2东海大桥GPS天线阵列变形监测方案设计

1、一课资料 网 第1 5卷第4期测绘工程Vd . 15 M. 42 006年8月ENGINEERI NGoF SURVEYINGANDMAPP INGAu g. , 2 0 0 6 东海大桥G P S天线阵列变形监测方案设计王新洲1 '2 ,邱卫宁1 ,廖远琴1 ,邹进贵1 ,花向红1(1 .武汉大学灾害监测与防治研究中心，湖北武汉4 3 0 0 7 9; 2 .山东科 技大学地球信息科学与工程学院，山东青岛2 6 6 5 1 0 )摘要：介绍了自主研制的GP S天线阵列变形监测系统。根据东海大桥的具体情 况，给出两个东海大桥GP s天线阵列变形监测的设计方案。采用该设计方案， 建设东海

2、大桥变形监测系统的成本仅为隔河岩模式的31%。关键词：GPS天线阵列；东海大桥；变形监测。中图分类号：P 1 2 2 8文献标识码：A文章编号：10067949 (200 6 ) 04 0 0 4 5 06Schemede format i onmon i tor i ngus i ngGPS antennaarraydes ignOf fordonghai largebridgeWANGX in - z h o u Q I UW e imin91, LIAOYuan 一 qinl,ZoUJin gui 1, HUAXiang hon91(1. ResearchCente r fOrHaz a

3、 r dMon i tor i n gandPrevent ion, Sch ()OlofGeod 酋 y&(; e。 mat i cS, WuhanUn i ve 商 ty, Wuhan430079, Ch ina; 2. ShandongUn i veWtyo fSc i enceandT echno 1 ogy, Qingdao266510, Chim) Abstract: Thi spapermainlyintrCducesd efomat ionHIOni toringtheus ing (jPSant ennaar raysys tem, whichi sdeveloped

4、ind ependent lybyourteam. Then, accordingt othespec i f icci rcums tance, i tpreSents twodes i gns forGPSantennaar rayde f o m 1 a t ionnloni toringoftheus ingl: bnghai la rgeb 'Hge. Us ingourdes igns, thede fonna? t ionmoni toringsystemforl) Onghai lar gebridgewi 1 lcostonly31percentofthem oney

5、spentontheGeheyann 1 ode 1. That i s, oc Innpar ingwi ththe (迳heyanmodel, thef i rstdes igncansave69, 4 6 0, OOOyuanofth econstruc - t ionexpense, whi letheseoo n donecansave40, 8 3 0, OOOyuan.叠（eywords: GPSantennaar ray; I） onghaib ridge; deformat ionmoni toring东海大桥起始于上海浦东南汇区的产潮港，北工条件。与沪产高速公路相连，南跨杭

6、州湾北部海域，直达浙东海大桥施工包括很多大跨 径钢梁结构，大跨江省嶂泗县崎岖列岛的小洋山岛。东海大桥为全长度的主通航 孔、辅通航孔以及两座斜拉索桥的主跨约3 1 km的曲线桥梁，其中跨海段2 5 km0整座桥都是大跨度结构。这些钢梁结构不管是在施工过程包括2座大跨度 海上斜拉桥、4座大跨度的预应力中还是在运营管理过程中都存在变形。随着大 桥跨连续梁桥，大量的大跨径为整跨安装的非通航孔。度的增大，加劲梁的高跨 比越来越小，安全系数也随东海大桥按双向六车道加紧急停车带的高速公路标之 下降，对外界波动荷载的敏感性越强，在特殊气候准设计，桥宽3 1 . 5 m,设 计车速8 0 k r I 1/h,设

7、计荷载条件下会产生桥梁过大的摆动位移。如青马 大桥在汽车一超2 0级，挂车一1 2 0级，并按集装箱重车密8 5 m/s风速下 加劲梁侧移4. 7m0在这种情况下，排进行校验。东海大桥设计基准期为1 0 0年。车辆无法在桥上正常行驶，甚至可能发生危险。为东海大桥按地理位置可分为：陆上段、浅滩段、了保证桥梁运营的安全性，就要 在恶劣天气情况下跨海段和连岛段；按施工工艺特点分：陆上段、浅海及时对桥 梁的位移摆动和振动进行实时监测，并及段、非通航孔段、主通航孑L、辅通航 孔和港桥连接段，时作出分析判断，指挥桥梁的运营或关闭，从而避免其中港桥 连接段又分为开山路段、海堤段和颗珠山危险的发生。大桥3个部

