虎门大桥GPS(RTK)实时位移监测方法研究

1、虎门大桥GPS(RTK)实时位移监测方法研究虎门大桥GPS(RTK)实时位移监测方法研究过静君,戴连君,卢云川(清华大学地球空间信息研究所,北京100084)StudyofMethodforRealtimeSurveyonHumenBridgebyGPS(RTK)GUOJing-jun,DAILian-jun,LUYun-chuan摘要: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、车载及温度变化对桥梁变形的影响显得越来越重要。如何获取实时位移并将所得的数据进行安全分析,成了大桥安全性研究的另一课题。本文介绍了利用GPS(RTK)技术监测虎门大桥实时位移的方法研究和实现途径。关键词:

2、GPS;大桥;位移监测;网络1.概述广深珠高速公路虎门大桥位于广东省珠海一角洲中部，跨越珠江干流狮了烊出海航道、该桥是珠江一角洲陆路交通的联系枢纽，是沟通广东东南两类公路网的咽喉道、虎门大桥工程是中跨越珠江水面的虎门大桥及东西两岸引道和配套工程组成、路全长为 15 762 km，双向 6个车道，含各种桥梁20座、其中虎门大桥长4 606 m，跨越在主航道上的主跨是888 m的悬索桥，跨越辅航道270 m的是预应力混凝土连续钢构桥及引桥，另外还有3座隧道、悬索桥在风荷载下设计水平最大位移为 0 95 m，垂直最大位移为 129 m，大桥各点基振频率集中在 0 088 0 64 HZ之间、中于虎门

3、大桥位于热带风暴多发区，大桥安全性监测十分重要、如何监测台风、地震、车载及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方法。上海扬浦大桥采用的是全站仪自动扫描法，对各个测点进行 2 m in一周的连续扫描，缺点是：各测点不同步；大变形比较难以测量；实时性较差、位移传感器是一种接触型传感器，必须与测点相接触，缺点是：对于难以接近的点无法测量；对横向位移测量有困难、加速度传感器，对于低频静态位移鉴别效果差，为获得位移必须对它进行两次积分，精度不高，也无法实现对大型悬索桥的频率分析、激光法测量精度较高，但在桥梁晃动大时中于无法捕捉光点也无

4、法测量、除上述不足外，各种方法对桥梁的扭角（以大桥中心线为基准，左右摆动的角度）测量也力不从心，为对桥梁进行安全监测，必须寻找更好的测量方法。采用卫星定位系统，即利用接收导航卫星载波相位进行实时相位差分即 RTK技术（Rea T。e Kinematic），监测大桥位移，具有如下特点：l由于GPS是接收卫星定位，所以大桥上各点只要能接收到5颗以上GPS卫星及基准站传来的GPS差分信号，即可进行GPS RTK差分定位、各监测站之间勿需通视，是相互独立的观测值。2 GPS定位受外界大气影响小，可以在暴风雨中进行监测。3 GPS测定位移自动化程度高、从接收信号，捕捉卫星，到完成RTK差分位移都可中仪器

5、自动完成、所测3维坐标可直接存入监控中心服务器进行大桥安全性分帆4.GPS了位速度快、精度高、 GPS RTK最快可达1020 H z速率输出定位结果，实时定位精度平面可达 10 m m，高程可达 20 m m。所以采用GPS卫星定位技术监测大桥在荷载下的位移，为大桥的安全性运行提供依据，显示出优越的条件和广泛的应用前景。2.GPS（ RTK）实时位移监测系统的构成1虎门大桥GPS观测点的安装位置GPS监测站分别布设在虎门大桥桥面上、测定位置见图l、其中桥面上布设 12个 GPS监测点，在桥面的中点、四分之一、八分之一处两侧对称安置两个监测点，在东西桥塔的塔上横粱中点处各安置一个监测点、在以上

6、各位置均装有天线安装座、电缆、光缆及电帆一朋工程在桥面中点、桥面以东四分之一及桥面以东八分之一处安装6台GPS接收机，在东桥塔上横粱中点安装 1台 GpS接收机，共 7个 GpS监测站、图1实线标出的位置即为一颗安装的GPS监测站的位置。2大桥位移监测系统总体设计图虎门大桥GPS监测系统主要是中GPS基准站、GPS监测站、光纤通信链路和GPS监测中心等4部分组成，而监测中心主要中工作站、服务器和局域网组成，具体见图2。3系统各个部分的功能1GpS基准站、输出差分信号和原始数据。2 GPS流动站、输出RTK差分结果和原始数值3工控机、采集GPS流动台的原始数据和RTK差分结果，向GPS流动站发送

