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原文传递基于GNSS的大型土木工程结构变形监测信号滤波降噪算法研究

论文题名：	基于GNSS的大型土木工程结构变形监测信号滤波降噪算法研究
关键词：	大跨度桥梁;结构变形监测;GNSS;多路径误差模型;信号滤波;降噪算法
摘要：	针对大型土木工程结构（如大跨度桥梁、超高层建筑等）开展动态变形监测，能够实时了解结构运营状态，及时发现异常变形，这对于保证结构安全运营和防灾减灾有着重要的现实意义。基于全球导航卫星系统(GlobalNavigationSatelliteSystems,GNSS)监测大型土木工程结构变形具有诸多优势和广泛前景。然而，当前GNSS结构变形监测应用仍存在若干问题：1）GNSS监测精度受背景噪声影响；2）现有的GNSS信号滤波降噪算法缺乏针对不同场景和结构的适用性研究；3）当前常用的GNSS实时动态差分技术(RealTimeKinematic,RTK)存在因信号差分解算不利和基站布设困难导致的监测瓶颈。鉴于此，亟待进一步完善和改进GNSS信号滤波降噪算法，并发展新技术作为GNSS-RTK的补充替代，以此来推进GNSS技术在结构变形监测领域的应用和发展。本文基于RTK和精密单点定位(PrecisePointPositioning,PPP)技术开展了GNSS结构变形监测和信号滤波降噪算法研究，主要工作和创新如下：　　（1）分析了GNSS监测精度和背景噪声的时频特性，旨在为GNSS信号滤波降噪算法的应用和改进提供依据。选择水泥地、草地、水域、高压电和受遮挡阳台5种环境开展GNSS-RTK稳定性试验，并开展了不同振幅和频率的GNSS-PPP往复振动试验。结果表明：GNSS-RTK背景噪声主要成分为低频高能量的多路径误差和频域内均匀分布的仪器内部白噪声，多路径误差主要分布在0.04Hz的频域范围内；GNSS-PPP背景噪声频谱分布与GNSS-RTK基本一致，但其低频噪声更大。　　（2）多路径误差是GNSS-RTK和GNSS-PPP的主要误差来源且具有周期重复特性，针对GNSS连续多天定点监测应用场景，提出了一种自适应噪声完备集合经验模态分解与基于标准差修正的主成分分析相结合的多路径误差提取方法，简称CEEMDAN-sPCA。采用所提算法从仿真信号和GNSS-RTK实测信号中成功提取公共多路径误差，结果表明：CEEMDAN-sPCA可有效分离白噪声分量，并且修正了主成分分量与真实分量的幅值差异。与单一算法相比，CEEMDAN-sPCA联合算法能够更为有效的提取多路径误差模型。　　（3）针对GNSS-RTK应用于桥梁实时变形监测时的背景噪声干扰，提出了改进的CEEMDAN与小波包阈值降噪相结合的联合降噪算法，简称改进CEEMDAN-WPT。算法改进之处在于：1）采用相关系数、有效系数和功率谱密度函数三重阈值筛选真实IMF分量；2）通过信号仿真的方式确立了WPT小波基函数和分解层数的最优组合。采用改进CEEMDAN-WPT处理GNSS-RTK桥梁实测信号，结果表明：改进CEEMDAN-WPT可有效削弱GNSS-RTK背景噪声。此外，GNSS-RTK信号提取的海河大桥结构振动基频为0.369Hz，与加速度计实测结果一致。上述研究证实GNSS-RTK技术结合改进CEEMDAN-WPT降噪算法可有效提取桥梁结构在环境激励下的动力特性。　　（4）针对GNSS-RTK信号差分解算不利导致的监测瓶颈，将GNSS-PPP应用于超高层结构水平动态变形监测。针对GNSS-PPP背景噪声干扰，提出了改进巴特沃斯-CEEMDAN联合滤波算法，并基于最大相关系数对齐巴特沃斯低通滤波前后的信号以消除时间滞后效应。采用改进巴特沃斯-CEEMDAN算法处理GNSS-PPP结构实测信号，结果表明：改进巴特沃斯-CEEMDAN可有效削弱GNSS-PPP低频噪声。基于GNSS-PPP降噪信号提取的结构自振基频为0.1586Hz，与GNSS-RTK监测结果、有限元分析结果和过往监测结果相差不大。上述研究证实GNSS-PPP技术结合改进巴特沃斯-CEEMDAN滤波算法可有效提取超高层结构的水平动态变形。
作者：	于丽娜
专业：	土木工程
导师：	熊春宝
授予学位：	博士
授予学位单位：	天津大学
学位年度：	2022