北斗系统在地质灾害影响下的桥梁健康监测中的应用

张爽娜 张凤珊 俞能杰 王琴（航天恒星科技有限公司）

桥梁的健康监测技术已经成为大型桥梁结构灾害监测与事故预警的重要途径。安装桥梁 健康监测系统就等于给桥梁装配上一个“全天候”的医生。尤其在灾害来临前，当监测到桥梁的位移异常时，一方面可有效采取途径，避免重大事故的发生；另一方面对灾害影响下桥梁的位移数据进行分析，可以得到桥梁受灾情况下的变化过程，通过分析其结构及受力变化可以有效指导日后桥梁的设计及工程实现。

一、地质灾害影响下的桥梁健康监测技术现状

地质灾害的种类繁多，包括地震、火山爆发、崩塌、滑坡、泥石流、地面沉降、地裂缝等。尽管大部分桥梁在建设前期已经对所在地的地质灾害进行了研究评价，但地质灾害的发生无法做到绝对避免，因此实时的桥梁健康监测势在必行。

由地质灾害引起的桥梁形变一般属于短期的不规则的桥梁运动，而桥梁的损坏往往都是由于短期的突然的载荷作用引起，而对于短期的形变信息的监测要比长期的形变信息监测难。

目前桥梁位移经典监测方法有：全站仪测试法、加速度计积分测试法、位移传感器测试法、激光测试法和GPS位移监测法。各种方法的特点比较如 表1所示。

表1 桥梁监测方式特点比较

由表1可知采用GPS桥梁位移监测具有全天候、高精度、高效率、实时动态、测站间无需通视、集平面与高程测量于一体等诸多优点。当应用GPS进行桥梁监测时，各种形变信息都可以被识别，因此GPS测量技术在桥梁健康监测系统中发挥着越来越大的作用。如美国奥斯汀德克萨斯大学应用研究实验室（ARL）自从1990年以来进行的一系列建筑物监测试验；日本明石海峡大桥以及广东虎门大桥的GPS监测系统；武汉白沙洲长江大桥的GPS监测试验；英国诺丁汉大学土木学院工程测量和空间大地测量研究所(IESSG)进行的一系列GPS桥梁监测试验等。

我国北斗卫星导航系统目前仅具备国内区域导航能力，基于北斗卫星系统的桥梁健康监测技术仍处在预研阶段，尚未得到工程实现。国内部分桥梁健康监测目前仍采用传统方法及GPS桥梁位移监测技术。

二、利用北斗卫星导航系统进行桥梁健康监测的必要性

如前所述，卫星导航定位技术已经成为桥梁健康监测中的重要手段。在当前卫星导航系统中，我国北斗系统独具有以下3方面优势。

1.自主产权保证了监测的持续有效

我国具有自主知识产权的北斗系统将不受国外卫星导航系统的限制，能够进行持续有效的桥梁健康监测，尤其是在恶劣自然环境及政治环境下，不会造成监测的中断。

2.短报文功能保证了重大监测结果的及时上报

北斗系统具备短报文通信功能，当桥梁健康监测结果表明桥梁遭遇重大威胁时，能够立即将监测结果以短报文形式发送给指挥控制端，便于及时有效地进行指挥决策，从而避免重大灾害造成的人员伤亡等破坏。

3.合理的卫星布设保证了桥梁监测的可用性

北斗系统最终将建设成由35颗卫星组成的全球卫星网络，能够满足我国及亚太地区用户的使用。北斗系统独有的GEO静止轨道卫星设计，使得我国及亚太地区用户与GEO可见卫星相对位置不变，因此不会出现GEO卫星信号切换状态，将能更加有效保证6颗可见卫星才能完成的桥梁健康监测RTK技术的实现。

三、北斗系统在桥梁健康监测中的应用原理

在桥梁健康监测中，利用接收到的北斗卫星导航载波相位进行实时相位差分，即RTK技术实时测定大桥位移。系统由北斗系统基准站、北斗系统监测站和通信系统组成。基准站将接收到的卫星差分信息经过光纤实时传递到监测站。监测站接收卫星信号及北斗系统基准站的信息，进行实时差分后可实时测得站点的三维坐标。此结果将送到北斗系统监控中心进行分析。

