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GPS測量技術(shù)用于生產(chǎn)作業(yè)，在過去十多年中其作業(yè)模式從靜態(tài)測量，快速靜態(tài)測量，后處理高精度動態(tài)測量，發(fā)展到動態(tài)初始化(OTF)厘米級實時 RTK測量作業(yè)。目前厘米級實時RTK技術(shù)以其高效、可靠和適用性強等諸多優(yōu)點已經(jīng)被用戶所接受，并廣泛應用于各種測繪生產(chǎn)作業(yè)。RTK技術(shù)優(yōu)勢主要體現(xiàn) 在以下幾點：野外可實時獲得最終坐標，野外質(zhì)量控制，室內(nèi)工作量少，野外生產(chǎn)效率高，精度高(1-2 cm)，適合多種用途，如：放樣，公路施工，機械引導等。

大橋在施工期間，可采用GPS RTK技術(shù)進行施工放樣測量工作，尤其是跨海大橋工程。大橋建成通車后在環(huán)境因素影響、運營荷載和特殊荷載（如臺風、地震、特種運輸?shù)龋┳饔孟?，其強度?剛度可能會降低，結(jié)構(gòu)性能發(fā)生劣化，這將影響到行車安全和橋梁的使用壽命。十分有必要對大橋的結(jié)構(gòu)特性和安全狀況進行監(jiān)測和評價，而傳統(tǒng)的橋梁檢查方法難 以達到這個目的，因此，需要建立一個健康監(jiān)控系統(tǒng)。但是，目前在懸索橋安全性能評價方面還缺乏完整和有效的理論工具，對應力、應變進行長期監(jiān)測的設備可靠 性方面也有所不足。在諸多監(jiān)測項目中，橋線形是結(jié)構(gòu)體系對荷載響應的宏觀反映，因此線形監(jiān)測尤為重要。GPS 技術(shù)以其實時性好，可全天侯工作，自動化程度高、高精度和觀測點間無需通視等優(yōu)勢等諸多優(yōu)點，目前已在多座大橋上用于大橋動態(tài)位移監(jiān)測，GPS在結(jié)構(gòu)健康 狀態(tài)和地面運動監(jiān)測的高精度定位項目中起著越來越重要的作用。

徠卡公司于1999年承建了一個采用GPS技術(shù)用于大橋監(jiān)測的項目 －香港青馬大橋。之后又在山東黃河大橋、江陰大橋采用徠卡公司的軟硬件技術(shù)進行GPS大橋健康結(jié)構(gòu)監(jiān)測。

2005年初，徠卡公司基于的中心化RTK概念推出新一代GPS參考站軟件系統(tǒng) － Spider，該系統(tǒng)已經(jīng)在世界各地經(jīng)過廣泛測試和應用，與傳統(tǒng)實時RTK定位具有更多的優(yōu)勢，該技術(shù)只需要GPS接收機設備實時輸出原始數(shù)據(jù)，而且大大 簡化數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，提高了監(jiān)測的效率和可靠性。

本文首先回顧GPS RTK測量技術(shù)應用情況和徠卡公司在GPS大橋監(jiān)測方面應用情況。第二節(jié)主要分析GPS大橋監(jiān)測技術(shù)應用現(xiàn)狀；第三節(jié)詳細介紹徠卡中心化RTK概念的 參考站軟件－Spider；第四、五節(jié)將介紹徠卡中心化RTK概念在江陰大橋中的應用和結(jié)果分析與接口。最后，就GPS大橋監(jiān)測的應用給出一些結(jié)論和建 議，并展望GPS技術(shù)在大橋健康結(jié)構(gòu)監(jiān)測的應用前景。

