GPS(全球衛(wèi)星定位系統(tǒng))自80年代中期投入民用后，已廣泛地在導(dǎo)航、定位等各領(lǐng)域應(yīng)用，尤其在測(cè)量界的控制測(cè)量中起了劃時(shí)代的作用。正是因?yàn)樗陟o態(tài)相對(duì)定位中的高精度、高效益、全天候、不需通視等優(yōu)點(diǎn)，使人們普遍采用其來(lái)代替(逐漸地)常規(guī)的三角、三邊、邊角等方法，并在理論、實(shí)踐中取得了可喜的成果。在精密工程變形監(jiān)測(cè)中也逐步得到廣泛的應(yīng)用。
隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，造橋技術(shù)不斷進(jìn)步，橋梁結(jié)構(gòu)逐步向輕巧、纖細(xì)方面發(fā)展。與此同時(shí)橋梁的載重、跨徑和橋面寬度不斷增長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)型式不斷變化。傳統(tǒng)的變形監(jiān)測(cè)手段越來(lái)越不能滿足變形監(jiān)測(cè)要求，這就迫切需要性能更可靠的設(shè)備來(lái)監(jiān)測(cè)大橋的形變。目前，隨著GPS技術(shù)的不斷成熟，GPS自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)在橋梁、建筑、地震、大壩等行業(yè)中應(yīng)用并取得很好的效益。GPS自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)儀器以其卓越的性能受到專家的好評(píng)。
1.GPS工作原理和應(yīng)用概況
1.1GPS工作原理
全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System)是美國(guó)國(guó)防部研制組建的新一代的軍民兩用的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)從20世紀(jì)70年代初開(kāi)始研制，美國(guó)政府于l995年4月宣布該系統(tǒng)已組建完畢并投入運(yùn)行。全球定位系統(tǒng)是美國(guó)繼阿波羅登月計(jì)劃和航天飛機(jī)計(jì)劃之后的又一龐大的空間計(jì)劃。它的出現(xiàn)不僅使導(dǎo)航技術(shù)和定位技術(shù)產(chǎn)生了根本性的變革，而且對(duì)交通運(yùn)輸、空間技術(shù)、地學(xué)研究、軍事等諸多領(lǐng)域及社會(huì)生活的各個(gè)方面都將產(chǎn)生重大影響。
全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)衛(wèi)星星座，設(shè)計(jì)由24顆衛(wèi)星(事實(shí)上目前經(jīng)常保持27至32顆衛(wèi)星)組成。它們分布間距為60度的6個(gè)軌道上，軌道傾角55度，每個(gè)軌道面上均勻分布4顆衛(wèi)星。衛(wèi)星的地面高度為20200km。這樣分布的衛(wèi)星星座，可以保證任意時(shí)間任意位置的接收機(jī)可同時(shí)收到4顆以上衛(wèi)星信號(hào)，以便進(jìn)行瞬時(shí)的定位觀測(cè)。
差分是2個(gè)或更多個(gè)測(cè)站之問(wèn)的相對(duì)定位，如圖1所示，如果A和B兩點(diǎn)在同一時(shí)間內(nèi)觀測(cè)了相同的一組衛(wèi)星(至少四顆)。而且A是一個(gè)己知點(diǎn)，通過(guò)某種數(shù)據(jù)鏈，把原始改正信息傳到B點(diǎn)，那么B點(diǎn)的位置就可以加以確定。
GPS接收機(jī)在地面上接收位于天上的至少4顆GPS定位衛(wèi)星的信號(hào)(電磁波)。根據(jù)定位信號(hào)到達(dá)GPS接收機(jī)的時(shí)間差，GPS接收機(jī)就可以計(jì)算出自己距離衛(wèi)星的準(zhǔn)確距離。又因?yàn)镚PS定位衛(wèi)星在天上的位置是己知的，所以可以通過(guò)公式，把這個(gè)位置和剛剛得到的距離，換算出GPS接收機(jī)在地面的位置(經(jīng)緯度、海拔等等) 。
1.2 實(shí)施GPS監(jiān)測(cè)的必要性
變形監(jiān)測(cè)是橋梁安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的關(guān)鍵項(xiàng)目。傳統(tǒng)變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在保證工程正常運(yùn)行方面發(fā)揮了重要作用，但存在如下缺陷：
(1)大量采用手工采集數(shù)據(jù)的方法，自動(dòng)化測(cè)點(diǎn)少，自動(dòng)化程度低，工作量大，觀測(cè)易受氣候和其它外界條件的影響，容易漏過(guò)重要和危險(xiǎn)的信號(hào)；
(2)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變形量在時(shí)間上不是同步的；
(3)平面位移和垂直位移數(shù)據(jù)是在不同的測(cè)點(diǎn)上、不同的時(shí)間里采集的；
(4)精密水準(zhǔn)網(wǎng)路線長(zhǎng)。
