徕卡最新SPIDER中心化RTK概念江阴大桥GPS整体位移监测中的应用

1、徕卡最新SPIDER中心化RTK概念在江阴大桥GPS整体位移监测中的应用吴星华1 吕振业1 Joel VanCranenbroeck2（1 瑞士徕卡测量系统有限公司大中华区，2 瑞士徕卡测量系统有限公司总部）李向群（欧亚公司南京分公司）摘要：本文首先分析目前GPS技术应用于实时大桥监测中的应用现状和优势，接着详细介绍了徕卡公司推出的中心化RTK技术的概念和技术特点及其优势，同时也介绍了徕卡公司最新推出的GPS参考站网软件Spider性能特点以及徕卡中心化RTK技术在江阴大桥GPS三维动态位移健康结构监测升级改造项目中的应用情况、结果分析与输出接口等，最后就GPS大桥监测应用给出一些建议和展望。

2、关键词：中心化RTK 江阴大桥 健康监测 升级改造 三维位移 Spider1 引言GPS测量技术用于生产作业，在过去十多年中其作业模式从静态测量，快速静态测量，后处理高精度动态测量，发展到动态初始化(OTF)厘米级实时RTK测量作业。目前厘米级实时RTK技术以其高效、可靠和适用性强等诸多优点已经被用户所接受，并广泛应用于各种测绘生产作业。RTK技术优势主要体现在以下几点：野外可实时获得最终坐标，野外质量控制，室内工作量少，野外生产效率高，精度高(1-2 cm)，适合多种用途，如：放样，公路施工，机械引导等。大桥在施工期间，可采用GPS RTK技术进行施工放样测量工作，尤其是跨海大桥工程。大桥建

3、成通车后在环境因素影响、运营荷载和特殊荷载（如台风、地震、特种运输等）作用下，其强度和刚度可能会降低，结构性能发生劣化，这将影响到行车安全和桥梁的使用寿命。十分有必要对大桥的结构特性和安全状况进行监测和评价，而传统的桥梁检查方法难以达到这个目的，因此，需要建立一个健康监控系统。但是，目前在悬索桥安全性能评价方面还缺乏完整和有效的理论工具，对应力、应变进行长期监测的设备可靠性方面也有所不足。在诸多监测项目中，桥线形是结构体系对荷载响应的宏观反映，因此线形监测尤为重要。GPS 技术以其实时性好，可全天侯工作，自动化程度高、高精度和观测点间无需通视等优势等诸多优点，目前已在多座大桥上用于大桥动态位移

4、监测，GPS在结构健康状态和地面运动监测的高精度定位项目中起着越来越重要的作用。徕卡公司率先于1999年承建了世界上第一个采用GPS技术用于大桥监测的项目 香港青马大桥。之后又在山东黄河大桥、江阴大桥采用徕卡公司的软硬件技术进行GPS大桥健康结构监测。2005年初，徕卡公司基于独创的中心化RTK概念推出新一代GPS参考站软件系统 Spider，该系统已经在世界各地经过广泛测试和应用，与传统实时RTK定位具有更多的优势，该技术只需要GPS接收机设备实时输出原始数据，而且大大简化数据通讯系统的结构，提高了监测的效率和可靠性。本文首先回顾GPS RTK测量技术应用情况和徕卡公司在GPS大桥监测方面应

5、用情况。第二节主要分析GPS大桥监测技术应用现状；第三节详细介绍徕卡最新中心化RTK概念的参考站软件Spider；第四、五节将介绍徕卡中心化RTK概念在江阴大桥中的应用和结果分析与接口。最后，就GPS大桥监测的应用给出一些结论和建议，并展望GPS技术在大桥健康结构监测的应用前景。2 GPS 实时大桥监测目的和应用现状2.1 建立GPS 实时大桥监测系统的目的大桥主梁和索塔轴线的空间位置是衡量大桥是否处于正常营运状态的一个重要标志。经过多次实地测试验证和精度评估，证明GPS技术完全可用于大桥进行全自动、全天候、连续实时高精度的变形监测。相对于传统桥梁变形监测手段，GPS技术有如下优点：直接获取独

6、立的三维绝对坐标，增强对桥梁结构健康监测的可靠度；实时计算并显示三维位移；全天候24小时连续观测；与已有系统的绝对位置独立检核。除此之外，系统提供风力效应监测、温度效应监测、公路负荷效应监测、铁路负荷效应监测，大桥钢索索力监测以及大桥主要构件应力监测。利用GPS监测系统实现对桥梁的自动检核和数据的实时获取。通讯网络系统负责传输GPS数据和遥控GPS接收机，GPS监测系统在通讯方面的稳定性和可靠性。控制中心分析和管理系统可以实现对数据的实时分析，输出检测结果，并实现自动报警功能。系统通过对桥梁位移和变形的高精度实时监测和分析，为桥梁的管理和维护提供了科学的依据。建立大桥三维动态位移GPS监控系统