GPS 實時大橋監(jiān)測目的和應用現(xiàn)狀

1、建立GPS 實時大橋監(jiān)測系統(tǒng)的目的

大橋主梁和索塔軸線的空間位置是衡量大橋是否處于正常營運狀態(tài)的一個重要標志。經(jīng)過多次實地測試驗證和精度評估，證明GPS技術(shù)*可用于大橋進行 全自動、全天候、連續(xù)實時高精度的變形監(jiān)測。相對于傳統(tǒng)橋梁變形監(jiān)測手段，GPS技術(shù)有如下優(yōu)點：直接獲取獨立的三維坐標，增強對橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的 可靠度；實時計算并顯示三維位移；全天候24小時連續(xù)觀測；與已有系統(tǒng)的位置獨立檢核。除此之外，系統(tǒng)提供風力效應監(jiān)測、溫度效應監(jiān)測、公路負荷效應 監(jiān)測、鐵路負荷效應監(jiān)測，大橋鋼索索力監(jiān)測以及大橋主要構(gòu)件應力監(jiān)測。利用GPS監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)對橋梁的自動檢核和數(shù)據(jù)的實時獲取。通訊網(wǎng)絡系統(tǒng)負責傳輸 GPS數(shù)據(jù)和遙控GPS接收機，GPS監(jiān)測系統(tǒng)在通訊方面的穩(wěn)定性和可靠性?？刂浦行姆治龊凸芾硐到y(tǒng)可以實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的實時分析，輸出檢測結(jié)果，并實現(xiàn)自動 報警功能。系統(tǒng)通過對橋梁位移和變形的高精度實時監(jiān)測和分析，為橋梁的管理和維護提供了科學的依據(jù)。

建立大橋三維動態(tài)位移GPS監(jiān)控系統(tǒng)的目的是：

• 對大橋三維動態(tài)位移（豎向、橫向、縱向）和環(huán)境變化進行長期的實時性監(jiān)測，實時獲取大橋線形變化、結(jié)構(gòu)體系動力特性信息以及環(huán)境參數(shù)；
• 對監(jiān)測信息進行實時處理和模型分析，進一步反演分析結(jié)構(gòu)內(nèi)力和剛度變化，從而對結(jié)構(gòu)承載力進行評價；
• 直觀了解臺風、地震、偏載、特種運輸?shù)忍厥夂奢d下的結(jié)構(gòu)響應，判斷結(jié)構(gòu)安全性和交通安全性；
• 根據(jù)設定的安全參數(shù)建立多等級報警系統(tǒng)，以可視化的三維動態(tài)形式及時了解和掌握大橋在各種條件下的工作狀況，實現(xiàn)動態(tài)的結(jié)構(gòu)危險性分析、評價和預警。

