浅谈GPS- RTK 技术在桥梁监测中的应用

陈世昌 唐 彪 刘 欢

（1、重庆科技学院建筑工程学院，重庆401331 2、重庆科技学院工商管理学院，重庆401331）

GPS 是全球定位系统，是由美国国防的基于无线电导航系统，当前GPS 给全球很多领域带来了很多信息化时代的便利，可以全天候，进行测速和定位，但是由于仅仅依靠GPS 不足之处是会出现定位精度差，误差可能会达到十几米，所以引入RTK 技术，使得GPS 技术得到了新的突破，RTX 的是实时动态测量，是一种差分数据处理，采集数据差分信息动态的从基准站传送到流动站。GPS 可以在上千公里的控制网内精确到百米甚至毫米的定位。

通过对桥梁采用GPS-RTK 动态检测，可以实时的检测和评估桥梁的稳定性、可靠性以及桥梁受损情况的信息。在桥梁修建完成的使用过程中，难免会受到恶劣环境和外界条件的破坏，比如地震、台风、洪灾以及超载的现象，会使得桥梁产生位移和震动导致桥梁的倒塌。所以通过GPS-RTK 动态监控技术，可以迅速的发现对桥梁结构存在的缺陷，还可以针对桥梁的损伤情况，事后的运营状态进行正常使用寿命评估等，在对于桥梁的安全保障具有重大的意义。

1 桥梁动态监控技术的发展

桥梁的安全动态监控一般是通过对桥梁在外界因素比如风力、地震以及荷载的作用之下，产生的位移变化为特征进行的安全评估和剩余寿命的评估。以往桥梁监测技术具有局限性，因为主要采用的是加速度计法、全站仪法等来测量桥梁的震动和位移。这种方法的不足之处是当桥梁结构的位移值较小时，不容易获得桥梁震动当地振幅。全站仪法会受到自然环境的影响，同时这些方法对于小型桥梁可以达到检测目的，但是对于大型桥梁的动态监控难以实现。所以传统的动态监控技术存在很多局限性，如法满足当今桥梁的使用。

随着科学技术的发展，GPS 技术在桥梁动态监控领域得到了广泛的运用，GPS 技术具有准确度高、体积小、反应迅速等特点。[1]当前GPS-RTK 对桥梁的动态检测方面深受人们青睐，主要优势有其不受到天气环境的影响，尤其是GPS-RTK 技术能够以很高的频率和很高的精度实时监控测量很多个地理坐标，这个中技术对于大型的桥梁中尤其是在外界环境恶劣的情况之下，任然能够保持很高的准确度和稳定性。GPS-RTK 技术提高了结构测量的效率，创造了很高的经济效益。

2 GPS-RTK 技术的优点

2.1 拥有高的精确度。因为误差极小，只要满足基本的作业条件，一般情况下RTK 技术的水平精度可高达1 厘米，高程方向上的精度可达到2 厘米。

2.2 工作效率高。一次性可以测直径为8 公里的范围，和以往的技术相比，降低了测量仪器的搬运次数，而是只需要一个人的操作，通过电磁波几秒就可以获得一个坐标，提高了劳动效率，降低了人工成本。一般情况可以提高三倍的作业效率。

2.3 降低作业条件。GPS-RTK 技术仅仅需要两点的“电磁波通视”，不需要两点光学通视，一些大型的桥梁的检测时候，受到能见度、气候、季节的影响时，无法做到两边通透的要求，这个时候GPS-RTK 可以不受到这些条件的限制，尤其是在一些山区地形复杂地区，使用传统的测量方式非常困难，GPS-RTK 就体现出他的优越性。

2.4 全自动化和智能化。全过程智能化处理，数据自动化处理，简单快捷。通过软件控制，不用人工进行操作可以实现全自动化完成任务，数据传送到计算机，然后分析处理，大大降低了认为误差，保证了测量精度。

3 GPS-RTK 动态检测技术

3.1 动态监测原理介绍。GPS-RTK 动态检测技术就是一种可以实时的得到指定三维坐标的全球定位系统的测量方法，当前在定位、导航、监控工程的结构变形方面运用尤为广泛。GPS是通过接受多个卫星的信号来测量两点之间的距离长短。原理是通过安装一台接收机在一个特定的点上，该点为基准点，然后在待测定的点上安装GPS 接收机，可以增加载波相位提高精确度。[2]然后通过所收到的GPS 信息包括距离、相位测量值等，运用数据通信链的方式比如光缆传送到固定的检测点，然后固定的监测点通过自动的技术分析得到准确的定位结果的目的。