北斗信号接收单元将测量得到的伪距值、载波相位及广播星历数据保存在存储单元中。利用嵌入式的数据处理软件实时进行差分运算，得到此时刻桥梁各个关键部位的相对位移数据。同时也将上述信息定期传给监控中心计算机，利用中心计算机中的数据后处理软件，得到更高精度的相对位移测量数据，所有数据 都可以通过无线传输模块接口传输。北斗系统位移监测网络结构如图1所示。

图1 北斗系统位移监测网络结构

北斗相对位移监测单元（沉降或位移）使用无线通信模块与监控中心技术间直接进行数据通讯，不需要使用本地控制器。在现场的各个单元中需要配备具有无线通信功能的嵌入式无线数据发送模块，已完成数据存储和远程无线发送的功能。不同断面之间采样的实时性也将由开发的嵌入式系统保证，嵌入式系统负责定时的发送时钟校准信号。确保相对位移的采样数据来自统一时刻桥梁的不同部位。

采用北斗系统监测大桥位移有如下特点：

1）大桥上各点只要能够接收到6颗以上的北斗卫星及基准站传来的北斗差分信号，即可进行北斗RTK差分定位。各监测站之间无需通视，是相互独立的观测值。

2）北斗系统定位受外界大气影响小，可以在恶劣天气中进行监测。

3）北斗系统测定位移自动化程度高。从接收信号、捕获信号到RTK差分位移都可以由仪器自动完成。

4）根据北斗系统的设计指标分析，北斗—RTK最快可达10～20Hz速率输出定位结果，定位精度将能够达到水平10mm、高程20mm。

5）北斗系统具备短报文通信能力，能够将监测到的重大桥梁形变信息以短报文形式上报指挥中心。

北斗系统测量网络中基准点和测量点数目由被测桥梁的具体情况来确定。北斗系统测量站点间不要求通视，图形结构也较灵活，因此点位选择比较方便，但考虑北斗系统测量的特殊性，选点时应考虑：

1）点周围高度角15度以上不能有障碍物，否则存在信号遮挡；

2）点位要远离大功率无线电发射源、高压电线等，以免电磁场对信号干扰；

3）点位应选在视野开阔、有利扩展、易于维护的地方；

4）点选择结束后，要按要求埋设标石，填写记录。

四、北斗系统桥梁健康监测应用方案

北斗系统桥梁健康监 测应用方案中包括北斗卫星星座、桥梁健康监测现场、桥梁健康监测服务站、桥梁健康监测指挥中心4个部分，如图2所示。

图2 北斗系统桥梁健康监测应用方案示意图

桥梁健康监测现场主要包含在桥梁上布设的北斗基准站及北斗监测站。其中北斗基准站用来为北斗监测站发送差分信息，从而实现北斗系统的RTK处理，实现高精度定位，而北斗监测站则是测量桥梁不同点位的位置信息及位置变化信息。

桥梁健康监测服务站主要由数据库服务器、数据处理中心及北斗终端组成。其中数据库服务器负责对采集到得北斗基准站及北斗监测站的数据进行存储，而后通过数据处理中心进行桥梁变形监测分析，并对变形监测信息进行管理。对于重大变形，直接通过北斗终端的短报文通讯发送报警信息给桥梁健康监测指挥中心。此外，数据处理中心还支持桥梁健康监测指挥中心随时远程访问。

桥梁健康监测指挥中心负责桥梁健康情况的定期汇报、重大桥梁形变情况下的应急指挥等。主要配备有可远程访问的PC机及专家和技术人员。

五、结论

本文结合我国桥梁健康监测现状及北斗卫星导航系统特点给出了应用北斗系统进行桥梁健康状况监测的概要设计方案，为北斗系统在该领域的业务拓展提供了基本依据，为日后的工程实现提供技术支撑。