2、GPS大橋監(jiān)測系統(tǒng)的應用現(xiàn)狀

• 徠卡公司早在2000年已經(jīng)成功地為香港青馬大橋設計和安裝了GPS監(jiān)測系統(tǒng)，共采用27套徠卡GPS500接收機。系統(tǒng)運行穩(wěn)定。 2003－2005年徠卡公司又先后在山東黃河大橋和江蘇江陰大橋設計和安裝徠卡GPS500和GRX1200型以及Spider中心化RTK定位系 統(tǒng)軟件。徠卡公司積累了GPS橋梁監(jiān)測解決方案的*而又豐富的經(jīng)驗。其中江陰大橋和青馬大橋均屬于大跨度懸索橋。江陰長江大橋（主跨1385米），名列 四位；香港青馬大橋（主跨1377米）名列五位，（公鐵兩用橋名列）。
• 香港青馬交通管制區(qū)是香港通往新機場的交通干道，管制區(qū)內(nèi)包括三座相毗鄰的大型吊橋：青馬大橋、汲水門大橋和汀九大橋。其中，青馬大橋全長2200 米，塔高205米，主跨度1377米，是公路／鐵路兩用懸索吊橋；汲水門大橋全長829米，塔高150米，主跨度430米，是公路／鐵路兩用斜拉吊橋；汀 九大橋是長的斜拉吊橋之一。
• 青馬管制區(qū)原有橋梁監(jiān)測傳感器多達774個，包括風速計、氣象傳感器、動力稱量系統(tǒng)、加速度計、位移傳感器、應變標尺和水平儀等7大類，用以監(jiān)測纜 索、橋塔和橋面的結(jié)構(gòu)位移、纜索受力、橋面應變／應力和橋面加速度等。但這些傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)在橋梁振動位移監(jiān)測方面存在諸多缺憾。2000年，香港特區(qū)政府 署決定使用GPS技術(shù)對三座大橋進行全自動、全天候、連續(xù)實時高精度的變形監(jiān)測。
• 青馬GPS監(jiān)測系統(tǒng)由三個子系統(tǒng)組成：GPS測量系統(tǒng)、通訊網(wǎng)絡系統(tǒng)和控制中心分析與管理系統(tǒng)。
• 通訊網(wǎng)絡系統(tǒng)負責傳輸GPS數(shù)據(jù)和遙控GPS接收機，由于香港青馬管制區(qū)周圍的電磁波環(huán)境較差，存在較多的干擾源（如機場、航道和交通管制用的雷 達、電臺以及橋上高壓線產(chǎn)生的電磁場），香港青馬監(jiān)測系統(tǒng)的通訊網(wǎng)絡采用了光纖通訊技術(shù)，以確保青馬GPS監(jiān)測系統(tǒng)在通訊方面的穩(wěn)定性和可靠性。
• 控制中心分析和管理系統(tǒng)可以實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的實時分析，輸出檢測結(jié)果，并實現(xiàn)自動報警功能。
• 香港青馬GPS橋梁變形監(jiān)測系統(tǒng)已于2001年1月正式建成并投、技術(shù)的GPS橋梁變形監(jiān)測系統(tǒng)，建成以來，得到國際上的廣泛關(guān)注和贊譽。該系統(tǒng)通過對橋梁位移和變形狀礅的高精度實時監(jiān)測和分析，為橋梁的管理和維護提供了科學的依據(jù)。
• 為了滿足特殊用途的需要, 適當配置的GPS系統(tǒng)可以滿足在定位和相對位移的這種應用中大部分的靜態(tài)和動態(tài)測量的需要。換言之，單雙頻（L1或L1/L2)GPS載波相位測量、 數(shù)據(jù)采樣率、GPS和控制單元間的通訊連接及數(shù)據(jù)處理方法等的適當配置可以達到所需要的精度。
• 徠卡公司在上述方案的基礎上基于GPS高精度定位技術(shù)為大橋結(jié)構(gòu)監(jiān)測又開發(fā)出了一套中心化RTK概念的創(chuàng)新解決方案，而且具有豐富的橋梁監(jiān)測經(jīng)驗。 監(jiān)測系統(tǒng)設備可采用徠卡公司專業(yè)型GPS傳感器 － GRX1200Pro和遠程遙控、數(shù)據(jù)管理與中心化RTK功能的軟件 － SPIDER 軟件，徠卡公司承諾都可以為用戶提供系統(tǒng)方案建議和咨詢、交貨、安裝、培訓、技術(shù)支持和維護等項服務。

徠卡的中心化RTK GPS參考站軟件－Spider

徠卡公司GPS產(chǎn)品擁有SmartTrack（智能跟蹤）和SmartCheck（智能檢核），以其快速和可靠30Km常規(guī)RTK作業(yè)能 力，一直在GPS測量技術(shù)方面處于地位。徠卡的GPS參考站網(wǎng)軟件包可用于參考站控制、數(shù)據(jù)管理、遙控各個臺站所有設備的設定和運行，而且用戶可 通過軟件進行自動的定時數(shù)據(jù)下載、檢查、編制文件及發(fā)送到不同的FTP服務器。軟件也可自動檢查數(shù)據(jù)質(zhì)量及系統(tǒng)硬件的工作情況而發(fā)出不同的報警，而且 Spider 軟件可以連接不同的TCP/IP 地址，系統(tǒng)管理員或用戶可通過互聯(lián)網(wǎng)查看各臺站的運行情況，以確保系統(tǒng)連續(xù)運行的可靠性。由于徠卡Spider臺站控制軟件對數(shù)據(jù)通訊方式具有高度靈活 性，具有遠程遙控能力，徠卡公司的技術(shù)人員可以容易地通過互聯(lián)網(wǎng)檢查臺站系統(tǒng)，以確保維持高質(zhì)量的數(shù)據(jù)服務，提高系統(tǒng)維護的效率和便利性。

