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基于BDS/GPS 1的钢箱梁桥日变形监测试验研究
陈健、岳东杰、刘志强、朱少林、陈浩(中国南京大学地球科学与工程学院)
摘 要：为了研究BDS / GPS在大跨度桥梁变形监测中的可行性，对可见卫星数量，PDOP值和监测精度等方面进行了分析和研究。为了分析钢箱梁桥的日变形特征，采用自编程软件计算连续48小时的观测数据。实验结果表明，桥梁监测点在垂直和水平方向上具有明显的周期性和可恢复性，同时高程方向的变化相对稳定。 BDS / GPS组合系统与GPS单系统的变形监测结果具有良好的一致性。然而，在桥梁的复杂环境中，特别是在卫星信号受到严重影响的情况下，BDS / GPS组合优于GPS单一系统的优势更加明显。
关键词：动态变形监测，BDS / GPS，基线解，日重复性，大跨度桥
0 简介
大跨度桥梁长期受到交通荷载，风力，温度变化以及运行过程中地震和船舶碰撞等外部因素的影响，因此结构会发生扭曲。通过监测桥梁结构在运行过程中的变形，及时掌握桥梁结构变形的范围和趋势，评估桥梁结构的安全性和可靠性，并给出安全预警，对保证桥梁安全运行具有重要意义[1,2]。
随着GPS技术的发展，其接收机的采样率一般可达10-20Hz，定位精度可达到毫米级。因此，显示了其在桥梁监测方面的独特优势。与桥梁工程中的其他变形监测方法相比，GPS测量具有高精度，全天候，实时动态等特点。更重要的是，它可以提供精确的三维变形信息，可以掌握整体桥梁状态[3]。因此，国内外学者进行了大量的实验。徐[4]，等。采用PPP（精确点位置）技术处理短周期GPS信号，水平方向测量精度达到2-4mm，垂直方向精度优于10mm。 Yigit [5]等。采用实验方法评估PPP技术的性能。通过比较加速度计与GPS双差分技术的结果，指出采用PPP技术，结构振动幅度可达1-2cm。孟[6]，等。利用短基线方法分析GPS静态测量的误差特性。结果发现，GPS测量误差随着恒星的日循环而变化，经过自适应滤波器滤波后，GPS测量信号的测量误差可达到毫米级。罗伯茨[7]，等。采用自适应滤波（AF）方法监测GPS数据处理，确定主桥梁的振动位移达到毫米级。
北斗导航卫星系统（BDS）是一个由中国自主研发和自主实施的全球卫星导航系统。目前，随着北斗的密集组网，导航精度和定位连续性，可靠性和稳定性逐步提高。 BDS的功能和优势越来越突出[8-10]。国内外许多研究人员对BDS的测量精度进行了深入研究。杨[11]，等。收集基于北京地区的接收机数据，精心评估BDS服务区的可见度，PDOP值，测距码和载波相位观测值的准确性，单点定位，测距码和载波相位的差分定位。肖[12]，等。进行了实验并对算法进行了改进，结果表明，在实验区域，BDS短基线的计算精度在水平方向上在1mm以内，在高程方向上小于2mm。根据Shi [13]等人的研究表明，北斗第二代系统的卫星性能和测距精度与GPS基本相同，但对BDS在桥梁变形中的应用研究甚少。检测。在BDS的基础上开展桥梁健康检查相关研究，通过充分利用BDS资源，在此基础上建立桥梁外部检测系统具有重要意义。
本文采用BDS / GPS组合系统连续监测桥梁关键部位48h。分析了钢箱梁桥在一天24h内的动态变形规律和日重复性，评价了桥梁短期静态变形的自恢复能力。此外，在监测大型斜拉桥变形时，评估了BDS系统的可行性，准确性和可靠。
1 日期获取
苏通大桥基点和监测点的分布如图1所示。本文采用双基站策略，选择苏通大桥水平控制网Base01作为主基站，Base02作为辅助基站。 Base01距主桥南端1.1公里，距北端3.3公里。 Base02距主桥南端1.4公里，距北端3.4公里。 Base01和Base02距离所有监测点不超过3.5km。基线解决方案理论上可以满足5mm监控精度的要求，双基站可以保证监控结果的可靠性。 Base01和Base02以上10°的水平高度角没有明显的障碍，地质相对稳定，远离电磁干扰源。