8、分。每个部分 具有不同的地质状况和施另外，东海大桥自身荷载巨大，受风、温度、潮汐收稿 日期：2005 1 2 2 0项目来源：山东省泰山学者建设工程专项经费资助（聪x Z 0 5 0 2 ） 作者简介：王新洲（1 9 5 5），男，教授.万方数据? 4 6 测绘工程第1 5卷等自然因素的影响很大，导致受力情况非常复杂。为了保证大桥的安全运营，避 免造成灾难性的后果，必须对大桥进行长期的监测。1东海大桥变形监测方法的选择用经纬仪进行水平位移观测的方法很多，常用的方法有视准线法、前方交会法等。由于东海大桥为全长约3 1 k m的曲线桥，所以 测小角度法”和 活动觇牌法”都不适用。用一等或二等水准测

9、量监测东海大桥的垂直位移，在实际 工作中也不现实。对于3 1km的桥梁，一等水准无法实施，二等水准也难以进行，而且速度慢。用激光准直仪监测水平位移的原理与用经纬仪进行水平位移观测的原理几乎相 同。所以用激光准直仪监测东海大桥的水平位移也是不现实的。由于东海大桥结构复杂，所以采用倾斜传感器监测东海大桥的变形比较困难。对 于用液体静力水准仪监测东海大桥的垂直位移，由于大桥太长，也不 是好的选择。由于东海大桥长达3 1 km,故无法摄取大桥全景的立体像对，因此，在东海大桥中采用近景摄影测量的方法监测变形是不符合实际的。测量机器人在变形监测领域是非常有前途的方法。但在长达3 1 km的东海大桥的变形监

10、测中却不是好的选择，甚至是不可能应用的。由于GPS具有精度高、速度快、全天候、自动化的特点，因而该技术在变形监 测领域倍受测量人员的青睐。应用GP S进行变形监测的方式很多，归纳起来一般有3种模式。一是只用几台 GPS接收机，人工定期逐点采集数据，这种模式称为普通模式。二是在每个监 测点上都安置一台GP S接收机，实现全天候、全自动化监测，采用这种模式进行GP S变形监测的典型实例是隔河岩大坝自动监测系统，因此称这种模式为隔河岩模式。三是采用GP SRTK技术，称为RTK模式。目前，RTK模式一般难以达到3mm的监测精度，所以RTK模式不适用东海 大桥的高精度变形监测。普通模式的优点是简单、经

11、济、成本低，GPS接收机 可以与其他工程共享。其缺点是不能实现自动化，不能连续监测大桥变形，因 此，无法反映大桥的动态变化情况。隔河岩模式的变形监测系统也称为长期连续运行的GP S变形监测系统，集GPS、数字通讯、计算机网络、自动控制、精密工程测量及现代数据处理等高新技术于一 体，一般包括数据采集、万方数据数据传输、数据处理分析和管理3个部分，是很好的变形监测模式。具缺 点是成本太高，对于东海大桥这样拥有几百个监测点的大型监测工程，其成本往 往高的无法接受。由于GP S变形监测的普通模式不仅劳动强度大，而且不能实时监测。隔河岩模式各方面都很好， 就是费用太昂贵，难以实际实施。鉴于以上问题，建

12、议采用GP S多天线阵列变形监测系统来监测东海大桥的变形。2GP S多天线阵列变形监测系统简介GP S多天线阵列变形监测系统是由数据采集、数据传输、数据处理3个部分组成。数据采集部分的核心是GP S多天线共享器，它将价格昂贵的接收机阵列变成了相对便宜的大 线阵列。GP S多天线共享器可以使一台GP S接收机控制多个GP S天线，每 个监测点上只安装GP S天线，不用安装GP S接收机，这样就可以使监测系统的成本大幅度下降。多天线共享器由数字电路和微波电路两部分组成。数字电路部分包括液晶屏显 示、控制电路、微波开关控制电路、GPs天线供电电路、共享器控制接口电路 以及系统设置电路。数字电路的核心

13、部分是一个MCU （微处理器），通过MC U可以实现对电路各部分的有效控制。微波开关控制电路，是通过MCu的3个 1/00来控制嵌入到微波开关芯片内的3-8译码器，从而实现对G P S信号通道开启（关 闭）的控制。GP S多天线阵列变形监测系统的硬件结构如图1所示，数据处理结果如图2所示。数据处理结果表明，该系统的精度为：盯 x = ±1 . 1mm; 口。y = ±2. 5mm;仃42 = ±1. 2mm。3东海大桥GP S多天线阵列变形监测方案设计 3 . 1东海大桥GP S多天线阵列变形监测系统的布设原则东海大桥具有桥体长、桥面宽、分段建造的特点。如果只在大

