基于双频gps定位技术的大桥实时变形监测系统设计书

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1、基于双频GPS定位技术的大桥实时变形监测系统设计方案1GPS工作原理和应用概况1.1    GPS工作原理全球定位系统(GlobalPositioningSystem一GPS)是美国国防部研制组建的新一代的军民两用的卫星导航定位系统。该系统从本世纪七十年代初开始研制，美国政府于1995年4月宣布该系统已组建完毕并投入运行。全球定位系统是美国继阿波罗登月计划和航天飞机计划之后的又一庞大的空间计划。它的出现不仅使导航技术和定位技术产生了根本性的变革，而且对交通运输﹑空间技术﹑地学研究﹑军事等诸多领域及社会

2、生活的各个方面都将产生重大影响。全球卫星定位系统卫星星座，设计由24颗卫星（事实上目前经常保持27至32颗卫星）组成。它们分布间距为60度的6个轨道上，轨道倾角55度，每个轨道面上均匀分布4颗卫星。卫星的地面高度为20200公里。这样分布的卫星星座，可以保证任意时间任意位置的接受机可同时收到4颗以上卫星信号，以便进行瞬时的定位观测。差分是2个或更多个测站之间的相对定位，如图1－1所示，如果A和B两点在同一时间内观测了相同的一组卫星（至少四颗）。而且A是一个已知点，通过某种数据链，把原始改正信息传到B点

3、，那么B点的位置就可以加以确定。1-1差分GPS示意图1.2    实施GPS监测的必要性变形监测是桥梁安全监测系统中的关键项目。传统变形监测系统在保证工程正常运行方面发挥了重要作用，但存在如下缺陷：1)     大量采用手工采集数据的方法，自动化测点少，自动化程度低，工作量大，观测易受气候和其它外界条件的影响，容易漏过重要和危险的信号；2)     各监测点的变形量在时间上不是同步的；3)     平面位移和垂直位移数据是在不同的测点上﹑不同的时间里采集的；4)     精密水准网路线长。利用GPS

4、监测系统对桥梁进行变形监测，能克服传统监测系统所存在的缺陷，精度能满足规范要求，而且可以更全面地了解桥梁各时期的变化，甚至瞬时变化，实现连续观测与数据的自动处理。可以更有效地掌握桥梁的运行状态，及时发现问题，确保桥梁的安全，并为桥梁提供更可靠的安全监测资料。1.3    GPS应用概况由于GPS定位技术具有速度快﹑精度高﹑全天侯﹑费用省﹑自动化程度高等优点，因而近年来在我国也已迅速得以推广。据统计目前我国引进的测量型GPS接收机的数量已超过数千台。GPS定位这一高新技术已在大地测量﹑精密工程测量﹑地壳

5、形变监测﹑石油勘探﹑资源调查﹑城市测量等领域内成功地得以应用和普及，极大地推动了上述行业的技术进步。28GPS精密定位基本上都是以毫米级精度（在数公里的短边上）和厘米级精度（在数百公里或数千公里的长边上）为目标的。早在1984年美国已在斯坦福粒子加速器的工程测量中采用了GPS定位技术，平差后控制点的平面位置精度为1一2MM，高程精度为2一3MM。90年代初，我国在控制面积和平均边长都要大得多的大港油田地面垂直形变监测网中也采用了GPS定位技术，大地高的测定精度为3.4MM。上述精度可以认为是这一时期利

6、用GPS定位技术进行精密工程测量和大地测量时所能达到的典型精度。 98年3月，武汉大学（原武汉测绘科技大学）在清江隔河岩水利枢纽成功地建成了大坝外观变形与高边坡GPS自动化安全监测系统；当年清江流域普降暴雨，长江的防汛形势也极为严峻，为了减轻长江防汛的压力，防汛部门将隔河岩的蓄水位提高到204M，超正常蓄水位4M；防汛部门能作出如此英明决策，是由于利用了高性能的GPS系统，对大坝进行连续观测与数据的实时动态处理，及时地掌握了大坝的运行状态。隔河岩建成的GPS系统定位精度在水平方向为0.5MM，垂直方向

7、为1MM，这一精度水平已在国内居领先地位。事实证明GPS监测技术在隔河岩大坝已取得成功，并在1998年长江全流域特大洪水期间经受了考验，发挥了重要作用。1.4    GPS在国内外已建成桥梁健康监测系统中的应用1)     英国Humber桥的GPS监测系统英国的Humber悬索桥全长2220米，主跨1410米，南跨530米，北跨280米(图1－1)。英国诺丁汉大学于1996年使用2台双频GPS接收机，一对甚高频数据链对该桥进行了动态监测试验。该试验以2Hz采样频率，分别测量了中跨1／2、边跨1／2和

8、支撑塔顶的位移。数据处理采用随机RTK软件。该试验显示桥面垂直位移最大为40厘米，大多数时间位移量为15厘米左右，桥面横向位移最大为14厘米，塔顶纵向位移1—2厘米，横向0.5—1厘米。1998年，英国Bmnel大学使用双频GPS接收机对该桥进行了动载和静载试验，采样率为5Hz。本次试验动用5辆货车，进行了若干动、静载试验。结果表明，GPS测量的三维位移结果与该桥的有限元模型的计算结果相当吻合。英国Humber大桥2)   日本明石海峡大桥的GPS监测系