徠卡GPS Spider軟件的設計為具有高度的靈活性，*的功能，模塊化的結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)安全的參考站軟件。該軟件具備中心化RTK功能，可以以主動和被動方式支 持多種GPS接收機。采用徠卡GPS SPIDER 軟件將增加實時數(shù)據(jù)處理性能和結(jié)果的精度，并大大簡化通訊系統(tǒng)，降低通訊設備成本。

GPS Spider是集成的單參考站或臺站網(wǎng)控制和操作軟件包。 GPS Spider是模塊化的和可以用于*的長距離高精度網(wǎng)絡RTK (SpiderNET）、建筑物監(jiān)測、數(shù)據(jù)分發(fā)、數(shù)據(jù)存取管理，并支持數(shù)據(jù)下載和服務等解決方案。由于有了GPS Spider 你將可以用的解決方案提供專業(yè)的服務。

主要功能如下：

• GPS傳感器和數(shù)據(jù)流接收控制
• 徠卡500/1200GPS傳感器系統(tǒng)監(jiān)測
• GPS 原始數(shù)據(jù)和RINEX數(shù)據(jù)管理
• 徠卡500/1200系統(tǒng)GPS 數(shù)據(jù)確認
• 所有輸入的GPS數(shù)據(jù)流確認
• 記錄和傳送GPS數(shù)據(jù)的缺失通告
• GPS 原始數(shù)據(jù)和其他文件產(chǎn)品FTP 分發(fā)
• RTK - 以多種格式進行GPS 原始數(shù)據(jù)發(fā)送
• 利用 GPS原始數(shù)據(jù)流進行實時定位
• 臺站服務器和系統(tǒng)狀態(tài)及事件記錄
• 選擇事件 和網(wǎng)絡信息進行分布
• 提供網(wǎng)絡處理的原始數(shù)據(jù)流

徠卡 GPSSPIDER Positioning 功能模塊 是GPS接收機管理和處理應用軟件，可以以的速率（20Hz）和的精度對所有基線組合提供實時和后處理解。

• 結(jié)果通過串口、TCP/IP協(xié)議、文件或SQL DB 以多種格式（如的NMEA）與分析軟件進行接口連接輸出。
• “Re-processing”選項允許項目操作員一步一步查看得到的結(jié)果。
• RINEX 文件可以在運行中生成或定時下載，以供更好的了解多徑影響和供其他研究使用。

下圖為中心化RTK軟件顯示衛(wèi)星狀況、監(jiān)測點實時定位結(jié)果以及系統(tǒng)狀態(tài)等。

徠卡中心化RTK軟件在江陰大橋GPS監(jiān)測中的應用

1、江陰大橋概況

江陰長江公路大橋是我國首座跨徑超千米的特大型鋼箱梁懸索橋梁。江陰長江公路大橋是2、四”大鋼箱梁懸索橋，是國家主干道跨 越長江的特大型公路橋梁。是長江上建設的第二座大橋。江陰長江公路大橋位于長江下游江蘇省江陰和靖江之間，于1994年11月22日正式開工建 設，1999年9月28日勝利建成通車，全長3071米，主跨1385米，南北塔高190米，并于2001年3月通過國家竣工驗收。在大橋一端（靖江）大 橋管理中心建有大橋監(jiān)控中心，配有通信計算機系統(tǒng)、閉路電視系統(tǒng)、信息管理系統(tǒng)、情報板系統(tǒng)、緊急電話系統(tǒng)、廣播系統(tǒng)等。