14、桥的两岸布置两基准站直接对大桥上的监测点进行监测，则两基 准站之问的基线将长达约4 0 km。这样的GP S中长基线是难以保证监测精度 的。因此，提出在变形监测时将桥梁分段处理， 即采用两级布网、分段监测、分段解算的原则。3. 2基准点的布设首先在大桥两岸适当位置布设两个基准点，这两个基准点的布设方法、布点标准 与I G S站的布设第4期王新洲，等：东海大桥GP S天线阵列变形监测方案设计? 4 7 ?图1 GP S多天线阵列变形监测系统硬件结构图方法相同。通过与上海、北京、武汉等地的I GS站进行联测，确定这两个基准点在I TRF框架下的精确坐标。这两个基准站每天 2 4 h连续运行。两基距

15、划分4级，每段约长6. 2km;将1. 9km的海堤和1 . 6 6k m的桥梁结构组成的连岛段作为最后一段。每段的两基准站之间距离大约在5 -6 km,这样就将原来的长基线观测进行了 拆分，整个桥梁分段如图3所示。3. 4监测点的布设准点位置的选择应以透空度良好（仰角1 0。以上无遮蔽物），地质稳定性佳，远离电磁波干扰源等为必要条件。止匕外，供电、通讯及交通的方便性也会影响设站以及站点运转的维护开 支，故这些也是选择站点的重要因素。在每个基准站上安置一套高精度双为了方便业主选择，我们为东海大桥设计了两套监测方案。频GP S接收机以及可抑制多路径效应的天线，天线安置在坚固的观测墩上。接 收机和

16、备用电源等放置在简易玻璃房或既有建筑物内。基准站的电源以交流电为主，使用蓄电池作为备 用电源。3. 3工作基点的布设方案1 :监测站安置在各跨中间，即在大桥每一跨的中间设置（狰S天线。东海 大桥包括了两座大跨度斜拉索桥，分别是主通航孔处和颗株山大桥。对这两座桥主桥塔的摆动进行监测，需要求解主桥塔顶端的振幅和周期。分别在两座斜拉索桥桥塔顶端安置GPS天线，用两台共享器来控制桥塔顶端的天线，使它们分别与两台G PS接收机连接。I段以在东海大桥的桥面上修建5个永久观测墩，每个观测墩上安置天线、接收机、用口设备服务器、远程室外路由器及切割栅状抛 物面天线作为工作基点。工作基点上的（净S接收机保持2 4

17、 h连续观测，与两 岸的基准点联测，通过基准点对工作基点坐标进行改正。用坐标改正后的工作基 点对大桥进行监1号点和基准点-A作为直接基准点。数据处理时，各监测点和两直接基准点进 行差分处理。这一段共有1 0 0跨，需要1 0 0个GPS天线，1 3台天线共享 器,13台6$接收机。II段、田段、VI段、V段都以各自相邻的两工作基点 为直接基准点。每段上安置8 6个天线，1 1台共享器，1 1台接收机。VI段以5号工作基点和基准点B 为直接基准点，其中1.9k m的海堤上每6 0 m一个天线，主桥和引桥安置3 2个怡 UatJdG 、GlMC4kn 11H 键a诗若匕辑卜力曲SS，I'l

18、lilt一I-laff, HNilikiCl 咚 IMH*' *八；*力限号*,jj ir.中刎CH天线，一共需要6 4个天线，8台共享器，8台接收机。测或用工作基点的坐标改正值对监测点坐标进行改正。由于大桥建设具有分段结构的特点，在布设5个工作基点时考虑这一特点，将大桥分为6段，工作基点就设置在段与段的相连处。将陆上段和浅滩段全长约4 km作为变形监测的第一段；将跨海段等问万方数据? 4 8 ?测绘工程第1 5卷图2在监测点上观测2 h的数据处理结果用于放置GPS接收机、多天线共享器和无线通信等设备。箱内要有市电接人， 以保证GP S接收机、多天线控制器和无线通信等设备的正常供电。方

19、案2:为了节省成本，在方案1的基础上减少监测点。对两座斜拉索桥的处理 方法与方案1相同。跨海的2 4k m桥段，每1 0 0 m布设一个监测点，图3工作基点布设示意图其余6 km桥段每1 5 0m布设一个监测点，在特殊部 位如：主、辅通航孔和连岛段的大桥等处适当增加监测点。共布设2 9 6个GP S监测点，需要天线2 96 + 7 = 303个，GP S多天线共享器3 7台，G】 珞接收机3 7 + 7 = 4 4台。通过无线通信技术将G P S数据传输到控制中心的 计算机上，然后进行变形分析。nph 5 Tk-M <1515 %十 愀nn；j走心才屋打RH外1廿方长.1飞无哨Rhi1

20、L1翻打” ”上-T* tin皿用十次制含酢请让心iwsm 郛设计的东海大桥GP S阵列变形监测系统的工整个大桥一共需要天线：10 0 + 344+64+7=515个，多天线共享器：13+44+8=65,接收 机：13 + 44 + 8 + 7 = 72台。为了保证监测质量，各监测站上也需要建造 观测墩。建造观测墩时必须保证观测墩与大桥牢固相连，最好在大桥建设过程中 就建造好。每隔1 2跨建造一个容积大约1 m 3的铁皮仪器箱，万方数据第4期王新洲，等：东海大桥GP s天线阵列变形监测方案设计 ？ 4 9?作原理 如图4所示。图4东海大桥G P s阵列变形监测系统工作原理图3 . 5观测方案设