7、控制命令、通过切换开关控制共亨、分配器的工作。4服务器、运行数据序，处理工控机发送来的数据供工作站显示和分析。5远程控制器、远程启动和复位GPS流动站。6共亨、分配器、把差分信号中1路分成12路，每路差分信号和对应的控制命令通过切换开关共亨一路。7局域网、网络包括网络光调制解调器、光纤、集线器和网线等，提供数据序存驭和文件操作的通道。3.GpS（RTK）实时位移监测系统信号流程1差分信号的传送由于大桥实时监测系统的精度要求较高，水平X，Y的误差为 1cm，高程误差为 2 cm，所以采用了 RTK差分方式，差分信号传递的实时性比较强、为减少信号延迟，在系统的设计时差分信号回路基本是很少控制、差分

8、信号的传递路径如图3。2控制命令的传递根据数据的分析要求和监测系统的实际情况，GPS接收机应能单独输出 0 5 HZ采用频率的RTK数据，也能同时输出RTK结果和原始数据，这样系统能根据实际的需求远距离设胃桥上GPS接收机的参数、本系统的实现是先中工作站的设胃程序通过网络通信去控制工控机上的数据采集程序，再中采集程序根据工作站的命令控制切换开关，向各个GPS接收机发送指令、控制命令的具体流程见图4。3 RTK数据和原始数据传递RTK数据、原始数据的采集是系统工作的核心，通信回路上的数据量也是最大的、系统能处理两种数据任意频率的组合，通过工控机的处理，RTK结果以数据序方式存入服务器，原始数据则

9、以文件形式写入，具体流程如图5。4.系统的安全性和可靠性中于局域网内的计算机不集中，特别是数据采集的工控机距离监控中心凡公翠以外，现场操作很不方便、而工控机义是连接监控中心和GPS接收机的枢纽，这样对工控机的程序提出了很高的要求、另外GPS接收机安装在大桥上，当接收机出现工作出错或死机时，现场操作也比较困难、为此，整个系统除实现基本功能外，尽量提高系统的安全性和可靠性、这些主要包括以下凡个方面：l自己设计开发远程控制器，其主要功能是实时监听控制命令回路，接收监控中心发送来的复位命令，切断GPS接收机的电源，经过一定的延时后，再重新启动接收机，使接收机复位井丁常工作、另外当电源合上时，远程控制器

10、也能自动打开接收机。2在工控机程序中加入看门狗，当工控机的程序或操作系统出现错误并导致数据采集程序停止工作时，看门狗电路将自动复位计算机、计算机启动后能直接运行程序井连接网络，不用任何干预。3丁常工作时工控机一直通过网络连接到服务器的数据序，当服务器停机或网络出现故障时、工控机的程序将继续运行井不停尝试连接数据序、一巳故障排除，工控机程序将自动投入丁常运丘4中分析工作站程序可以通过网络同时开启流动站和基准站的原始数据输出，保证原始数据的可利用化5中于整个系统处在雷电多发区，除GPS接收机天线采驭防雷外，通信均采用光纤线路，避免了雷电的入侵和干扰，义提高了数据的可靠性。5. 系统运行结果系统经过

11、安装调试运行后，做到了可以实时监测各个观测点的X，丫，Z的位移，实时监测整桥3个方向的位移和大桥的扭角、并能对各点的数据进行记录口放、通过系统在桥下实时试验和在桥上的GPS原始数据后处理两种方法的分析，均证明系统实时精度达到设计要求、中于采样频率比较高，也能完全对各个点进行频谱分析，可以及时反映大桥的安全性、在数据的备份处理方面也有很强的功能、图6、图7是分析工作站上显示的观测点的部分时程曲线和频谱分析图，其中坐标是先中经纬度、高程投影到当地坐标系，再通过大桥和东西方向的夹角，投影成大桥坐标，实时仅显示减去基准坐标后的变化部分。6.结论整个系统的运行达到了预期的结果、同其他的测量方式相比，利用GPS实时监测大桥位移显示出独特的优越性、特别是实时性和高采样率的数据为大桥的状态分析