全球導航衛星系統-動態后處理技術在強夯夯沉量監測中的應用

朱耀杰, 張曉明, 耿煜琛

(中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室, 太原 030051)

強夯法是20世紀60年代末出現的一種地基加固方法,由法國工程師梅那(Menard)首創,是目前最常見的地基加固方法[1]。依照強夯地基處理技術規程，地基夯實度是強夯地基處理質量檢測和驗收的重要技術指標，決定著整個工程的質量，因此對夯沉量的精確測量顯得尤為重要。

目前，強夯地基處理過程中普遍依靠監理和施工人員使用人工水準儀進行夯沉量測量，測量設備信息化程度低，不具備實時監測與數據回傳功能，效率低精度差；測量時需要多人配合且存在較大的安全隱患，施工參數受人為因素干擾大，結果復現性差，且不可追根溯源，不便于強夯施工遠程電子化管理與監管。采用超聲波或激光測距等非接觸方式進行測量，受惡劣的施工環境以及強振動、高溫、大霧、多塵等因素影響，無法長時間進行高精度測量[2-3]。

近年來，中外學者借助傳感器技術、全球導航衛星系統(global navigation satellite system，GNSS)技術、通信技術、云計算等新興技術對夯沉量的測量進行了深入研究。這些研究有力地推動了強夯施工信息化技術的快速發展。國外出現了應用于快速夯擊過程中的可自動記錄貫入深度、夯擊次數等參數的車載夯擊監控系統。張青蘭[4]利用壓力傳感器、接近傳感器與光電編碼器等實現了夯擊深度的自動檢測。詹金林[5]提出了基于全球定位系統(global positionmg system,GPS)的強夯施工信息管理系統的設想，但未見該系統的工程應用。

隨著中國基礎工程設施建設的持續增加,強夯法必將在地基處理中得到更加廣泛的應用，為改變現有測量方式的痛點，亟需出現低成本、低功耗、小體積、高精度的夯沉量信息化監測設備，完成強夯施工高過載環境下對夯沉量長時間高精度以及高信息化程度的直接測量。鑒于此，現提出利用載波相位差分技術測量夯錘夯擊前后相對地面的位移量(即夯沉量)的技術設想。開展基于動態后處理 (post processed kinematic，PPK)技術和遠程無線電(long range radio，LoRa)技術的強夯夯沉量監測方法的研究，并從系統構建和實驗兩方面進行說明驗證。

1 PPK技術監測夯沉量的原理

1.1 PPK測量基本原理

PPK技術是基于載波相位差分進行事后差分的GNSS應用技術，其是在載波實時差分定位(real-time kinematic，RTK)技術的基礎上衍生出的。與RTK測量技術不同的是，由于是進行事后處理，PPK測量時基準站無需建立實時通信鏈路給移動站傳輸差分信號，該優點使得PPK測量技術更適用于低功耗、小體積的應用場景。PPK測量技術是在一定范圍內布設基準站GNSS接收機和移動站接收機，同步對GNSS衛星進行觀測，事后通過計算機數據處理軟件將基準站與移動站數據進行線性組合，利用虛擬載波相位觀測值求出基準站與移動站之間各個時刻的基線，引入基準站的已知坐標，實現對移動站三維坐標的高精度定位[6-7]。

通過快速動態逼近法求解整周模糊度實現對移動站的高精度定位。載波相位測量的位置方程[8]表示為

(1)

圖1 PPK監測工作原理

1.2 夯沉量監測系統的工作原理

強夯施工時夯錘從靜止提升到下落看作一次完整的夯擊動作，夯擊前后夯錘的高度位置變化量即為夯錘的單擊沉降量。因此，可忽略夯錘提升與下落過程中的高度，重點對夯擊前后靜止狀態下的夯錘高度進行精確測量。RTK測量技術在基準站與移動站之間通過大功率電臺進行差分數據傳輸[9-10]，考慮到夯沉量監測對系統實時性要求不高以及低功耗設計的要求，選用PPK測量技術實現該方案。圖1為PPK監測工作原理。

基于PPK技術的強夯夯沉量監測系統，固聯于強夯機夯錘上表面的測點終端對導航衛星持續觀測，并通過LoRa無線通信[11]方式實現2～3 km內數據傳輸，將測點終端觀測數據回傳給數據處理中心，為了提高工作效率，測點終端僅輸出原始觀測數據；同時基準站串口傳輸其原始觀測值與星歷文件給數據處理中心，數據處理中心將測點終端與基準站的觀測信息進行差分組合運算，通過引入基準站的已知坐標進行絕對定位，得到夯錘的高精度測量值。事后PPK的解算方案可滿足一個基站對多個測點終端。為了實現低功耗的設計，在選用低功耗的硬件設備的同時，根據強夯施工獨有的特點，創造性地利用加速度傳感器來判斷夯錘的狀態，通過閾值的設置實現監測系統的休眠與采集傳輸模式切換。夯沉量監測系統簡要技術路線如圖2所示。