7、的目的是：(1) 对大桥三维动态位移（竖向、横向、纵向）和环境变化进行长期的实时性监测，实时获取大桥线形变化、结构体系动力特性信息以及环境参数；(2) 对监测信息进行实时处理和模型分析，进一步反演分析结构内力和刚度变化，从而对结构承载力进行评价；(3) 直观了解台风、地震、偏载、特种运输等特殊荷载下的结构响应，判断结构安全性和交通安全性；(4) 根据设定的安全参数建立多等级报警系统，以可视化的三维动态形式及时了解和掌握大桥在各种条件下的工作状况，实现动态的结构危险性分析、评价和预警。2.2 GPS大桥监测系统的应用现状徕卡公司早在2000年已经成功地为香港青马大桥设计和安装了GPS监测系统，共

8、采用27套徕卡GPS500接收机。系统运行稳定。20032005年徕卡公司又先后在山东黄河大桥和江苏江阴大桥设计和安装徕卡GPS500和GRX1200型以及最新Spider中心化RTK定位系统软件。徕卡公司积累了GPS桥梁监测解决方案的独特而又丰富的经验。其中江阴大桥和青马大桥均属于大跨度悬索桥。江阴长江大桥（主跨1385米），名列世界第四位；香港青马大桥（主跨1377米）名列世界第五位，（公铁两用桥名列第一位）。香港青马交通管制区是香港通往新机场的交通干道，管制区内包括三座相毗邻的大型吊桥：青马大桥、汲水门大桥和汀九大桥。其中，青马大桥全长2200米，塔高205米，主跨度1377米，是公路铁

9、路两用悬索吊桥；汲水门大桥全长829米，塔高150米，主跨度430米，是公路铁路两用斜拉吊桥；汀九大桥是世界上最长的斜拉吊桥之一。青马管制区原有桥梁监测传感器多达774个，包括风速计、气象传感器、动力称量系统、加速度计、位移传感器、应变标尺和水平仪等7大类，用以监测缆索、桥塔和桥面的结构位移、缆索受力、桥面应变应力和桥面加速度等。但这些传统监测系统在桥梁振动位移监测方面存在诸多缺憾。2000年，香港特区政府路政署决定使用GPS技术对三座大桥进行全自动、全天候、连续实时高精度的变形监测。青马GPS监测系统由三个子系统组成：GPS测量系统、通讯网络系统和控制中心分析与管理系统。通讯网络系统负责传输

10、GPS数据和遥控GPS接收机，由于香港青马管制区周围的电磁波环境较差，存在较多的干扰源（如机场、航道和交通管制用的雷达、电台以及桥上高压线产生的电磁场），香港青马监测系统的通讯网络采用了光纤通讯技术，以确保青马GPS监测系统在通讯方面的稳定性和可靠性。控制中心分析和管理系统可以实现对数据的实时分析，输出检测结果，并实现自动报警功能。香港青马GPS桥梁变形监测系统已于2001年1月正式建成并投入运行，它是全球规模最大、技术最先进的GPS桥梁变形监测系统，建成以来，得到国际上的广泛关注和赞誉。该系统通过对桥梁位移和变形状礅的高精度实时监测和分析，为桥梁的管理和维护提供了科学的依据。为了满足特殊用途

11、的需要, 适当配置的GPS系统可以满足在绝对定位和相对位移的这种应用中大部分的静态和动态测量的需要。换言之，单双频（L1或L1/L2) GPS载波相位测量、数据采样率、GPS和控制单元间的通讯连接及数据处理方法等的适当配置可以达到所需要的精度。徕卡公司在上述方案的基础上基于GPS高精度定位技术为大桥结构监测又开发出了一套中心化RTK概念的创新解决方案，而且具有丰富的桥梁监测经验。监测系统设备可采用徕卡公司最新专业型GPS传感器 GRX1200Pro和远程遥控、数据管理与中心化RTK功能的软件 SPIDER 软件，徕卡公司承诺都可以为用户提供系统方案建议和咨询、交货、安装、培训、技术支持和维护等

12、项服务。3 徕卡最新的中心化RTK GPS参考站软件Spider徕卡公司GPS产品拥有SmartTrack（智能跟踪）和SmartCheck（智能检核）最新技术，以其快速和可靠30Km常规RTK作业能力，一直在GPS测量技术方面处于领先地位。徕卡最新的GPS参考站网软件包可用于参考站控制、数据管理、遥控各个台站所有设备的设定和运行，而且用户可通过软件进行自动的定时数据下载、检查、编制文件及发送到不同的FTP服务器。软件也可自动检查数据质量及系统硬件的工作情况而发出不同的报警，而且 Spider 软件可以连接不同的TCP/IP 地址，系统管理员或用户可通过互联网查看各台站的运行情况，以确保系统连