1999年8月20日大橋竣工時進行了荷載試驗，當天正直大雨。橋梁位移測量邀請徠卡公司采用下列兩種方案進行：

• TCA2003 + APSWin：由于大雨無法進行測試；
• SR530+MC1000：4套SR530和3套MC1000接收機，一臺作為參考站，其他6臺分別安置在應力點處；采樣速率分別為5Hz和10Hz；時長4小時。測試精度達到1cm。

本次荷載試驗也充分反映GPS用于大橋監(jiān)測的*性。該橋原“結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測系統(tǒng)”是由英國SES公司采用TCA2003系統(tǒng)于1999年設計、建設 的，由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等原因?qū)е孪到y(tǒng)目前已無法正常運行。為此需要對原系統(tǒng)進行升級和改造。2004年江蘇揚子大橋股份有限公司決定對江陰長江公路大橋上部結(jié) 構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)進行升級改造工程，并選用了徠卡公司推薦的GPS監(jiān)測系統(tǒng)方案，用于監(jiān)測主梁線形和橋塔位移。

2、大橋監(jiān)測方案

GPS橋樑監(jiān)測系統(tǒng)由GPS傳感器、通訊鏈路、處理和管理軟件、附件和分析軟件等在內(nèi)的一個完整的系統(tǒng)組成。

在設計階段，必須注意環(huán)境情況。多路徑是可能碰到的誤差源。它將對結(jié)果的精度產(chǎn)生嚴重影響。多路徑是由從附近金屬物體、地面或水面的無關(guān)的反射 信號到達天線引起的。多路徑誤差對每個測站都是不同的，因此不能用差分技術(shù)消除。在參考站，天線的位置應當仔細選擇，以避開反射環(huán)境。徠卡 GPS 天線AT504 可以減輕多徑影響。

GPS監(jiān)測系統(tǒng)的硬件設備采用9套徠卡參考站型雙頻GPS接收機GRX1200Classic，一個AT504扼流圈天線和8個輕便型準扼流圈天線AX1202天線；軟件采用徠卡推出的中心化RTK功能的軟件包Spider。

（1）GPS參考站布置

GPS參考站應建立在穩(wěn)定的位置，參考站作為每一條基線的起算點，必須為參考站提供精確的位置和地方轉(zhuǎn)換參數(shù)。本次升級改造僅采用一個基準站，設在大橋監(jiān)控中心樓頂。

（2）GPS監(jiān)測點布置

為了更好地反映大橋變形和振動特性，在兩個橋塔處、主跨撓度、跨4分點處分別布置8個GPS監(jiān)測點，即在1/4、1/2和3/4跨處安置GPS接收機進行連續(xù)觀測。詳細布置圖見圖1。

（3）通訊與供電

采用徠卡方案，每一臺GPS接收機只需要一條雙向通訊線路（光纖）連接到徠卡PC GPS Spider 服務器。必須為每一臺接收機提供安全和的供電，如UPS。

（4）附件

• 每一臺GPS接收機必須安裝在安全和有保護裝置的位置。GPS天線必須安裝在能避免由于電纜、障礙物、汽車等引起的多路徑影響的位置。
• 通常設計的安裝GPS天線的觀測墩帶有專用的適配器，以便于將天線安裝和固定到觀測墩頂部。
• 防雷設施也是要安裝的部件。 橋梁經(jīng)常是雷擊發(fā)生的多發(fā)位置。
• 右圖為安裝天線的適配器和避雷系統(tǒng)。

