北斗卫星导航系统桥梁变形监测的影响因素分析

李文涛 郑连生 刘淑艳 高梦琪

【摘    要】：基于北斗卫星导航系统的桥梁变形监测，以天津市永和大桥为例，分析星历、解算时间、测站距离、多路径效应等对变形监测效果的影响。结果表明：星历采用多卫星解算时，变形监测精度更高；解算时间越长，变形监测越高；测站距离对变形监测的精度影响较小；多路径效应对变形监测的精度有一定影响，建议通过优化算法来弱化多路径效应。

【关键词】：北斗卫星导航系统；桥梁；变形监测；多路径效应；星历；解算时间

【中图分类号】：U446【文献标志码】：C【文章编号】：1008-3197（2024）01-45-05

【DOI编码】：10.3969/j.issn.1008-3197.2024.01.013

收稿日期：2022-12-29

课题项目：天津市交通运输科技发展计划项目（2021-04）

作者简介：李文涛（1995 - ）， 男， 硕士， 河北承德人， 助理工程师， 从事桥梁工程设计咨询工作。

Analysis of Influencing Factors on Bridge Deformation Monitoring of

Beidou Satellite Navigation System

LI Wentao1， ZHENG Liansheng1， LIU Shuyan1， GAO Mengqi2

（1.Tianjin Transportation Research Institute， Tianjin 300074， China; 2.ZhongxinTianjin Eco-city Urban Management Bureau，

Tianjin 300457， China）

【Abstract】：Based on monitoring of bridge deformation of Beidou satellite navigation system， through the example of Yonghe Bridge in Tianjin， this paper analyzes the influence of ephemeris， solution time， station distance and multipath effect on the deformation monitoring effect through the bridge deformation monitoring based on satellite positioning. The results show that the deformation monitoring accuracy is higher when the ephemeris is solved by multiple satellites. The longer the solution time， the higher the deformation monitoring ; the distance of the station has little effect on the accuracy of deformation monitoring. The multipath effect has a certain influence on the accuracy of deformation monitoring. It is recommended to weaken the multipath effect by optimizing the algorithm.

【Key words】：beidousatellite navigation system; bridges;deformation monitoring; multipath effect; ephemeris; resolving time

桥梁作为交通运输的纽带，养护维修至关重要。桥梁监测[1]可以监控桥梁的重要节点信息，为后期养护提供数据支撑，确保桥梁高效养护、安全运营。桥梁变形监测技术多样、各有利弊，随着我国科技的发展，北斗卫星导航系统已经逐步应用于桥梁变形监测。2012年，交通运输部公路科学研究院依托广东珠江黄埔大桥，首次利用北斗定位技术对其进行变形监测[2]；冯燕媚[3]以单跨380 m的澜沧江大桥为依托，开展北斗位移监测与安全评估技术研究；刘晓飞[4]基于北斗导航定位技术，通过高精度实时差分定位和事后差分定位方法，丰富了桥梁变形监测的数据采集手段；申世国等[5]对我国某现役大型桥梁进行连续20 h监测，评估了利用北斗载波相位差分技术的实测数据质量；强小俊[6]依托某高速铁路，开展了基于北斗定位技术的高速铁路桥梁沉降变形监测，现场验证了试验的可靠性和精度。还有一些学者也基于北斗卫星导航系统进行了桥梁变形监测应用、算法优化等多角度研究[7～10]。

北斗变形监测系统应用于桥梁变形监测具有显著优势，但也存在不足和局限。在桥梁服役过程中，安全问题时有出现，为了确保运营安全，急需研发完善、高效、精准的变形监测技术，对北斗桥梁变形监测产品进行升级和改造，突破传统桥梁位移监测的局限。本文基于卫星定位系统对永和大桥进行变形监测，分析星历、解算时间、测站距离、多路径效应等对变形监测效果的影响。

