GPS動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)與精度估算

劉心成

摘要：為了驗(yàn)證GPS技術(shù)應(yīng)用于大型建筑物動(dòng)態(tài)變形監(jiān)測(cè)的可行性，本文為此設(shè)計(jì)了動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)方案。從GPS技術(shù)應(yīng)用于建筑物動(dòng)態(tài)變形監(jiān)測(cè)的理論基礎(chǔ)到其實(shí)施方案都作出了詳盡的闡述。最后結(jié)合人民橋GPS監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，介紹了試驗(yàn)的過程、數(shù)據(jù)的處理及結(jié)果的分析，證實(shí)了GPS技術(shù)完全可以應(yīng)用于大中型橋梁的監(jiān)測(cè)，而且相對(duì)于傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)工具GPS具有自身的優(yōu)勢(shì)。關(guān)鍵詞：GPS；變形；橋梁動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)；動(dòng)態(tài)特性；頻譜分析

為了驗(yàn)證GPS動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)在建筑物結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用，選取了我們生活中常見卻十分主要的建筑物——橋梁作為研究對(duì)象進(jìn)行了論證。

橋梁自振特性(自振頻率、振型及阻尼系數(shù))是反映橋梁自身特性和工作狀態(tài)的重要參數(shù)?？⒐蛄涸谕ㄜ囍暗撵o、動(dòng)載試驗(yàn)中，測(cè)定橋梁結(jié)構(gòu)自振特性可以驗(yàn)證理論計(jì)算值。橋梁在運(yùn)營(yíng)期間，或者遭受意外撞擊，或經(jīng)受地震以后，橋梁的工作狀態(tài)有可能發(fā)生改變，通過對(duì)橋梁自振特性變化的監(jiān)測(cè)，可以為確定橋梁運(yùn)行狀態(tài)提供可靠的科學(xué)依據(jù)。

1 試驗(yàn)方案

1.1 激振方法

試驗(yàn)采用環(huán)境激勵(lì)法，即利用地脈動(dòng)、風(fēng)載及行車載荷等隨機(jī)環(huán)境因素作為輸入從而直接獲取結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)來進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。此法較工程界常用的強(qiáng)迫振動(dòng)法的優(yōu)勢(shì)在于：

不需要額外的激振設(shè)備，不影響交通以及適用于橋梁的在線健康監(jiān)測(cè)，因而此法可以大大簡(jiǎn)化動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)的程序以及降低用于激振設(shè)備的巨大費(fèi)用，所以成為目前工程界廣泛采用的激振方法；缺點(diǎn)是輸入能量可能過小，感興趣的高階模態(tài)振動(dòng)不是經(jīng)常能夠激起。

1.2 采樣間隔

用GPS測(cè)定橋梁的自振頻率時(shí)，GPS采樣頻率f，與橋梁最高自振頻率或待定頻率f須滿足奈奎斯(Nyquist)采樣定理：

然而為了使離散的采樣信號(hào)更好的反映真實(shí)的連續(xù)信號(hào)，一般實(shí)際的采樣率設(shè)置為待定信號(hào)最高頻率的4到5倍左右較好。大多數(shù)中大型橋梁的主要的自振頻率區(qū)域在0-2Hz，理論上本次試驗(yàn)GPS的采樣率設(shè)置為10Hz，即采樣間隔為0.1秒。但是由于受學(xué)校儀器限制，本次試驗(yàn)的采樣率設(shè)置為10HZ，即采樣間隔設(shè)置為1秒。

橋梁結(jié)構(gòu)為混凝土橋，根據(jù)混凝土橋的結(jié)構(gòu)和受力特點(diǎn)，GPS監(jiān)測(cè)站的測(cè)定位置見圖1，選擇在橋面1/2處進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

圖1 測(cè)點(diǎn)布設(shè)位置

Fig. 1 the location of the measuring point laid

為了GPS天線能有開闊的視野采用自制的托架使GPS天線和護(hù)欄固聯(lián)，這樣使GPS天線與橋梁成為一個(gè)整體從而 GPS天線中心的位移就可以代表橋梁的位移。

圖2 橋面接收機(jī)布置圖

Fig.2 Bridge's Receivers Scheme

但是由于受到學(xué)校儀器的限制只能在橋面上的監(jiān)測(cè)點(diǎn)架設(shè)腳架安裝基座與接收機(jī)進(jìn)行監(jiān)測(cè)（如圖2），當(dāng)然由此也會(huì)影響監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的最終質(zhì)量。

1.3 觀測(cè)時(shí)段及觀測(cè)模式

本次試驗(yàn)分兩天進(jìn)行，每天采用動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)模式監(jiān)測(cè)約一小時(shí)。具體監(jiān)測(cè)情況見表1。

表1 觀測(cè)時(shí)段及天氣、車流情況

2數(shù)據(jù)處理

2.1 觀測(cè)數(shù)據(jù)處理

按整周模糊度動(dòng)態(tài)解算法對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將基準(zhǔn)站點(diǎn)作為固定基準(zhǔn)，可以同時(shí)獲得監(jiān)測(cè)點(diǎn)相對(duì)于基準(zhǔn)站在WGS-84坐標(biāo)系下各歷元的三維大地坐標(biāo)（Bi，Li，Hi)。然后進(jìn)行投影變換，將大地坐標(biāo)（Bi，Li)變換為平面坐標(biāo)（Xi ，Yi），這樣，就可以得到點(diǎn)位的三維坐標(biāo)(Xi ，Yi，Hi)數(shù)據(jù)序列。