結(jié)果分析與輸出接口

徠卡公司將根據(jù)用戶提供的轉(zhuǎn)換參數(shù)提供在橋梁坐標系下的三維動態(tài)位移結(jié)果。可以提供最終觀測數(shù)據(jù)的精度，同時能實時存儲和顯示數(shù)據(jù)處理結(jié)果?？梢酝?過串口、TCP/IP為其他專用分析軟件包的提供接口。徠卡 GPS Spider 可以與大多數(shù)使用標準格式的分析軟件進行接口連接。我們的建筑工程合作伙伴可以提供這類解決方案。

可采用徠卡GNSS QC工具進行結(jié)果顯示：

也可以利用第三方分析軟件以橋梁坐標進行實時變形曲線動態(tài)顯示、存儲、統(tǒng)計分析和報警等：

另外，可采用徠卡GNSS QC質(zhì)量檢查分析軟件對數(shù)據(jù)進行質(zhì)量分析研究。這是設計階段和隨后的數(shù)據(jù)及結(jié)果檢查的有用工具。

• 專門為對GPS參考站網(wǎng)的RINEX數(shù)據(jù)進行自動質(zhì)量檢核設計的一般的 GPS 數(shù)據(jù)分析工具
• NMEA GGA 和 GGQ實時和脫機繪圖

結(jié)論和建議

徠卡公司推出的中心化RTK功能的GPSSpider大橋監(jiān)測創(chuàng)新解決方案，與現(xiàn)有方案相比常規(guī)RTK方案更具有優(yōu)勢。中心化RTK概念大大簡化的 通訊設計；可以遙控和監(jiān)控接收機設備，隨時掌握系統(tǒng)的運行和工作狀態(tài)；標準化的輸出接口，方便第三方軟件的接口；接收機采用20Hz高速率，為大橋?qū)崟r監(jiān) 測分析提供了有力保證。將來高達100Hz的GPS接收機可用于分辯出大橋高頻動態(tài)特性。

為了增強系統(tǒng)的可靠性，建議建立2個參考站。徠卡GPS Spider支持多個參考站，進行雙重檢核。如果一個參考站出現(xiàn)通訊故障，其他參考站可作為備份對任何基線組合進行同時處理。徠卡 GPS Spider可以處理 L1 單頻GPS接收機和 L1+L2雙頻接收機觀測值。監(jiān)測點間的每一條基線也可以進行處理。因此對于橋梁監(jiān)測應用也可以采用單頻接收機。

由于大橋上監(jiān)測的點或許會受到遮擋、多路徑等影響，可能造成衛(wèi)星數(shù)不足或部分衛(wèi)星數(shù)據(jù)受到干擾等影響，偽衛(wèi)星(Pseudolites）系統(tǒng)可作為GPS 大橋監(jiān)測一個增強系統(tǒng)。

利用GPS RTK技術(shù)，尤其是中心化RTK技術(shù)，可全天候長期在線實時監(jiān)測大橋線形，直接測量出橋梁整體的三維位移，直接監(jiān)測大橋主跨梁及索塔軸線的位移變化，獲取 反映橋梁健康狀況的特征信息，配合結(jié)構(gòu)分析模型來模擬橋身主要構(gòu)件的內(nèi)力狀況，可增強橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測和評估的可靠度，并偵察大橋結(jié)構(gòu)有否潛在損壞的危 機，提高養(yǎng)護維修工作的效率和效果，為大橋交通安全和結(jié)構(gòu)安全的維護管理與決策提供量化技術(shù)依據(jù)，對大橋安全可靠性作出評價。隨著GPS硬件技術(shù)的不斷提 高和改善，GPS監(jiān)測軟件的性能不斷改善，GPS監(jiān)測系統(tǒng)將會更廣泛地應用于大橋等結(jié)構(gòu)監(jiān)測之中。同時江陰大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)將對推動和發(fā)展數(shù)字化與智 能化橋梁工程發(fā)揮積極的作用。

信息標題：徠卡SPIDERRTK在大橋整體位移監(jiān)測中的應用

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