13、续运行的可靠性。由于徕卡Spider台站控制软件对数据通讯方式具有高度灵活性，具有远程遥控能力，徕卡公司的技术人员可以容易地通过互联网检查台站系统，以确保维持高质量的数据服务，提高系统维护的效率和便利性。徕卡GPS Spider软件的设计为具有高度的灵活性，强大的功能，模块化的结构，系统绝对安全的参考站软件。该软件具备中心化RTK功能，可以以主动和被动方式支持多种GPS接收机。采用徕卡GPS SPIDER 软件将增加实时数据处理性能和结果的精度，并大大简化通讯系统，降低通讯设备成本。GPS Spider是集成的单参考站或台站网中央控制和操作软件包。 GPS Spider是模块化的和可以用于先进

14、的长距离高精度网络RTK (SpiderNET）、建筑物监测、中央数据分发、数据存取管理，并支持数据下载和服务等解决方案。由于有了GPS Spider 你将可以用最佳的解决方案提供专业的服务。主要功能如下：l GPS传感器和数据流接收控制l 徕卡500/1200 GPS传感器系统监测l GPS 原始数据和 RINEX数据管理l 徕卡500/1200系统GPS 数据确认l 所有输入的GPS数据流确认l 记录和传送GPS数据的缺失通告l GPS 原始数据和其他文件产品FTP 分发l RTK - 以多种格式进行GPS 原始数据发送l 利用 GPS原始数据流进行实时定位l 台站服务器和系统状态及事件记

15、录 l 选择事件 E-Mail 和网络信息进行分布l 提供网络处理的原始数据流徕卡 GPS SPIDER Positioning 功能模块 是GPS接收机中央管理和处理应用软件，可以以最高的速率（20Hz）和最高的精度对所有基线组合提供实时和后处理解。l 结果通过串口、TCP/IP协议、文件或SQL DB 以多种格式（如著名的NMEA）与分析软件进行接口连接输出。l “Re-processing”选项允许项目操作员一步一步查看得到的结果。l RINEX 文件可以在运行中生成或定时下载，以供更好的了解多径影响和供其他研究使用。下图为中心化RTK软件显示卫星状况、监测点实时定位结果以及系统状态等。

16、4 徕卡中心化RTK软件在江阴大桥GPS监测中的应用4.1 江阴大桥概况江阴长江公路大桥是我国首座跨径超千米的特大型钢箱梁悬索桥梁。江阴长江公路大桥是世纪“中国第一、世界第四”大钢箱梁悬索桥，是国家主干道跨越长江的特大型公路桥梁。是长江上建设的第二座大桥。江阴长江公路大桥位于长江下游江苏省江阴和靖江之间，于1994年11月22日正式开工建设，1999年9月28日胜利建成通车，全长3071米，主跨1385米，南北塔高190米，并于2001年3月通过国家竣工验收。在大桥一端（靖江）大桥管理中心建有大桥监控中心，配有通信计算机系统、闭路电视系统、信息管理系统、情报板系统、紧急电话系统、广播系统等。1

17、999年8月20日大桥竣工时进行了荷载试验，当天正直大雨。桥梁位移测量邀请徕卡公司采用下列两种方案进行：l TCA2003 + APSWin：由于大雨无法进行测试；l SR530+MC1000：4套SR530和3套MC1000接收机，一台作为参考站，其他6台分别安置在最大应力点处；采样速率分别为5Hz和10Hz；时长4小时。测试精度达到1cm。本次荷载试验也充分反映GPS用于大桥监测的优越性。该桥原“结构安全监测系统”是由英国SES公司采用TCA2003系统于1999年设计、建设的，由于系统结构等原因导致系统目前已无法正常运行。为此需要对原系统进行升级和改造。2004年江苏扬子大桥股份有限公司

18、决定对江阴长江公路大桥上部结构健康监测系统进行升级改造工程，并选用了徕卡公司推荐的GPS监测系统方案，用于监测主梁线形和桥塔位移。4.2 大桥监测方案GPS桥樑监测系统由GPS传感器、通讯链路、处理和管理软件、附件和分析软件等在内的一个完整的系统组成。在设计阶段，必须注意环境情况。多路径是可能碰到的最大误差源。它将对结果的精度产生严重影响。多路径是由从附近金属物体、地面或水面的无关的反射信号到达天线引起的。多路径误差对每个测站都是不同的，因此不能用差分技术消除 。在参考站，天线的位置应当仔细选择，以避开反射环境。徕卡 GPS 天线 AT504 可以减轻多径影响。GPS监测系统的硬件设备采用9套