2.2 坐標(biāo)變換

GPS解算出來的坐標(biāo)是基于WGS84坐標(biāo)系統(tǒng)的，而對(duì)橋梁特性的分析主要基于橋梁縱向、橫向及豎向，所以要建立分別平行橋梁三個(gè)軸線的橋梁坐標(biāo)系統(tǒng)。坐標(biāo)轉(zhuǎn)換過程為：① 以WGS84橢球?yàn)榛鶞?zhǔn)采用恰當(dāng)?shù)闹醒胱游缇€把大地經(jīng)緯度高斯投影為平面格網(wǎng)坐標(biāo)，保持橢球高不變，從而形成平面格網(wǎng)坐標(biāo)加橢球高的東北天坐標(biāo)系(簡(jiǎn)稱為NEU)；②將上述數(shù)據(jù)解算獲得的點(diǎn)位三維坐標(biāo)進(jìn)行平面坐標(biāo)變換，保持H不變，這樣可以得到橋軸線坐標(biāo)系下的點(diǎn)位三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)序列。橋軸線平面坐標(biāo)系的定義為，以自南向北與橋軸線平行方向?yàn)闃蜉S線坐標(biāo)系的x軸，與橋軸線相垂直并且順?biāo)鞣较驗(yàn)槠鋣軸，以橋面上任意一點(diǎn)為其原點(diǎn)所構(gòu)成的獨(dú)立坐標(biāo)系。

經(jīng)過以上數(shù)據(jù)處理后便可以得到各測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)分量的變化時(shí)間序列，從而進(jìn)行進(jìn)一步的處理和分析。圖4為6月9日測(cè)點(diǎn)沿橋梁三個(gè)主軸方向的的二維數(shù)據(jù)序列經(jīng)均值化后的時(shí)程曲線。

由圖4可知整個(gè)時(shí)程曲線的變化量，水平方向的標(biāo)準(zhǔn)偏差為±3.7(mm)和±3.1（mm） ，最大值為14. 9mm(x)和10.9mm (y)；垂直方向的標(biāo)準(zhǔn)偏差為±13.8mm，最大值為42. 3mm，這符合動(dòng)態(tài)GPS測(cè)量的正常精度，表明GPS觀測(cè)質(zhì)量是好的，數(shù)據(jù)處理結(jié)果可靠。從圖中可以發(fā)現(xiàn)豎向的時(shí)間序列無論從低頻部分的變化范圍還是高頻部分的變化范圍都較縱向和橫向的大，除了橋梁本身的豎向振動(dòng)較大外，還由于GPS高程的定位精度較平面低所造成。

圖4-3 測(cè)點(diǎn)各方向時(shí)程曲線

Fig. 4-3 Coordinates time serials of the point

2.3 頻譜分析

采用頻譜分析法，可以對(duì)試驗(yàn)所獲取的三維數(shù)據(jù)序列時(shí)程曲線分別進(jìn)行處理。本次試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理過程中選取了H方向的時(shí)程曲線進(jìn)行處理，計(jì)算出相應(yīng)的頻譜特征。

為了圖示直觀起見，將頻譜分析圖的頻率范圍設(shè)置為0～0.2Hz。(如圖4-4）由頻譜圖不難發(fā)現(xiàn)，該大橋豎向振動(dòng)的主頻為0.06Hz，其分析幅值雖然能夠反映主頻，但不太突出。

圖4-4 監(jiān)測(cè)點(diǎn)的豎向頻譜圖

Fig. 4-4 Vertical Spectrum of Point

3 結(jié)語

本文結(jié)合人民橋的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，論證了GPS定位技術(shù)完全可用于大中型橋梁的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，而且具有其自身的優(yōu)勢(shì)：①GPS不僅可以通過頻譜分析技術(shù)監(jiān)測(cè)橋梁的動(dòng)態(tài)特性，而且可以監(jiān)測(cè)由于溫度、風(fēng)力等引起的靜態(tài)特性，從而可以掌握橋梁全面的狀態(tài)特性。②GPS可以方便的做到各測(cè)點(diǎn)時(shí)間同步，從而有利于橋梁進(jìn)一步的振型分析。③利用GPS-RTK技術(shù)或者分段動(dòng)態(tài)后處理技術(shù)可以方便實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)或準(zhǔn)實(shí)時(shí)的橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)?？傊?，GPS技術(shù)在橋梁監(jiān)測(cè)領(lǐng)域有很大的應(yīng)用潛力，目前很多學(xué)者提出偽衛(wèi)星技術(shù)可以很大程度改善豎直方向的精度，這將使GPS技術(shù)在橋梁監(jiān)測(cè)領(lǐng)域有更大的發(fā)展空間。

致謝：參加本文試驗(yàn)工作的人員還有尤聿坤、李倩、李曉華等同學(xué)，在此一并致謝。

參考文獻(xiàn)

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