虎门大桥GPS(RTK)实时位移监测方法研究

1、虎门大桥实时位移监测方法研究虎门大桥实时位移监测方法研究郭、戴连军、卢云川(清华大学地理空间信息研究所，北京100084)郭靖-君，大连-君，陆云-川由于大跨度悬索桥和斜拉桥的结构特点，实时监测台风、地震、车辆和温度变化对桥梁变形的影响越来越重要。如何获得实时位移并对获得的数据进行安全性分析已经成为桥梁安全性研究的另一个课题。介绍了利用全球定位系统技术对虎门大桥进行实时位移监测的研究与实现。关键词：全球定位系统；桥梁；位移监测；网络1.概观广深珠高速公路虎门大桥位于广东省珠海市的一个角的中间，它横跨珠江干流，出海口。该桥是珠江一角的陆路交通枢纽，是连接粤东东南两种公路网的咽喉公路。虎门大桥工程

2、由中间穿过珠江水面的虎门大桥、东西两侧的引道及配套工程组成，全长15762公里，双向六车道。共有各类桥梁20座，其中虎门大桥长4 606米，主槽上跨888米的悬索桥，副槽上跨270米的预应力混凝土连续钢构桥和引桥，三座隧道和悬索桥在风荷载作用下设计水平最大位移为0 95米，垂直最大位移为129米。桥梁各点的基频集中在0.088-0.64赫兹范围内。虎门大桥位于热带风暴多发地区。监控桥梁的安全非常重要。如何监测台风、地震、车辆和温度变化对桥梁位移的影响尤为重要。目前，用于结构监测的方法主要有经纬仪、位移传感器、加速度传感器和激光测量法。上海杨浦大桥采用全站仪自动扫描法，每周连续扫描各测点2 m。

3、缺点是：测量点不同步；大变形难以测量；实时性差，位移传感器是接触式传感器，必须与测量点接触。缺点是：无法测量不可接近的点；横向位移测量困难，加速度传感器对低频静态位移的识别效果差，必须积分两次才能得到位移，不准确，无法实现大型悬索桥的频率分析。然而，当桥梁剧烈摇晃时，不可能捕捉到光点并测量它。除了上述缺点之外，各种方法都不能测量桥梁的扭转角(基于桥梁的中心线，左右摆动的角度)，这是正确的采用卫星定位系统，即利用接收到的导航卫星的载波相位，利用RTK技术(Rea T)实现实时相位差。E运动学)，监测桥梁位移，具有以下特点：因为全球定位系统是接收卫星定位的，只要桥上的每一点都能接收到来自5个以上全

4、球定位系统卫星和参考站的全球定位系统差分信号，就可以进行全球定位系统实时差分定位，而且监测站之间不需要通视。独立观察。全球定位系统的定位受外界大气影响较小，可以在暴风雨中进行监测。3 .全球定位系统位移测量自动化程度高。从接收信号、捕获卫星到完成RTK差分位移，都可以由仪器自动完成。测量的三维坐标可以直接存储在监控中心服务器中，用于桥梁的安全航行分离4.全球定位系统定位速度快，精度高，全球定位系统实时定位系统能以10-20赫兹的最快速度输出定位结果，实时定位精度为20米，高程为20米因此，采用GPS卫星定位技术监测桥梁在荷载作用下的位移，为桥梁的安全运营提供了依据l、其中，桥面上设置12个Gp

5、S监测点，中间点两侧对称设置两个监测点，桥面的四分之一和八分之一，东西桥塔横梁的中间点分别设置一个监测点，上述位置安装天线座、电缆、光缆和电帆。六个全球定位系统接收器安装在桥面的中点，四分之一在桥面的东面，八分之一在桥面的东面，一个全球定位系统安装在东桥塔横梁的中点。2桥梁位移监测系统总体设计图虎门大桥的全球定位系统监测系统主要由四部分组成：全球定位系统基准站、全球定位系统监测站、光纤通信链路和全球定位系统监测中心，而监测中心主要由工作站、服务器和局域网组成，如图2所示。3.系统各部分的功能1个全球定位系统参考站，输出差分信号和原始数据。2个全球定位系统移动站，输出RTK差值结果和原始值3.工

