(yè)模式的一種改進(jìn)，它的操作系統(tǒng)也是由基準(zhǔn)站和移動(dòng)站組成，但是基準(zhǔn)站和移動(dòng)站之間無需電臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)連接，對(duì)外業(yè)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理便可以得到厘米級(jí)的基準(zhǔn)站和移動(dòng)站間的數(shù)據(jù)。此種方法同樣具有RTK外業(yè)測(cè)量上的優(yōu)勢(shì)，而且測(cè)量距離更遠(yuǎn)，普遍應(yīng)用于橋梁以及高聳建筑物的結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)中[2] 。
2 GPS動(dòng)態(tài)后處理技術(shù)的應(yīng)用實(shí)例
2.1 GPS動(dòng)態(tài)后處理技術(shù)配合測(cè)量機(jī)器人對(duì)超高層控制網(wǎng)進(jìn)行校核
以天津周大福金融中心項(xiàng)目為例，該建筑地上結(jié)構(gòu) 100 層，高530 m。核心筒設(shè)計(jì)復(fù)雜、多樣化，核心筒外墻截面及結(jié)構(gòu)形狀分別在13層、33層、43層、73層發(fā)生變化，為減少軸線控制網(wǎng)的豎向傳遞累積誤差，須階段性地對(duì)引測(cè)的控制網(wǎng)進(jìn)行檢核，同時(shí)為便于施工使用，墻體截面發(fā)生變化時(shí)要對(duì)控制網(wǎng)形進(jìn)行轉(zhuǎn)換，同樣為保證精度，對(duì)轉(zhuǎn)換后的控制網(wǎng)也要進(jìn)行檢核，該項(xiàng)目核心筒控制網(wǎng)的檢核層布置如表1所示。
我們以43層和73層為例，假設(shè)43層的軸線控制網(wǎng)已檢核完畢，作為控制網(wǎng)的基準(zhǔn)層，現(xiàn)因施工需要，將控制網(wǎng)引測(cè)到73層樓板，并對(duì)引測(cè)后的控制網(wǎng)進(jìn)行檢核，其具體操作流程如下。
2.1.1 觀測(cè)點(diǎn)位的選擇
首先為排除樓體擺動(dòng)對(duì)觀測(cè)結(jié)果的影響，我們?cè)?3層架設(shè)GPS基準(zhǔn)站，73層架設(shè)流動(dòng)站，即使有晃動(dòng)，基準(zhǔn)站與流動(dòng)站都在樓體內(nèi)，觀測(cè)過程中也是相對(duì)運(yùn)動(dòng)，故對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的影響可忽略不計(jì)。在樓層結(jié)構(gòu)邊緣做3個(gè)強(qiáng)制對(duì)中器，3個(gè)位置分別為該層水平結(jié)構(gòu)3個(gè)方向，2點(diǎn)之間相互通視，選擇在樓體結(jié)構(gòu)邊緣布點(diǎn)是為了減少多路徑效應(yīng)對(duì)觀 測(cè)精度的影響。對(duì)中器位置盡量在同一鉛垂線位置，這樣做是為了使衛(wèi)星觀測(cè)角度大致相同，使上、下2層的觀測(cè)點(diǎn)可以觀測(cè)到相同的5顆以上的衛(wèi)星，確保整周期模糊度(圖 2)。
2.1.2 GPS接收機(jī)的安裝在樓層結(jié)構(gòu)邊緣安置強(qiáng)制對(duì)中裝置，將GPS接收機(jī)安置在強(qiáng)制對(duì)中裝置上，并整平(圖3)。
2.1.3 PPK外業(yè)數(shù)據(jù)采集
在外業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集時(shí)，以每兩個(gè)接收機(jī)為一組進(jìn)行觀測(cè)，即以43層基準(zhǔn)站的GPS接收機(jī)與73層對(duì)應(yīng)的流動(dòng)站接收機(jī)為一組進(jìn)行觀測(cè)。在外業(yè)數(shù)據(jù)采集過程中，應(yīng)時(shí)刻觀察基準(zhǔn)站與流動(dòng)站衛(wèi)星數(shù)據(jù)變化，手簿轉(zhuǎn)換到衛(wèi)星星歷界面，查看衛(wèi)星顆數(shù)及連接狀態(tài)，采用對(duì)講機(jī)保持43層與 73層測(cè)量人員實(shí)時(shí)通話，了解雙方衛(wèi)星數(shù)據(jù)變化，如衛(wèi)星數(shù)據(jù)不一致或斷開，應(yīng)重新采集外業(yè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。
2.1.4 PPK內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理
在進(jìn)行數(shù)據(jù)后處理之前，在43層強(qiáng)制對(duì)中裝置上安裝棱鏡組，采用Leica Robot60型測(cè)量放線機(jī)器人，使用儀器任意架設(shè)定向、自動(dòng)搜索棱鏡的方法測(cè)出43層3個(gè)對(duì)中器位置的坐標(biāo)。
之后使用LEICA Geo office內(nèi)業(yè)處理軟件，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，解算出各組移動(dòng)站的點(diǎn)位坐標(biāo)，最后將所有的GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行整體平差。
2.1.5 利用測(cè)量機(jī)器人測(cè)量控制網(wǎng)點(diǎn)坐標(biāo)并進(jìn)行檢核
根據(jù)解算的GPS點(diǎn)坐標(biāo)，采用智能型全站儀后方交會(huì)法設(shè)站，測(cè)量各控制網(wǎng)點(diǎn)的坐標(biāo)(圖4)。
待各樓層控制網(wǎng)的坐標(biāo)測(cè)量完畢后，將相應(yīng)的點(diǎn)位坐標(biāo)進(jìn)行比對(duì)，達(dá)到檢核點(diǎn)位誤差的目的。當(dāng)坐標(biāo)差值≤3 mm時(shí)認(rèn)為控制網(wǎng)引測(cè)滿足精度要求，否則重新引測(cè)。
2.2 GPS動(dòng)態(tài)后處理在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用
2.2.1 結(jié)構(gòu)健康體系監(jiān)測(cè)簡介