利用GPS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)橋梁進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)，能克服傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所存在的缺陷，精度能滿足規(guī)范要求，而且可以更全面地了解橋梁各時(shí)期的變化，甚至瞬時(shí)變化，實(shí)現(xiàn)連續(xù)觀測(cè)與數(shù)據(jù)的自動(dòng)處理?？梢愿行У卣莆諛蛄旱倪\(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，確保橋梁的安全，并為橋梁提供更可靠的安全監(jiān)測(cè)資料。
1.3GPS的主流觀測(cè)方法-RTK技術(shù)
從國(guó)內(nèi)外的有關(guān)研究和應(yīng)用可以看出GPS是一個(gè)非常有效的橋梁監(jiān)測(cè)技術(shù)，GPS與其它傳感器結(jié)合用于橋梁健康監(jiān)測(cè)已形成了趨勢(shì)。它的觀測(cè)方法主要分為兩個(gè)流派：?jiǎn)位綬TK模式和控制中心實(shí)時(shí)統(tǒng)一解算模式。目前單基站RTK模式的GPS監(jiān)測(cè)方法在橋梁監(jiān)測(cè)中的常見(jiàn)精度為1-3cm，數(shù)據(jù)采樣頻率一般為1Hz 。
RTK測(cè)量技術(shù)集合了GPS衛(wèi)星定位、快速解算、數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸、快速跟蹤等多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于許多個(gè)領(lǐng)域，像鐵路、公路、建筑、水利、石油等，主要因?yàn)槠錅y(cè)量模式和測(cè)量速度、精度比以往的測(cè)量方式有了很大的變革。
(1)RTK概述
RTK(Real Time Kinematic)技術(shù)是GPS實(shí)時(shí)載波相位差分的簡(jiǎn)稱。這是一種將GPS與數(shù)傳技術(shù)相結(jié)合，實(shí)時(shí)解算并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，在1～2s時(shí)間內(nèi)得到高精度位置信息的技術(shù)。
(2)RTK的工作原理
實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位(RTK) 系統(tǒng)由基準(zhǔn)站和流動(dòng)站組成，建立無(wú)線數(shù)據(jù)通訊是實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量的保證，其原理是取點(diǎn)位精度較高的首級(jí)控制點(diǎn)作為基準(zhǔn)點(diǎn)，安置一臺(tái)接收機(jī)作為參考站，對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)，流動(dòng)站上的接收機(jī)在接收衛(wèi)星信號(hào)的同時(shí)，通過(guò)無(wú)線電傳輸設(shè)備接收基準(zhǔn)站上的觀測(cè)數(shù)據(jù)，隨機(jī)計(jì)算機(jī)根據(jù)相對(duì)定位的原理實(shí)時(shí)計(jì)算顯示出流動(dòng)站的三維坐標(biāo)和測(cè)量精度。這樣我們就可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)待測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)觀測(cè)質(zhì)量和基線解算結(jié)果的收斂情況，根據(jù)待測(cè)點(diǎn)的精度指標(biāo)，確定觀測(cè)時(shí)間，從而減少冗余觀測(cè)提高工作效率。
(3)提高工作效率VRS系統(tǒng)的應(yīng)用
高精度實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)(RTK)GPS定位已經(jīng)在測(cè)量和工程界產(chǎn)生了重大變革，帶來(lái)了空前的高效率。但直到現(xiàn)在，用RTK系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行高精度的測(cè)量作業(yè)，還意味著你必須首先在測(cè)區(qū)附近建立一個(gè)控制點(diǎn)，然后在該控制點(diǎn)上架設(shè)參考站。但目前隨著技術(shù)的日益成熟和改進(jìn)，虛擬參考站VRS系統(tǒng)的誕生使得進(jìn)入測(cè)區(qū)內(nèi)的任何一點(diǎn)就能立即開(kāi)始GPS測(cè)量而無(wú)需架設(shè)參考站的設(shè)想得以實(shí)現(xiàn)。