21、计况要23 m 1 n时间，即在车载大的情况下，每2 东海大桥设计车速为80kn 1/h,约22Hl/s。大桥3 m i n就可以获 得各监测点上的变形情况，这样可以受车流量、温度、潮汐等人为和自然条件的 影响将发达到准实时的变形监测。生变形。在这些影响因素中，车流量是导致大桥变可以根据不同时段不同车流量 设置不同的采样形的主要因素。在不同车流量的条件下，大桥变形间隔，比如： 从9时至1 2时、14时至1 8时之间是大频率不同，对大桥变形情况、变形分 析等的时限要求桥交通最繁忙的时段，可以将这些时段中多天线共也就不同。如 果采用第1种GP S多天线变形监测享器的采样间隔设置成1 5 s ,对于

22、每一个 监测点1 h方案。监测站间距离大约都是5 07 0m,车辆以可以获取2 0 3 0个坐标变化信息。在1 2时至1 4 8 0 k m/h的速度行驶时，需要3 s驶 过两监测站。大桥是双向6车道设计，在交通繁忙的时候，在两监测时内，可将采样间隔设置为3 0s,在这2 h内也可获取2 03 0个变形信息。点之问的车辆可能有6辆，要监测反映出在这种情 况下，车流对大桥变形情况的影响，可能需要1 0 3 . 6成本比较s才能将6辆车通过时的情况记录下来。由于多天线GP S多天线变形监测系统与 GP S隔河岩模式共享器在从一个天线转到另一天线进行卫星信号接在系统造价 方面比较见表1。收时总会有几

23、秒钟搜索卫星的时间，所以在车载大可见，对于东海大桥变形监 测，采用GP S多大的情况下多天线共享器和每台天线连接的时间设定线阵列变 形监测系统的成本仅为隔河岩模式变形监为15s,即时问间隔设置为15s。 在使用8个输入端测系统的3 1 %。方案1比隔河岩模式节省成本的共享器时， 多天线共享器依次扫描完8台天线一 6 9 4 6万元，方案2比隔河岩模式节省成 本4 0 8 3万次需要2 m 1 n的时间。数据处理完成后获取变形情元。显然该系统在经费方面 的优越性非常明显。万方数据? 5 0 ?测绘工程第1 5卷4结论与建议综上所述，可得如下结论：1 )传统的变形监测方法一般不适合东海大桥的 变形

24、监测。2廖远琴.东海大桥GP s多天线阵列变形监测方案设计D.武汉：武汉大学，2 0 0 5.3徐兴玉.浅论东海大桥桥梁健康监测J .城市道路与防 洪，2005 (6) : 130132.4梅文胜，张正禄，黄全义.测量机器人在变形监测中的应 用研究J .大坝与安全，2002 (5):33 3 5.5林元培，章曾焕，卢永成，等.上海东海大桥工程总体设计J .城市道桥与防洪，2 0 0 4 ( 4 ): 18.6周瑞祥.GPS RTK技术在东海大桥桩基施工中的应用J .铁路勘察，2004 (1):59 6 2.7何永琦，陈伟民，符欲梅.倾斜传感器在桥梁变形监测中的应用J .重庆大学学报：自然科学版

25、，2 0 0 4, 2 7 (7) : 28 3 1.2)(沼S天线阵列变形监测系统不仅非常适合东海大桥的变形监测，而且相对隔河岩模式可节省成本高达6 9%。3)建议采用方案2 ,因为方案2不仅可满足东海大桥变形监测的要求，而且总成本可控制在2万元人民币以内。参考文献0 0 08黄建跃，王树林，刘成龙，等.大跨度连续刚构桥施工主梁变形监测的必要性与方法J .桥梁建设，2003 (1):48 5 1.1王永弟.GP s多天线阵列变形监测系统研究D.武汉：武汉大学，2 0 0 5.责任编辑：刘文霞万方数据mmm1 1 1 WAKFANG DATA *砥链接东海大桥GPS天线阵列变形监测方案设计作者：作者单位：王新洲，邱卫宁，廖远琴，邹进贵，花向红，WANG Xin-zhou,QIU Wei-ning , LIAO Yuan-qin , ZOU Jin-gui, HUA Xiang-hong 王新洲，WANG Xin-zhou(武汉大学，灾害监测与防治研究中心，湖北，武汉,430079;山东科技大 学，地球信息科学与工程学院，山东，青岛,266510),邱卫宁，廖远琴,邹