圖2 夯沉量監測系統簡要技術路線

2 夯沉量實時監測系統

2.1 硬件設計

強夯監測系統采用u-blox公司的消費級NEO-M8T多模GNSS模塊來實現PPK算法，其具有高可靠性、高精確度及低功耗的特點。采樣頻率范圍為1～10 Hz，考慮到數據可存儲性以及后期處理的便捷，將模塊輸出數據(觀測數據和星歷文件)格式配置為十六進制的UBX文件，原始觀測數據輸出UBX-RXM-RAWX[12]。通過LoRa協議的無線網絡實現廣域環境下低功耗遠距離的數據傳輸，將測點終端原始觀測數據單向傳輸到數據處理中心。其傳輸距離可以達到3 km，最高通信速率為1 042 bps。主控制器選擇超低功耗的STM32L431單片機，它專為低功耗的應用場景打造。為保證系統的長期運行，在測點終端中集成加速度傳感器，通過實時采集加速度信息，程序設計控制進入休眠模式以降低功耗。基準站通過串口將觀測數據傳輸到數據處理中心。監測系統結構如圖3(a)、圖3(b)所示。

強夯的高動態環境決定了測點終端必須具備抗高過載能力，必須通過多重防護技術來提高其在惡劣環境下的生存能力。選用硬鋁制作測點終端系統結構，同時采用聚氨酯和環氧樹脂對殼體內部空間進行填充，極大地提高系統的抗振動沖擊性能。

2.2 低功耗方案設計

為降低系統整體功耗，利用測點終端內的加速度傳感器實時采集當前加速度值，通過采集加速度值并設置閾值來控制系統不同工作模式的轉換。系統上電后，初始化配置完成，采集當前夯錘位置信息，通過LoRa模塊發送數據到數據處理中心，數據傳輸完成后系統進入休眠模式。根據強夯施工特點可知夯錘從高處下落夯擊瞬間會產生較大的加速度，即此時夯錘已經完成一次夯擊，若當前加速度值高于設定的閾值則監測系統自動喚醒，開始采集當前夯錘位置信息，并進行數據傳輸。低功耗設計方案流程如圖4所示。

UART為通用異步收發傳輸器；LPUART為低功耗通用異步收發傳輸器；SPI為串行外設接口

圖4 低功耗設計方案流程

3 系統性能測試

3.1 測量精度測試

測量精度是監測系統的重點關注指標，其決定了能否在強夯施工中使用。選擇在開闊無大型建筑物遮擋區域進行測試，布設基站與測點終端，基線長度196.5 m，監測系統設置進行GPS/BDS(BDS為北斗衛星導航系統)組合定位，采樣率為1 Hz，天線為高精度GNSS測量天線，在GPS/BDS組合定位中，18 s左右即可實現模糊度固定，測試時間350 s。實驗表明在短基線條件下系統精度達到毫米級，ENU(東-北-天)方向上的精度分別為3.8、4.6、8.8 mm，圖5給出了ENU方向上的定位誤差曲線。

圖5 ENU方向定位誤差曲線

為更客觀地反映監測系統在強夯施工環境下的監測精度，利用上述部署的測點終端與基準站進行觀測，模擬強夯施工夯沉量的變化。基準站狀態保持不變，測點終端模擬夯沉變化情況，將其在高程方向逐次下降不同的高度；在測點終端進行監測的同時，對模擬下降的高度進行精確測量，通過人工測量數據來表征強夯監測系統的外符合精度。圖6給出了測點終端高程方向位移曲線(高度為測點終端的經緯高度)。表1統計了測點終端測量與人工測量高程方向的位移變化。

3.2 功耗測試

低功耗的方案是監測系統長期運行的保障。

圖6 測點終端高程方向位移曲線

表1 兩種手段高程方向位移統計結果

對采集傳輸以及休眠模式下的功耗進行測試。節點可充電鋰電池額定工作電壓為7.4 V，容量3 000 mA·h。對不同模式下的節點電流測量，多次測量取平均值。休眠模式下電流為0.13 mA，采集傳輸模式下電流為32.6 mA。按強夯施工每天10 h的工作時間來算，監測系統一天的電量消耗為327.82 mA·h，工作的總時長為3 000÷327.82=9.15 d。

3.3 強夯現場實驗

為了分析強夯監測系統在實際強夯施工中的精度與可靠性，在山西省太原市某項目部進行了強夯實測實驗，實驗強夯機夯擊能量為6 000 kN·m，錘高2.05 m，夯錘落距9 m。在強夯監測系統工作的同時，監理人員采用水準儀測量每一次夯擊的夯沉量。

強夯施工現場如圖7所示，圖8為夯沉量監測終端。

圖7 強夯施工現場

表2 監測系統和水準儀監測結果對比

圖8 夯沉量監測終端

選取強夯實驗的一處夯點結果進行對比分析。由表2監測系統和水準儀監測結果對比數據可知相對誤差小于10%，且二者測量結果偏差較小，依照強夯地基項目的檢查驗收標準，監測系統能夠滿足強夯夯沉量的監測需求。

4 結論

針對強夯施工夯沉量測量存在的監測精度低、信息化程度低等痛點問題，提出將PPK技術和無線遠距離傳輸技術相結合，實現了對夯沉量的高精度廣域GNSS實時監測。與常規夯沉量測量方法相比，提高了施工效率，實現了對強夯施工信息的實時、自動、高精度采集。所設計的監測系統可在惡劣環境下長期可靠運行，具有低成本、小體積、高可靠性等優點。可為下一步大范圍普適性GNSS夯沉量監測技術推廣提供支撐。