BDS / GPS接收器和天线安装在所有基点和监测点（如图2所示），所有接收器的数据采样频率统一设置为1s。此外，卫星截止高度设定为15°。 2017年12月20日8:00至2017年12月22日当地时间8月22日期间收集数据。
图1苏通大桥基站和监测点 图2监测点的现场数据收集
BDS / GPS接收器和天线安装在所有基点和监测点（如图2所示），所有接收器的数据采样频率统一设置为1s。此外，卫星截止高度设定为15°。 2017年12月20日8:00至2017年12月22日当地时间8月22日期间收集数据。
2 监测数据的处理和分析
2.1在桥址BDS卫星的可用性分析和数据质量评估
2.1.1评估复杂桥梁上BDS定位的持续可用性
分析了2017年12月21日M002的观测数据。从图3和图4可以看出，与BDS单系统和GPS单系统相比，BDS / GPS组合系统增加了卫星数量，降低了PDOP值，有效地提高了观测精度。与此同时，桥梁站点的BDS有9颗可见卫星，相当于GPS卫星的数量。但是，北斗的PDOP值应大于GPS，因为目前BDS主要利用主要覆盖亚太地区的GEO / I-GSO，其监测站分布相对较差。在图4中，北斗PDOP值存在较大的抖动。主要原因是相应时间的所有IGSO都位于观测站点的南部。
图3可见卫星数量 图4 PDOP值
2. 1.2复杂桥梁环境下的BDS观测数据质量评估
为了分析影响监测点周围卫星质量的环境因素，评估观测的多径效应和BDS的信噪比。在BDS测量中，总会存在多径效应误差。可以通过载波相位观测和伪距观测的同时变换来估计伪距多径误差：
其中，f1和f2是载波相位观测的频率，phi;1和phi;2表示载波相位观测，P1和P2表示伪距观测，NP1和NP2是两种组合的模糊度，MP1和MP2是指多径误差在P1和P2伪范围。从等式（1）可以得知，多径误差是由载波相位观测和伪距观测的模糊度决定的。通过取卫星周期的多个日历的平均值，然后通过模糊度参数的序列减去，获得伪距MP序列，从而可以提取伪距误差。
信噪比（SNR）是信号功率P和噪声功率N之间的比率，用于描述功能模式的性能：
SNR可以更好地反映卫星信号的质量，并且当多径效应发生时，SNR值将相应地改变。信噪比越高，相应的信号质量越好，观测精度越高。
为了分析桥梁BDS系统的数据质量，对北斗GEO的C01卫星，北斗IGSO的C06卫星和北斗MEO的C14卫星进行了对比分析，其中上述代表C / A码观测，以下表示P1代码观察。图5示出了在M002处观测数据，SRN和卫星高程的多径误差之间的关系
图5观测数据SRN的多径误差与M002处卫星仰角的关系
图5显示北斗C 01卫星可在24小时内实现连续跟踪。除C01卫星外，C06和C14卫星的多径效应随仰角的增大呈下降趋势，而信噪比随仰角的增大呈明显的增大趋势。理论上，C01卫星的多径和信噪比应处于稳定状态，但在实际桥梁中，由于交通堵塞和水面的影响，卫星的MP值和信噪比值都会发生波动。由于空间的限制，BDS的其他星座也有类似的结果。
2.2监测结果分析
对于主桥所有BDS/GPS监测点的现场数据和Base 01和Base 02的数据，时间周期分别设为15 min，并分别计算基站和所有监测点形成的基线，剔除不合格的基线。计算采用基线固定解，计算过程如图6所示。基站坐标与基线数据相结合，计算所有监测点的ITRF 2008坐标。为了保证监测结果的可靠性，以基站Base 01和BASE 02监测点坐标的均值作为监测点ITRF 2008坐标的结果，然后转换成桥的轴坐标，其中DX代表桥梁的垂直方向，DY表示水平方向。采用大地高程来表示监测点在高程方向上的变化。
图6数据处理流程图
2.2.1基于BDS/GPS组合系统的主桥动态变形监测结果分析