1 工程概况

永和大桥为双塔双索面、塔墩固结、连续呈漂浮体系的预应力混凝土斜拉桥，全长512 m，全宽14.6 m，桥跨布置为25.15 m+99.85 m+260 m+99.85 m+25.15 m，修建于1987年。见图1。

荷载等级为汽-20级，挂-100；桥面净宽为1.0 m（人行道）+9 m（行車道）＋1.0 m（人行道）；主梁与主塔混凝土强度等级为C50。

2 卫星定位系统

卫星定位测量是采用相对定位原理[11]测得结构物的变形量。见图2。

卫星定位技术可在垂直和水平方向进行全天候实时三维变形测量。目前卫星定位测量有静态、准静态、动态3种模式，桥梁变形监测通常采用静态测量模式，连续观测45 min以上可以达到毫米级精度，其变形量

式中：[ΔP（Δx，Δy，Δz）]为变形量；[P（x，y，z）]为测量值；[P（z，y，z）]为初始值，一般为系统建立之初稳定观测一段时间的平均值。

3 变形监测

3.1 变形监测设备选型及测点布置

选用带摄影测量和倾斜测量RTK（Real Time Kinematic，实时动态测量）的徕卡GS18 I，无需整平、无需校准、无需等待。徕卡GS18 I是一款GNSS倾斜机和摄影测量相结合的产品，采用徕卡测量专利的摄影测量技术，克服了传统摄影测量时定点拍照、手动匹配相片等繁琐的流程，实现了影像的现场全自动解算。

理论上讲，桥梁变形监测过程中使用的传感器数量越多，获得的监测数据及反馈信息越多，对桥梁运营状态的评价也就越准确。但在实际工程中，桥梁结构相对庞大，考虑到监测必要性、经费限制等诸多因素，通常采用有限监测部位和有限传感器进行监测[12]。测点布置原则主要包括：科学的桥梁挠度分析；基于桥梁病害调查的布点；几何尺寸覆盖；对称性；轻重、缓急；便于装卸、更换。

依据测点布置原则和工程实际，共选择桥头和跨中两个位置作为永和大桥变形监测的监测点A1、A2，选择河堤、近桥端及远桥端3个位置作为永和大桥变形监测的控制点B1、B2、B3。见图3。

1）A1、A2分别与B1、B3组合进行对比，可分析多路径效应。

2）控制点B1位于河堤，位置固定，可与其他测点组合作为基线向量。

3）控制点B2位于近桥端，与A1、B1组合分析星历误差及时间误差。

4）控制点B3位于远桥端，与B2形成对比分析距离误差。

3.2 监测效果

由于本次变形监测无基线点的绝对坐标，在分析星历误差及解算时间误差时，分别选取两两测站之间的向量作为基线向量；在分析距离误差及多路径效应时，选取不动的两点间向量作为基线向量。坐标解算方法采用最小二乘法，SD（Standard Deviation）表示标准差，数值越小表明误差越小。

3.2.1 星历误差分析

选取解算70 min时A1、B1、B2两两测站之间的向量作为基线向量，分别分析多卫星解算、GPS卫星独立解算及北斗卫星独立解算时的监测误差。其中北斗卫星17颗、GPS卫星10颗。

1）多卫星解算测站A1、B1、B2两两组合作为基线向量的监测误差。见表1。

2）GPS卫星独立解算测站A1、B1、B2两两组合作为基线向量的监测误差。见表2。

3）北斗卫星独立解算测站A1、B1、B2两两组合作为基线向量的监测误差。见表3。

采用多卫星解算时精度最高；采用北斗卫星独立解算时，其误差略大于GPS卫星独立解算；多卫星解算、GPS卫星独立解算与北斗卫星独立解算精度均已达到毫米级，满足桥梁变形监测精度要求。

