GPS在桥梁检测方面的应用研究

GPS(全球卫星定位系统)自80年代中期投入民用后，已广泛地在导航、定位等各领域应用，尤其在测量界的控制测量中起了划时代的作用。正是因为它在静态相对定位中的高精度、高效益、全天候、不需通视等优点，使人们普遍采用其来代替(逐渐地)常规的三角、三边、边角等方法，并在理论、实践中取得了可喜的成果。在精密工程变形监测中也逐步得到广泛的应用。

随着社会经济和科学技术的快速发展，造桥技术不断进步，桥梁结构逐步向轻巧、纤细方面发展。与此同时桥梁的载重、跨径和桥面宽度不断增长，结构型式不断变化。传统的变形监测手段越来越不能满足变形监测要求，这就迫切需要性能更可靠的设备来监测大桥的形变。目前，随着GPS技术的不断成熟，GPS自动化监测系统已经在桥梁、建筑、地震、大坝等行业中应用并取得很好的效益。GPS自动化监测系统仪器以其卓越的性能受到专家的好评。

1.GPS工作原理和应用概况

1.1GPS工作原理

全球定位系统(Global Positioning System)是美国国防部研制组建的新一代的军民两用的卫星导航定位系统。该系统从20世纪70年代初开始研制，美国政府于l995年4月宣布该系统已组建完毕并投入运行。全球定位系统是美国继阿波罗登月计划和航天飞机计划之后的又一庞大的空间计划。它的出现不仅使导航技术和定位技术产生了根本性的变革，而且对交通运输、空间技术、地学研究、军事等诸多领域及社会生活的各个方面都将产生重大影响。

全球卫星定位系统卫星星座，设计由24颗卫星(事实上目前经常保持27至32颗卫星)组成。它们分布间距为60度的6个轨道上，轨道倾角55度，每个轨道面上均匀分布4颗卫星。卫星的地面高度为20200km。这样分布的卫星星座，可以保证任意时间任意位置的接收机可同时收到4颗以上卫星信号，以便进行瞬时的定位观测。

差分是2个或更多个测站之问的相对定位，如图1所示，如果A和B两点在同一时间内观测了相同的一组卫星(至少四颗)。而且A是一个己知点，通过某种数据链，把原始改正信息传到B点，那么B点的位置就可以加以确定。

GPS接收机在地面上接收位于天上的至少4颗GPS定位卫星的信号(电磁波)。根据定位信号到达GPS接收机的时间差，GPS接收机就可以计算出自己距离卫星的准确距离。又因为GPS定位卫星在天上的位置是己知的，所以可以通过公式，把这个位置和刚刚得到的距离，换算出GPS接收机在地面的位置(经纬度、海拔等等) 。

1.2 实施GPS监测的必要性

变形监测是桥梁安全监测系统中的关键项目。传统变形监测系统在保证工程正常运行方面发挥了重要作用，但存在如下缺陷：

(1)大量采用手工采集数据的方法，自动化测点少，自动化程度低，工作量大，观测易受气候和其它外界条件的影响，容易漏过重要和危险的信号；

(2)各监测点的变形量在时间上不是同步的；

(3)平面位移和垂直位移数据是在不同的测点上、不同的时间里采集的；

(4)精密水准网路线长。

利用GPS监测系统对桥梁进行变形监测，能克服传统监测系统所存在的缺陷，精度能满足规范要求，而且可以更全面地了解桥梁各时期的变化，甚至瞬时变化，实现连续观测与数据的自动处理。可以更有效地掌握桥梁的运行状态，及时发现问题，确保桥梁的安全，并为桥梁提供更可靠的安全监测资料。

1.3GPS的主流观测方法-RTK技术

从国内外的有关研究和应用可以看出GPS是一个非常有效的桥梁监测技术，GPS与其它传感器结合用于桥梁健康监测已形成了趋势。它的观测方法主要分为两个流派：单基站RTK模式和控制中心实时统一解算模式。目前单基站RTK模式的GPS监测方法在桥梁监测中的常见精度为1-3cm，数据采样频率一般为1Hz 。

RTK测量技术集合了GPS卫星定位、快速解算、数据无线传输、快速跟踪等多项先进技术，被广泛应用于许多个领域，像铁路、公路、建筑、水利、石油等，主要因为其测量模式和测量速度、精度比以往的测量方式有了很大的变革。

(1)RTK概述

RTK(Real Time Kinematic)技术是GPS实时载波相位差分的简称。这是一种将GPS与数传技术相结合，实时解算并进行数据处理，在1～2s时间内得到高精度位置信息的技术。

