基于GPS的橋梁變形監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)處理

(成都理工大學(xué)　四川　成都　610051)

本文主要通過(guò)分析GPS技術(shù)在橋梁變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用，全面的講述了變形監(jiān)測(cè)技術(shù)的一些基本內(nèi)容和GPS測(cè)量技術(shù),并且結(jié)合卡爾曼濾波法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析研究，主要研究GPS技術(shù)在橋梁工程的變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用。

一、橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)成和工作原理

目前，橋梁變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要是利用GPS-RTK測(cè)量模式。GPS參考站、GPS監(jiān)測(cè)站和通信系統(tǒng)組成的三個(gè)系統(tǒng)技術(shù)。全球定位系統(tǒng)基站將接收到衛(wèi)星的差分?jǐn)?shù)據(jù)通過(guò)光纖傳輸?shù)饺蚨ㄎ幌到y(tǒng)監(jiān)測(cè)站。衛(wèi)星監(jiān)測(cè)站將接收衛(wèi)星信號(hào)的信息和參考站的信息，并實(shí)時(shí)測(cè)量測(cè)得的三維空間坐標(biāo)。并且將這些數(shù)據(jù)送達(dá)到GPS監(jiān)控中心。全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)監(jiān)測(cè)中心將提供全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)的實(shí)時(shí)差分信號(hào)的接收機(jī)和塔位移和旋轉(zhuǎn)的計(jì)算到一個(gè)特殊的橋梁管理部門(mén)進(jìn)行安全預(yù)警分析。

大型橋梁的位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是采用衛(wèi)星定位系統(tǒng)來(lái)完成的。它是利用接收導(dǎo)航衛(wèi)星的載波相位進(jìn)行實(shí)時(shí)相位差分即RTK技術(shù)(Real Time Kinematic)得到的數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行解算分析，用來(lái)測(cè)定大橋位移。

GPS監(jiān)測(cè)大橋位移特點(diǎn)：

(1)由于GPS是通過(guò)衛(wèi)星收到的信號(hào)來(lái)進(jìn)行定位，所以大橋上每個(gè)地方只要能夠接收到6顆以上GPS衛(wèi)星以及基準(zhǔn)站傳來(lái)的GPS實(shí)時(shí)差分信號(hào)，就可以進(jìn)行GPS RTK的實(shí)時(shí)差分定位。而且每?jī)蓚€(gè)監(jiān)測(cè)站不需要互相可以通視，是各自獨(dú)立的測(cè)量值，不用考慮彼此的影響。

(2)外界的自然因素基本上影響不了GPS的定位，所有可以在比較惡劣的環(huán)境中進(jìn)行監(jiān)測(cè)，不會(huì)影響監(jiān)測(cè)進(jìn)度。

(3)GPS系統(tǒng)測(cè)量每個(gè)點(diǎn)的位移自動(dòng)化水平非常高。從接受衛(wèi)星信號(hào)，捕捉衛(wèi)星，然后再到完成GPS-RTK實(shí)時(shí)差分位移都可以讓測(cè)量設(shè)備自己運(yùn)行。測(cè)量得到的三維坐標(biāo)能夠自己導(dǎo)入GPS監(jiān)控中心的服務(wù)器里，并且進(jìn)行橋梁的可靠性解析。

(4)GPS定位的速度比較快、精度值也很高。GPS-RTK最快速率可以達(dá)到10-20Hi并且輸出定位結(jié)果，定位的平面精度為10mm，高程精度為20mm。

二、數(shù)據(jù)處理和分析

GPSensor是由上海華測(cè)導(dǎo)航技術(shù)有限公司研發(fā)的實(shí)時(shí)三維變形量分析的系統(tǒng)軟件是利用全球定位系統(tǒng)(GPS)的網(wǎng)絡(luò)化來(lái)進(jìn)行的。屬于現(xiàn)在科技上比較高端的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)解算軟件。這套軟件計(jì)算每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)是運(yùn)用全球定位導(dǎo)航系統(tǒng)(GPS)和最先進(jìn)卡爾曼濾波三差解的GPS算法來(lái)的，對(duì)于大型建筑物變形分析——比如大型橋梁、大型水壩、大型人工建筑；以及對(duì)于自然物的變形分析——比如油田的沉陷、礦山采空區(qū)的沉陷，城市地下水漏斗的沉陷，火山變形監(jiān)測(cè)，山體滑坡監(jiān)測(cè)等等具有很大的現(xiàn)實(shí)意義。

兩臺(tái)接收機(jī)的同步實(shí)時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)組成了GPS基線(xiàn)。GPSensor軟件可以達(dá)到實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)處理和準(zhǔn)動(dòng)態(tài)處理算法的目的，還包括不同的濾波以及電離層改正模型，但是在選定方法和模型之前，要根據(jù)實(shí)際工程情況來(lái)進(jìn)行選擇。GPSensor為單基線(xiàn)結(jié)算的主要步驟如下：

開(kāi)始——基線(xiàn)結(jié)算自檢——讀入星歷數(shù)據(jù)——讀入觀測(cè)數(shù)據(jù)——三差解解算——周跳修復(fù)——雙差浮動(dòng)解解算——整周模糊度分解——雙差固定解解算——解算

結(jié)語(yǔ)：隨著時(shí)代的不斷進(jìn)步，社會(huì)經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)也在快速的發(fā)展，橋梁的建造技術(shù)也在不斷的提高，橋梁的結(jié)構(gòu)趨勢(shì)也慢慢傾向于輕巧、纖細(xì)等等。與此同時(shí)橋梁的荷載在不斷變大、橋的跨度也不斷變長(zhǎng)和橋的寬度也不斷在變寬，橋梁結(jié)構(gòu)也在不斷復(fù)雜化。傳統(tǒng)的變形監(jiān)測(cè)方法已經(jīng)完全不能滿(mǎn)足現(xiàn)代橋梁的監(jiān)測(cè)要求。這就需要更加先進(jìn)的監(jiān)測(cè)設(shè)施和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)用來(lái)監(jiān)測(cè)橋梁的形變狀態(tài)。現(xiàn)在。GPS技術(shù)在不斷的成熟，自動(dòng)化的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)在各個(gè)領(lǐng)域得到充分的利用，并取得了比較理想的成果。比如在大型橋梁、高程建筑，水利工程等方面的變形監(jiān)測(cè)都采用了GPS自動(dòng)化系統(tǒng)。與別的測(cè)量方法相比較，運(yùn)用GPS自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)就顯現(xiàn)出它的獨(dú)特的優(yōu)越性，特別在實(shí)時(shí)性、采樣等方面得到的數(shù)據(jù)為橋梁的變形監(jiān)測(cè)狀態(tài)分析給予了便利的條件，為專(zhuān)門(mén)的橋梁管理部門(mén)的決策提供了可靠地依據(jù)，使得橋梁的安全運(yùn)營(yíng)得到了根本上的保障。GPS針對(duì)于橋梁的變形監(jiān)測(cè)的技術(shù)與方法具有非常廣闊的前景，GPS變形監(jiān)測(cè)技術(shù)會(huì)越來(lái)越多的運(yùn)用于橋梁工程方面。