3.2.2 解算时间误差分析

选取北斗卫星解算时A1、B1、B2两两测站之间的向量作为基线向量，分别分析解算70、50 、30 、10 min的监测误差。

1）解算70 min测站A1、B1、B2两两组合作为基线向量的监测误差。见表4。

2）解算50 min测站A1、B1、B2两两组合作为基线向量的监测误差。见表5。

3）解算30min测站A1、B1、B2两两组合作为基线向量的监测误差。见表6。

4）解算10 min测站A1、B1、B2两两组合作为基线向量的监测误差。见表7。

解算时间越长，误差越小，监测精度越高；解算时间为70、50 min时，误差相差不大，监测精度相当；结合工程监测经验，当采用北斗卫星进行变形监测时，解算时间≥45 min即可保证足够的精度。

3.2.3 距离误差分析

基于北斗卫星解算50 min，选取不动的测点A1、B1间的向量A1—B1作为基线向量，分析控制点在近桥端B2、远桥端B3时的监测误差。

1）控制点在近桥端B2时，测站A1、B1组合作为基线向量的监测误差。见表8。

2）控制点在远桥端B3时，测站A1、B1组合作为基线向量的监测误差。见表9。

控制点在近桥端误差略小于控制点在远桥端；总体而言，控制点距离对北斗卫星解算的精度影响较小。

3.2.4 多路径效应分析

基于北斗卫星解算50 min时，选取不动的测点B1、B3间的向量B1—B3作为基线向量，分别分析监测点在桥头A1、桥梁跨中A2时的监测误差。

1）监测点在桥头A1时，测站B1、B3组合作为基线向量的监测误差。见表10。

2）监测点在桥梁跨中A2时，测站B1、B3组合作为基线向量的监测误差。见表11。

监测点在A1与在A2误差一致，精度相当；总体而言，基于北斗卫星进行变形监测时，多路径效应不明显。

4 结论

1）多卫星解算、GPS卫星独立解算与北斗卫星独立解算精度均已达到毫米级，满足桥梁变形监测精度要求。多卫星解算时精度最高；采用北斗卫星独立解算时误差略大于GPS卫星独立解算。

2）采用北斗卫星独立解算时：解算时间越长，误差越小，监测精度越高，结合工程监测经验，解算时间≥45 min即可保证变形监测具有足够的精度；测站距离对北斗卫星解算的精度影响较小；多路径效应存在，但不明显，可通过优化算法进一步消除误差。

参考文献：

[1]JT/T 1037—2016，公路桥梁结构安全监测系统技术规程 [S].

[2]陈    浩. 珠江黄埔大桥健康监测与状态评估技术研究 [D].西安：长安大学，2016.

[3]冯燕媚. 大跨悬索桥北斗位移监测与安全评估技术研究 [D]. 重庆：重庆交通大学，2018.

[4]刘晓飞. 基于北斗卫星监測的大跨斜拉桥挠度分离研究 [D].武汉：武汉理工大学，2019.

[5]申世国，孙    凯. 基于北斗RTK技术的桥梁健康状况分析 [J]. 北京测绘，2019，33（12）：1497-1500.

[6]强小俊. 北斗定位技术在高速铁路沉降变形监测中的应用 [J]. 铁道建筑， 2020，60（7）：81-84.

[7]靳    明，曹明月，王正伟. 基于高精度北斗定位的桥梁形变监测系统 [J]. 现代商贸工业， 2017，（23）：186-188.

[8]和永军，缪应锋，刘    华. 北斗和GPS系统在病害影响下桥梁健康监测中的应用 [J]. 云南大学学报（自然科学版），2017，（S1）：52-57.

[9]黄晨阳. 基于北斗卫星定位的算法研究 [D]. 大连：大连交通大学，2018.

[10]杨双泽. 分布式桥梁沉降高精度监测系统设计 [D].太原：中北大学， 2021.

[11]刘明凯. 基于北斗的高精度定位算法及多径误差研究 [D]. 哈尔滨：哈尔滨工程大学， 2014.

[12]沈    志. 基于北斗系统的大跨径桥梁变形监测研究研究[D].沈阳：沈阳建筑大学， 2020.