這種全新的RTK定位方法從根本上提高了作業(yè)效率和測(cè)量的質(zhì)量。它不再要求建立參考站，從而節(jié)省了測(cè)量時(shí)問(wèn)，也省去了購(gòu)買另一臺(tái)參考站接收機(jī)的費(fèi)用。在VRS網(wǎng)內(nèi)，等于已經(jīng)建立了公用的控制點(diǎn)，因此不用擔(dān)心不精確的控制點(diǎn)所產(chǎn)生的誤差傳播。而且接收機(jī)初始化會(huì)更快，也可以確信在得到結(jié)果之前所有的數(shù)據(jù)都進(jìn)行了嚴(yán)格的質(zhì)量檢查?？梢哉f(shuō)VRS系統(tǒng)的產(chǎn)生極大地方便了RTK的測(cè)量。
2.GPS應(yīng)用于橋梁變形動(dòng)態(tài)檢測(cè)
2.1基于GPS的橋梁形變動(dòng)態(tài)檢測(cè)
橋梁在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮對(duì)外力具有一定的抵制能力，如風(fēng)力、交通、溫度、潮汐以及一些不可預(yù)知的載荷，如地震、洪水及臺(tái)風(fēng)。這些外力因素是橋梁在設(shè)計(jì)階段和運(yùn)營(yíng)階段需要考慮的主要因素。不像橋梁基礎(chǔ)沉降很容易利用常規(guī)測(cè)量?jī)x器測(cè)量，橋梁的動(dòng)態(tài)變形特性或者說(shuō)是撓度變形用一般的儀器難以達(dá)到很好的測(cè)量效果，這是橋梁監(jiān)測(cè)的主要監(jiān)測(cè)內(nèi)容。典型的大型柔性橋梁的動(dòng)態(tài)形變有由于風(fēng)力引起的橫向振動(dòng)，以及由于交通或者環(huán)境溫度變化引起的豎直方向運(yùn)動(dòng)等。
近年來(lái)許多大型橋梁由于使用過(guò)度而導(dǎo)致了損壞。很明顯，橋梁的運(yùn)營(yíng)時(shí)間和近幾十年來(lái)日 益增加的交通量是主要的原因。據(jù)美國(guó)聯(lián)邦公路總署(FHWA) 統(tǒng)計(jì)有將近一半的橋梁損壞為結(jié)構(gòu)性損傷或功能性荒廢。因此，毫無(wú)疑問(wèn)對(duì)橋梁，尤其懸索橋的設(shè)計(jì)、建設(shè)以及運(yùn)營(yíng)需要進(jìn)行必要的檢測(cè)，以降低橋梁的事故率。這樣的工程要求 也就促使需要提供新的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和方法來(lái)保證橋梁的安全運(yùn)營(yíng)。基于此提出了研究基于GPS的橋梁變形檢測(cè)及分析，旨在從地理信息系統(tǒng)在工程測(cè)量中的應(yīng)用入手，研究其應(yīng)用范圍、方法以 及相關(guān)技術(shù)等。
2.2影響橋梁的環(huán)境因素及GPS檢測(cè)系統(tǒng)的重要性
一般來(lái)說(shuō)，影響橋梁的外部環(huán)境是非常惡劣的，它們使得維護(hù)橋梁的安全也成為了非常復(fù)雜的工作。影響橋梁的環(huán)境因素主要包括：(1)高速的潮汐以及風(fēng)力；(2)行駛船只可能的撞擊；(3)由于空氣的濕度和含鹽度引起的橋梁腐蝕破壞；(4)靠近地震區(qū)邊緣；(5)高密度的交通載荷；(6)隨著時(shí)間推移引起的材料疲勞和結(jié)構(gòu)損壞。目前，傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)工具有位移傳感器、加速度計(jì)、傾斜傳感器、激光干涉儀、全站儀、精密水準(zhǔn)儀等，這些方法都有一定的成效但也存在許多不足之處。例如，加速度計(jì)對(duì)于橋梁由于溫度變化等因素引起的徐緩的位移以及大風(fēng)影響下的大位移無(wú)能為力；激光干涉儀、全站儀和精密水準(zhǔn)儀受氣候的影響較為嚴(yán)重而且采樣率也很難達(dá)到動(dòng)態(tài)測(cè)量的要求。近年來(lái)由于GPS技術(shù)的不斷發(fā)展，尤其是RTK技術(shù)，其接收機(jī)采樣率己普遍達(dá)到幾十赫茲，定位精度達(dá)到厘米甚至毫米級(jí)，這使其用于橋梁的監(jiān)測(cè)成為了可能。GPS用于橋梁監(jiān)測(cè)不受氣候的影響，可以全天候自動(dòng)測(cè)量，能夠?qū)崟r(shí)提供定給結(jié)果(IK)，而且可以方便地實(shí)現(xiàn)各測(cè)點(diǎn)的時(shí)間同步。因此在當(dāng)前的工程中，發(fā)展基于GPS的橋梁檢測(cè)具有重要的價(jià)值。
GPS技術(shù)應(yīng)用于橋梁檢測(cè)，精度高，不受作業(yè)環(huán)境和距離限制 ，自動(dòng)化程度高，極大地降低勞動(dòng)作業(yè)強(qiáng)度，減少野外工作量，大大提高工作效率及成果質(zhì)量，給傳統(tǒng)的橋梁形變監(jiān)測(cè)作業(yè)方式帶來(lái)了巨大變化，使橋梁檢測(cè)水平顯著提高。
另外，目前大部分的橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)做到數(shù)據(jù)自動(dòng)傳輸、自動(dòng)解算處理、準(zhǔn)實(shí)時(shí)測(cè)量結(jié)果和測(cè)量結(jié)果圖形演示。利用控制中心實(shí)時(shí)統(tǒng)一解算模式的監(jiān)測(cè)方法雖然難度較大，但精度較好。這一監(jiān)測(cè)方法將作為今后致力研究的方向。