結(jié)構(gòu)健康體系監(jiān)測(cè)(Structural Health Monitoring，簡稱 SHM)是指利用現(xiàn)場(chǎng)的無損傳感技術(shù)，通過包括結(jié)構(gòu)響應(yīng)在內(nèi)的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)特性分析，達(dá)到監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)損失或退化的目的。其基本思想是通過測(cè)量結(jié)構(gòu)在超常荷載前后的響應(yīng)來推斷結(jié)構(gòu)特性的變化，進(jìn)而探測(cè)和評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)的損傷;或者通過持續(xù)監(jiān)測(cè)來發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的長期退化。結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)技術(shù)是要發(fā)展一種最小人工干預(yù)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)的在線實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)、檢查和損傷探測(cè)的自動(dòng)化系統(tǒng)。
目前國家對(duì)重大工程的結(jié)構(gòu)性能越來越重視，因此，對(duì)結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)和診斷，從而及時(shí)發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的損傷，并評(píng)估其安全性，預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)的性能變化和剩余壽命，適時(shí)做出維護(hù)決定，對(duì)提高工程結(jié)構(gòu)的運(yùn)營效率，保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全具有極其重大的意義，已成為現(xiàn)代工程越來越迫切的要求，也是土木工程科學(xué)發(fā)展的一個(gè)重要領(lǐng)域。
2.2.2 GPS動(dòng)態(tài)后處理技術(shù)在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中的優(yōu)點(diǎn)
近幾年隨著整周期模糊度在航解算問題的解決，GPS 技術(shù)在大型土木工程結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域得到了快速的發(fā)展與應(yīng)用。與傳統(tǒng)方法相比，GPS中的動(dòng)態(tài)后處理技術(shù)具有以下幾方面的優(yōu)勢(shì)[3-5] ：
1)全天候作業(yè)，GPS觀測(cè)工作可以在任何時(shí)間、地點(diǎn)連續(xù)地進(jìn)行。
2)各監(jiān)測(cè)站間無需通視，是互相獨(dú)立的觀測(cè)值。
3)定位精度高。
4)觀測(cè)時(shí)間短，可以根據(jù)工程需要自行設(shè)置觀測(cè)頻率與時(shí)間。
5)通過外業(yè)觀測(cè)，軟件處理后能直接查看三維坐標(biāo)，減少工作量，提高了測(cè)量的精度。
6)操作便捷。GPS測(cè)量的自動(dòng)化程度高，觀測(cè)人員主要任務(wù)是安裝并開關(guān)儀器、量取儀器天線的高度和監(jiān)測(cè)儀器的工作狀態(tài)，而其他的觀測(cè)工作，如衛(wèi)星的捕捉、追蹤、觀測(cè)均由儀器自動(dòng)完成，故用戶可以方便地把GPS健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建成無人值守的自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。
2.2.3 GPS動(dòng)態(tài)后處理的應(yīng)用
超高層由于其結(jié)構(gòu)本身的特殊性及復(fù)雜性，在施工過程中，受外界不利因素等影響，如建筑在載荷、強(qiáng)風(fēng)、溫度變化以及地震等外界因素的影響下，樓體會(huì)發(fā)生振動(dòng)變形及緩慢的變化。這些因素都時(shí)時(shí)刻刻地影響著超高層施工的安全性，若發(fā)生破壞，所造成的經(jīng)濟(jì)損失和對(duì)社會(huì)的沖擊也是巨大的，因此對(duì)超高層實(shí)施結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)是十分重要的，并且也是今后重點(diǎn)工程及特殊性工程所必須監(jiān)測(cè)的一項(xiàng)重要內(nèi)容。
利用GPS動(dòng)態(tài)后處理進(jìn)行超高層結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的步驟為：
1)選擇一開闊場(chǎng)地，并做一個(gè)半永久性強(qiáng)制對(duì)中觀測(cè)墩。
2)在觀測(cè)墩處安裝GPS基準(zhǔn)站。
3)在超高層結(jié)構(gòu)施工頂層選擇安裝強(qiáng)制對(duì)中器，架設(shè) GPS流動(dòng)站。
4)按照PPK外業(yè)數(shù)據(jù)采集流程操作，采集結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，根據(jù)觀測(cè)需要，自行設(shè)置觀測(cè)時(shí)間。
5)根據(jù)內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理流程，處理結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。 6)根據(jù)Leica Geo軟件處理后的數(shù)據(jù)，分析結(jié)構(gòu)變化情況。對(duì)超高層結(jié)構(gòu)施工進(jìn)行有效的指導(dǎo)，避免因結(jié)構(gòu)變化過大及突變或未及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題等造成安全隱患及經(jīng)濟(jì)損失。
3 結(jié)語
GPS動(dòng)態(tài)后處理技術(shù)是基于GPS全球定位系統(tǒng)的一種測(cè)量方法，其能更加靈活地滿足超高層控制點(diǎn)校核與監(jiān)測(cè)要求，且相對(duì)于原始的測(cè)量方法更加便捷，也能相對(duì)提高測(cè)量效率，減少了其他條件對(duì)GPS測(cè)量的限制，在超高層施工中值得更加廣泛的推廣及應(yīng)用。