19、徕卡最新参考站型双频GPS接收机GRX1200 Classic，一个AT504扼流圈天线和8个轻便型准扼流圈天线AX1202天线；软件采用徕卡最新推出的中心化RTK功能的软件包Spider。4.2.1 GPS 参考站布置GPS 参考站应建立在稳定的位置，参考站作为每一条基线的起算点，必须为参考站提供精确的位置和地方转换参数。本次升级改造仅采用一个基准站，设在大桥监控中心楼顶。图 江阴大桥GPS监测系统参考站4.2.2 GPS 监测点布置为了更好地反映大桥变形和振动特性，在两个桥塔处、主跨最大挠度、跨4分点处分别布置8个GPS监测点，即在1/4、1/2和3/4跨处安置GPS接收机进行连续观测。详

20、细布置图见图1。4.2.3 通讯与供电采用徕卡最新方案，每一台GPS接收机只需要一条双向通讯线路（光纤）连接到徕卡PC GPS Spider 服务器。必须为每一台接收机提供安全和永久的供电，如UPS。4.2.4 附件每一台GPS接收机必须安装在安全和有保护装置的位置。GPS天线必须安装在能避免由于电缆、障碍物、汽车等引起的多路径影响的位置。通常设计的安装GPS天线的观测墩带有专用的适配器，以便于将天线安装和固定到观测墩顶部。防雷设施也是要安装的部件。 桥梁经常是雷击发生的多发位置。右图为安装天线的适配器和避雷系统。5 结果分析与输出接口徕卡公司将根据用户提供的转换参数提供在桥梁坐标系下的三维动

21、态位移结果。可以提供最终观测数据的精度，同时能实时存储和显示数据处理结果。可以通过串口、TCP/IP为其他专用分析软件包的提供接口。徕卡 GPS Spider 可以与大多数使用标准格式的分析软件进行接口连接。我们的建筑工程合作伙伴可以提供这类解决方案。可采用徕卡GNSS QC工具进行结果显示：也可以利用第三方分析软件以桥梁坐标进行实时变形曲线动态显示、存储、统计分析和报警等：另外，可采用徕卡GNSS QC质量检查分析软件对数据进行质量分析研究。这是设计阶段和随后的数据及结果检查的有用工具。l 专门为对GPS参考站网的RINEX数据进行自动质量检核设计的一般的 GPS 数据分析工具l NMEA

22、GGA 和 GGQ实时和脱机绘图6 结论和建议徕卡公司推出的中心化RTK功能的GPS Spider大桥监测创新解决方案，与现有方案相比常规RTK方案更具有优势。中心化RTK概念大大简化的通讯设计；可以遥控和监控接收机设备，随时掌握系统的运行和工作状态；标准化的输出接口，方便第三方软件的接口；接收机采用20Hz高速率，为大桥实时监测分析提供了有力保证。将来高达100Hz的GPS接收机可用于分辩出大桥高频动态特性。为了增强系统的可靠性，建议建立2个参考站。徕卡 GPS Spider支持多个参考站，进行双重检核。如果一个参考站出现通讯故障，其他参考站可作为备份对任何基线组合进行同时处理。徕卡 GPS

23、 Spider可以处理 L1 单频GPS接收机和 L1+L2双频接收机观测值。监测点间的每一条基线也可以进行处理。因此对于桥梁监测应用也可以采用单频接收机。由于大桥上监测的点或许会受到遮挡、多路径等影响，可能造成卫星数不足或部分卫星数据受到干扰等影响，伪卫星(Pseudolites）系统可作为GPS 大桥监测一个增强系统。利用GPS RTK技术，尤其是中心化RTK技术，可全天候长期在线实时监测大桥线形，直接测量出桥梁整体的三维位移，直接监测大桥主跨梁及索塔轴线的位移变化，获取反映桥梁健康状况的特征信息，配合结构分析模型来模拟桥身主要构件的内力状况，可增强桥梁结构健康监测和评估的可靠度，并侦察大

24、桥结构有否潜在损坏的危机，提高养护维修工作的效率和效果，为大桥交通安全和结构安全的维护管理与决策提供量化技术依据，对大桥安全可靠性作出评价。随着GPS硬件技术的不断提高和改善，GPS监测软件的性能不断改善，GPS监测系统将会更广泛地应用于大桥等结构监测之中。同时江阴大桥结构健康监测系统将对推动和发展数字化与智能化桥梁工程发挥积极的作用。致谢我们非常感谢江苏省交通科学研究院与欧亚公司南京分公司和徕卡公司在该项目上的大力合作。另外，我们特别感谢Frank Pache、承宇、曹志宏先生等提供的大力支持。参考文献Leica Geosystems (2005)，“Take it to the MAX! - An introduction to the philosophy and technology behind Leica Geosystems SpiderNET revolutionary Network RTK software and algorithms”，White Paper，Leica