GPS动态监测实验与精度估算

刘心成

摘要：为了验证GPS技术应用于大型建筑物动态变形监测的可行性，本文为此设计了动态监测试验方案。从GPS技术应用于建筑物动态变形监测的理论基础到其实施方案都作出了详尽的阐述。最后结合人民桥GPS监测试验，介绍了试验的过程、数据的处理及结果的分析，证实了GPS技术完全可以应用于大中型桥梁的监测，而且相对于传统的监测工具GPS具有自身的优势。关键词：GPS；变形；桥梁动态监测；动态特性；频谱分析

为了验证GPS动态监测技术在建筑物结构监测中的应用，选取了我们生活中常见却十分主要的建筑物——桥梁作为研究对象进行了论证。

桥梁自振特性(自振频率、振型及阻尼系数)是反映桥梁自身特性和工作状态的重要参数。竣工桥梁在通车之前的静、动载试验中，测定桥梁结构自振特性可以验证理论计算值。桥梁在运营期间，或者遭受意外撞击，或经受地震以后，桥梁的工作状态有可能发生改变，通过对桥梁自振特性变化的监测，可以为确定桥梁运行状态提供可靠的科学依据。

1 试验方案

1.1 激振方法

试验采用环境激励法，即利用地脉动、风载及行车载荷等随机环境因素作为输入从而直接获取结构的动态响应来进行结构分析。此法较工程界常用的强迫振动法的优势在于：

不需要额外的激振设备，不影响交通以及适用于桥梁的在线健康监测，因而此法可以大大简化动态监测试验的程序以及降低用于激振设备的巨大费用，所以成为目前工程界广泛采用的激振方法；缺点是输入能量可能过小，感兴趣的高阶模态振动不是经常能够激起。

1.2 采样间隔

用GPS测定桥梁的自振频率时，GPS采样频率f，与桥梁最高自振频率或待定频率f须满足奈奎斯(Nyquist)采样定理：

然而为了使离散的采样信号更好的反映真实的连续信号，一般实际的采样率设置为待定信号最高频率的4到5倍左右较好。大多数中大型桥梁的主要的自振频率区域在0-2Hz，理论上本次试验GPS的采样率设置为10Hz，即采样间隔为0.1秒。但是由于受学校仪器限制，本次试验的采样率设置为10HZ，即采样间隔设置为1秒。

桥梁结构为混凝土桥，根据混凝土桥的结构和受力特点，GPS监测站的测定位置见图1，选择在桥面1/2处进行监测。

图1 测点布设位置

Fig. 1 the location of the measuring point laid

为了GPS天线能有开阔的视野采用自制的托架使GPS天线和护栏固联，这样使GPS天线与桥梁成为一个整体从而 GPS天线中心的位移就可以代表桥梁的位移。

图2 桥面接收机布置图

Fig.2 Bridge's Receivers Scheme

但是由于受到学校仪器的限制只能在桥面上的监测点架设脚架安装基座与接收机进行监测（如图2），当然由此也会影响监测数据的最终质量。

1.3 观测时段及观测模式

本次试验分两天进行，每天采用动态监测模式监测约一小时。具体监测情况见表1。

表1 观测时段及天气、车流情况

2数据处理

2.1 观测数据处理

按整周模糊度动态解算法对观测数据进行处理，将基准站点作为固定基准，可以同时获得监测点相对于基准站在WGS-84坐标系下各历元的三维大地坐标（Bi，Li，Hi)。然后进行投影变换，将大地坐标（Bi，Li)变换为平面坐标（Xi ，Yi），这样，就可以得到点位的三维坐标(Xi ，Yi，Hi)数据序列。

2.2 坐标变换

GPS解算出来的坐标是基于WGS84坐标系统的，而对桥梁特性的分析主要基于桥梁纵向、横向及竖向，所以要建立分别平行桥梁三个轴线的桥梁坐标系统。坐标转换过程为：① 以WGS84椭球为基准采用恰当的中央子午线把大地经纬度高斯投影为平面格网坐标，保持椭球高不变，从而形成平面格网坐标加椭球高的东北天坐标系(简称为NEU)；②将上述数据解算获得的点位三维坐标进行平面坐标变换，保持H不变，这样可以得到桥轴线坐标系下的点位三维坐标数据序列。桥轴线平面坐标系的定义为，以自南向北与桥轴线平行方向为桥轴线坐标系的x轴，与桥轴线相垂直并且顺水流方向为其y轴，以桥面上任意一点为其原点所构成的独立坐标系。

经过以上数据处理后便可以得到各测点坐标分量的变化时间序列，从而进行进一步的处理和分析。图4为6月9日测点沿桥梁三个主轴方向的的二维数据序列经均值化后的时程曲线。

由图4可知整个时程曲线的变化量，水平方向的标准偏差为±3.7(mm)和±3.1（mm） ，最大值为14. 9mm(x)和10.9mm (y)；垂直方向的标准偏差为±13.8mm，最大值为42. 3mm，這符合动态GPS测量的正常精度，表明GPS观测质量是好的，数据处理结果可靠。从图中可以发现竖向的时间序列无论从低频部分的变化范围还是高频部分的变化范围都较纵向和横向的大，除了桥梁本身的竖向振动较大外，还由于GPS高程的定位精度较平面低所造成。

图4-3 测点各方向时程曲线

Fig. 4-3 Coordinates time serials of the point

2.3 频谱分析

采用频谱分析法，可以对试验所获取的三维数据序列时程曲线分别进行处理。本次试验数据处理过程中选取了H方向的时程曲线进行处理，计算出相应的频谱特征。

为了图示直观起见，将频谱分析图的频率范围设置为0～0.2Hz。(如图4-4）由频谱图不难发现，该大桥竖向振动的主频为0.06Hz，其分析幅值虽然能够反映主频，但不太突出。

图4-4 监测点的竖向频谱图

Fig. 4-4 Vertical Spectrum of Point

3 结语

本文结合人民桥的动态监测试验，论证了GPS定位技术完全可用于大中型桥梁的动态监测，而且具有其自身的优势：①GPS不仅可以通过频谱分析技术监测桥梁的动态特性，而且可以监测由于温度、风力等引起的静态特性，从而可以掌握桥梁全面的状态特性。②GPS可以方便的做到各测点时间同步，从而有利于桥梁进一步的振型分析。③利用GPS-RTK技术或者分段动态后处理技术可以方便实现实时或准实时的桥梁健康监测系统。总之，GPS技术在桥梁监测领域有很大的应用潜力，目前很多学者提出伪卫星技术可以很大程度改善竖直方向的精度，这将使GPS技术在桥梁监测领域有更大的发展空间。

致谢：参加本文试验工作的人员还有尤聿坤、李倩、李晓华等同学，在此一并致谢。

参考文献

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注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。