为便于分析，从各监测点坐标值中选取参考值，以反映监测点随时间的变化幅度。对于桥轴垂直位置和水平位置的基线，选择2017年12月20日8点至9点的平均位置作为基准。对于大地高程基准，以所有观测值的测高平均值为基准。图7-图13显示主桥上部南端(S 002)、北端(N 002)、南1/4交叉(P 002)、北1/4交叉(Q 002)、中跨(M 002)、北索塔(BT 00)和南索塔(NT00)的日变形。
图7 S 002日形变 图8 N 002日形变
图9 P 002日形变 图10 Q 002日形变
图11 M 002日形变 图12 BT 00日形变
图13 NT00日形变
从图7到图13，可以得到：
在垂直方向和水平方向上，桥梁的S 002、N 002、M 002、P 002和Q 002均表现出明显的日周期性和可恢复性，主要是由于日照和温度对钢箱梁的影响。随着太阳方向的变化，钢箱梁阳侧的温度比背面高。这种温差会使钢板在阳面迅速膨胀，引起桥梁的大扭转变形。随着时间的推移，阳光的方向会周期性地变化。高程方向的监测点相对稳定。
BT 00的垂直方向呈日周期性，而NT00的垂直方向和水平方向的日周期和BT 00的垂直日周期不显著。主要是由于混凝土墙遮挡了天线的位置，导致了BDS/GPS信号接收的不稳定性。高程方向的监测点也相对稳定。
2.2.2 BDS/GPS、GPS和BDS监测结果比较
监测实验采用三种方案：BDS/GPS组合、GPS单系统、BDS单一系统。计算了12月21日8：00至12月22日8：00的观测数据，结果如图14所示(由于空间限制，以N 002和BT 00为例)。
从图14中可以看出，BDS/GPS组合系统的测试结果与GPS单一系统的测试结果有很好的一致性，而BDS单系统的测试结果仅在一定时间内一致，有效解的周期数明显减少。图15演示了一天内三种方案有效解决的周期数的比较图。结果表明，BDS/GPS组合系统的有效周期数相当于GPS单系统的有效周期数。除北缆塔和南缆塔外，BDS/GPS系统的有效周期均在93%以上，BDS单一系统的有效周期仅为83%(N 002)，最小为12%(BT 00)。
(a) N002 (b) BT00
图15单日周期数与BDS、GPS、BDS/GPS有效解算的比较
由于南电缆塔和北索塔的BDS/GPS天线两侧都被混凝土墙遮挡，卫星信号接收受到环境的严重影响。在这一点上，BDS/GPS组合系统在变形监测方面的优势是显著的。另外，在卫星信号接收良好的其他监测点，BDS/GPS组合系统和GPS单一系统的计算结果相当相似。对于BDS单一系统，在轨卫星数量较少，受此限制，与前两种方案相比，用于有效计算的每个点的周期数明显减少。
3 研究结论
通过实验验证了基于BDS/GPS技术的现行监测模型的可行性和可靠性。它能全面反映主桥关键部位的整体同步变形。通过试验数据，分析了钢梁桥的日变形特征。可以得出以下结论。
BDS/GPS定位丰富了数据资源，改善了卫星空间分布的几何结构，提高了BDS/GPS的定位性能。
在卫星数目和几何形状良好的情况下，BDS单系统的监测结果与GPS单系统和BDS/GPS组合系统的监测结果基本一致。然而，目前由于BDS在轨卫星数量的限制，BDS单个系统的有效解算时间大大缩短。随着BDS组网进程的加快，基于BDS单一系统的桥梁监测将逐步实现，使我国卫星导航技术的发展进入一个新的阶段。
参考文献
[1] Yi T H, Li H N, Gu M. Recent Research and Applications of GPS-based Technology for bridge health monitoring[J]. Science China and Technological Sciences, 2010, 53(10):2597-2610
[2] Yu J Y, Shao X D, Yan B F, et al. Research a
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资料编号：[2543]
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