(2)RTK的工作原理

实时动态定位(RTK) 系统由基准站和流动站组成，建立无线数据通讯是实时动态测量的保证，其原理是取点位精度较高的首级控制点作为基准点，安置一台接收机作为参考站，对卫星进行连续观测，流动站上的接收机在接收卫星信号的同时，通过无线电传输设备接收基准站上的观测数据，随机计算机根据相对定位的原理实时计算显示出流动站的三维坐标和测量精度。这样我们就可以实时监测待测点的数据观测质量和基线解算结果的收敛情况，根据待测点的精度指标，确定观测时间，从而减少冗余观测提高工作效率。　　 (3)提高工作效率VRS系统的应用

高精度实时动态(RTK)GPS定位已经在测量和工程界产生了重大变革，带来了空前的高效率。但直到现在，用RTK系统来进行高精度的测量作业，还意味着你必须首先在测区附近建立一个控制点，然后在该控制点上架设参考站。但目前随着技术的日益成熟和改进，虚拟参考站VRS系统的诞生使得进入测区内的任何一点就能立即开始GPS测量而无需架设参考站的设想得以实现。

这种全新的RTK定位方法从根本上提高了作业效率和测量的质量。它不再要求建立参考站，从而节省了测量时问，也省去了购买另一台参考站接收机的费用。在VRS网内，等于已经建立了公用的控制点，因此不用担心不精确的控制点所产生的误差传播。而且接收机初始化会更快，也可以确信在得到结果之前所有的数据都进行了严格的质量检查。可以说VRS系统的产生极大地方便了RTK的测量。

2.GPS应用于桥梁变形动态检测

2.1基于GPS的桥梁形变动态检测

桥梁在设计时需要考虑对外力具有一定的抵制能力，如风力、交通、温度、潮汐以及一些不可预知的载荷，如地震、洪水及台风。这些外力因素是桥梁在设计阶段和运营阶段需要考虑的主要因素。不像桥梁基础沉降很容易利用常规测量仪器测量，桥梁的动态变形特性或者说是挠度变形用一般的仪器难以达到很好的测量效果，这是桥梁监测的主要监测内容。典型的大型柔性桥梁的动态形变有由于风力引起的横向振动，以及由于交通或者环境温度变化引起的竖直方向运动等。

近年来许多大型桥梁由于使用过度而导致了损坏。很明显，桥梁的运营时间和近几十年来日益增加的交通量是主要的原因。据美国联邦公路总署(FHWA) 统计有将近一半的桥梁损坏为结构性损伤或功能性荒废。因此，毫无疑问对桥梁，尤其悬索桥的设计、建设以及运营需要进行必要的检测，以降低桥梁的事故率。这样的工程要求 也就促使需要提供新的监测系统和方法来保证桥梁的安全运营。基于此提出了研究基于GPS的桥梁变形检测及分析，旨在从地理信息系统在工程测量中的应用入手，研究其应用范围、方法以及相关技术等。

2.2影响桥梁的环境因素及GPS检测系统的重要性

一般来说，影响桥梁的外部环境是非常恶劣的，它们使得维护桥梁的安全也成为了非常复杂的工作。影响桥梁的环境因素主要包括：(1)高速的潮汐以及风力；(2)行驶船只可能的撞击；(3)由于空气的湿度和含盐度引起的桥梁腐蚀破坏；(4)靠近地震区边缘；(5)高密度的交通载荷；(6)随着时间推移引起的材料疲劳和结构损坏。目前，传统的监测工具有位移传感器、加速度计、倾斜传感器、激光干涉仪、全站仪、精密水准仪等，这些方法都有一定的成效但也存在许多不足之处。例如，加速度计对于桥梁由于温度变化等因素引起的徐缓的位移以及大风影响下的大位移无能为力；激光干涉仪、全站仪和精密水准仪受气候的影响较为严重而且采样率也很难达到动态测量的要求。近年来由于GPS技术的不断发展，尤其是RTK技术，其接收机采样率己普遍达到几十赫兹，定位精度达到厘米甚至毫米级，这使其用于桥梁的监测成为了可能。GPS用于桥梁监测不受气候的影响，可以全天候自动测量，能够实时提供定给结果(IK)，而且可以方便地实现各测点的时间同步。因此在当前的工程中，发展基于GPS的桥梁检测具有重要的价值。

GPS技术应用于桥梁检测，精度高，不受作业环境和距离限制 ，自动化程度高，极大地降低劳动作业强度，减少野外工作量，大大提高工作效率及成果质量，给传统的桥梁形变监测作业方式带来了巨大变化，使桥梁检测水平显著提高。

另外，目前大部分的桥梁监测系统已经做到数据自动传输、自动解算处理、准实时测量结果和测量结果图形演示。利用控制中心实时统一解算模式的监测方法虽然难度较大，但精度较好。这一监测方法将作为今后致力研究的方向。