3.2 监测系统构成。当前国内外很多桥梁都采用了RTK-GSP 桥梁动态监测技术，比如日本凯越大桥、中国虎门大桥、英国亨伯大桥等。检测的系统主要包括监测站、GPS 基准站和监测控制中心。因为气候原因和轨道偏差对分差GPS 影响，随着监测站和基准站之间距离长短变化，所以桥梁到基准点的应该在有效范围之内。同时，确保在基准点的斜上角没有遮挡物和反射物。监测点的布置应该设置在结构变形大的位置，比如跨中1/2 处或者桥顶部。[3]接收机可以收到所有的卫星信号，运用使用光缆通讯系统，通过1Hz 的监测速率可以做到实时的做到让接收机收到卫星发来的及时信息。收到从卫星发来的信号和信息通过监测站运用技术分析，这样活的三维坐标同时也将信息发送给控制中心。然后，控制中心通过相关软件技术的分析，从而获得桥梁结构上的纵横向以及垂直方向位移等数据。每次的监测结果保存在基准站，通过大量的信息对比技术，实时的监控分析获得桥梁的健康评估报告。

3.3 监测体系数据处理分析。监测体系可以得到纵横向和垂直向的位移，通过与周围环境的风速、温度以及桥梁本身承受的荷载等参数，分别分析位移与风速、温度和桥梁承受荷载的关系。在进行桥梁结构监控的过程当中，通过设备对数据分析得到桥梁坐标的变化情况，风速对桥梁结构的影响情况以及温度对桥梁的影响情况，以及最后做出桥梁结构的实时评估。其中分析的结果可以监控到温度效应，交通荷载效应以及结构应力效应。一般情况下，X 轴表示桥梁的纵向坐标，Z表示桥梁垂直坐标，Y 轴通过右手法则可以测的。桥梁结构的振幅和频率由监测点的位移曲线获得。运用博立叶变换进行频谱的分析从而获得监测点的功率曲线，然后通过与不同时间的曲线比较，最终评估桥梁结构的健康情况。监测体系可以记录下温度变化、风荷载等作用下的结构位移变化情况，通过收集大量数据分析，获得荷载作用下的振动频谱，然后对桥梁结构的安全进行分析。监测体系的所得到的监测数据很多，通过从监测数据中提取有针对性和可靠性的数据是在监测体系数据处理中非常重要的过程。

3.4 监测数据的管理和可视化。因为桥梁的监控是一个持续性、长久性的监控体系，如果仅仅依靠每次的数据来进行评估桥梁的健康情况显得有些复杂，任务量巨大，往往以前的监测技术就是因为这一点很难得到长远的使用。所以，可视化的作用就是通过监测站得到的数据运用显示器进行图像化展现在人们面前，能够更加直接、快捷的做出判断，具有直观性。监控的数据可视化可以清晰的看到桥梁实时情况的动态状况，因此桥梁检测的可视化是监测中不可或缺的一部分。在不同的监测状态下进行不同的可视化。在实际运用中，最为广泛的的可视化在结构监测点上的三维方向上的位移，以及桥的表面的实时的位移。同时，还包括动态的结构温度与位移的变化曲线图等等。

4 结论

GPS-RTK 技术弥补了传统的桥梁监测技术的不足，他摆脱了恶劣自然条件的限制以及影响，可以全天候的对桥梁结构健康情况进行实时的监控和评估，所检测的精度高、误差低，时效快。当在多个点的同步监控的时候，运用GPS 定位测量技术可以快速的获得定位点三维坐标，该方法受自然影响小、采集数据快和自动化。所以对于桥梁长期处于高强度运载中进行桥梁的评估，这种技术对于检测当代桥梁的受损情况非常重要。通过运用数据管理系统可以获得大量的桥梁检测数据，通过固定时间内的检测数据形成数据库，方便后期随时进行访问、回复和处理功能。可视化技术能够更加直接看见桥梁结构的位移状况和结构整体的位移，当前GPS-RTK 技术在国内外越来越多的桥梁监测中得到了广泛的运用。