6、控机，采集全球定位系统移动台的原始数据和RTK差分结果，向全球定位系统移动台发送控制命令，并通过交换机控制共享和分配器的工作。4服务器，运行数据序列，处理工业计算机发送的数据，用于工作站显示和分析。5遥控器，远程启动和重置全球定位系统移动站。6.共享，分配器，将一路差分信号分成12路，通过开关共享一路差分信号和相应的控制命令。7局域网和网络，包括网络光学调制解调器、光纤、集线器和网络电缆，为数据序列存储和文件操作提供通道。3.信号流量为3。全球定位系统实时位移监测系统1差分信号的传输由于桥梁实时监测系统精度高，水平X、Y误差为1cm，高程误差为2 cm，因此采用RTK差分方式，差分信号实时传输

7、能力强。为了减少信号延迟，在系统设计中很少控制差分信号环路，差分信号的传输路径如图3所示。2控制命令传输根据数据分析要求和监控系统的实际情况，全球定位系统接收机应能独立输出0-5 Hz频率的RTK数据，同时输出RTK结果和原始数据，以便系统能根据实际需要远程设置胃桥上的全球定位系统接收机的参数。该系统的实现是工作站的胃设定程序通过网络通信控制工控机上的数据采集程序，采集程序根据工作站的命令控制开关。向每个全球定位系统接收器发送指令和控制命令的具体流程见图4。3 RTK数据和原始数据传输RTK数据和原始数据的收集是系统工作的核心，通信回路上的数据量也是最大的。该系统可以处理任意频率的两种数据的组

8、合。通过工控机的处理，RTK结果以数据顺序存储在服务器中，原始数据以文件形式写入。具体过程如图5所示。4.系统的安全性和可靠性局域网中的计算机不集中，特别是用于数据采集的工业计算机远离监控中心，现场操作非常不方便，工业计算机是连接监控中心和全球定位系统接收器的枢纽，对工业计算机的程序要求很高。另外，当全球定位系统接收器安装在桥上时，现场操作是困难的。因此，整个系统不仅实现了基本功能，而且尽可能提高了系统的安全性和可靠性，主要包括以下几个方面：我自己设计和开发遥控器。其主要功能是实时监控控制命令回路，接收监控中心发送的复位命令，切断全球定位系统接收机的电源，并在一定延时后重启接收机，使接收机复位

9、并正常工作。此外，当电源打开时，遥控器可以自动打开接收器。2.给工业计算机程序增加一个看门狗。当工业计算机程序或操作系统和数据采集程序出现错误时3、丁畅工作时，工控机始终通过网络与服务器的数据序列相连。当服务器停止运行或网络出现故障时，工业计算机程序将继续运行。在尝试连接数据序列并排除故障后，工业计算机程序将自动输入裘芸丁畅。4中的分析工作站程序可以通过网络同时打开移动站和参考站的原始数据输出，以保证原始数据的可用性由于整个系统位于雷电多发区，除了用于防雷的全球定位系统接收机的天线外，通信采用光纤线路，避免了雷电的侵入和干扰，提高了数据的可靠性。5.系统运行结果安装、调试和运行后，系统可实时监

10、测各观测点的X、Y、Z位移，全桥三个方向的位移和桥梁的扭转角，并记录各点的数据。通过对桥下实时测试和桥上GPS原始数据后处理两种方法的分析，证明系统的实时精度满足设计要求，采样频率较高，各点的频谱分析可以完整进行。它能及时反映桥梁的安全性，在数据备份处理中具有很强的功能。图6和图7是显示在分析工作站上的观测点的部分时间历程曲线和频谱分析图，其中坐标首先被投影到本地坐标系，然后通过桥梁和东西方向之间的角度被投影到桥梁坐标，并且只有减去参考坐标后的变化部分被实时显示。结论整个系统达到了预期的效果。与其他测量方法相比，桥梁位移的全球定位系统实时监测显示出独特的优势，特别是实时、高采样率的数据为桥梁状态分析提供了便利条件，也