高频率GPS接收机在桥梁变形监测方面的实验评估外文翻译资料

 2022-04-25 22:13:52

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测量

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高频率GPS接收机在桥梁变形监测方面的实验评估

Ting-Hua Yi a,b,uArr; , Hong-Nan Li a , Ming Gu b

  1. 大连理工大学基础设施工程学院，大连116023，中国
  2. 同济大学土木工程防灾国家重点实验室，上海200092. 中国

文章信息

2011年12月10接收

2012年7月4日接收修改版

2012年7月23日收录

2012年8月1日可在线访问

摘要

长期以来，桥梁工程师一直需要精确的全球位移测量方法，以便在建筑中使用，最近还需要在桥梁健康监测领域使用。本文利用高速载波相位全球定位系统（GPS）接收机的可靠性和实用性，来反映出桥梁的动态振荡。最初，进行短基线试验是为了研究这种接收机的精度和特性以及这种高频数据速率的潜在应用，之后，通过控制实验测试验证了高频率GPS接收机的动态响应跟踪性能，对加速度计进行了验证，并提出了一种新颖的小波包滤波方法，最后，进行了现场动态实验，以测量不同外部荷载引起的桥面振动。将观察到的数据与从用有限元（FE）分析软件进行建模得到的预测值进行比较。所有实验的结果证明是非常吻合的。这表明了高频率GPS接收机成功量化了由环境引起的桥梁振动和由车辆载荷引起的高频瞬态运动，提供了可验证或改进的能力结构设计和建模。

关键词：桥梁健康监测 全球定位系统 高频率的GPS接收器 小波包

背景介绍

随着大型桥梁的复杂性和成本的增加，桥梁的缺陷不断涌现，运行和维护变得越来越重要。 例如，美国联邦公路局（FHWA）在2005年表示，其595,000座桥梁中有15％由于结构原因被评为不良。 在欧洲，结构性不足的桥梁在10％左右[1]。 桥梁积累老化以及许多桥梁在其设计期间承受的平均载荷超过预测的实际情况显着增加了过去几年监测桥梁性能的需求。因此，桥梁的连续长期健康监测和状况评估是允许早期识别结构中可能存在的损害并在初始损坏阶段进行维护和修理工作，以最小的生命周期成本最大限度地延长这些桥梁的使用寿命，同时保证结构的安全性和可靠性的重要保证[2-4]。

众所周知，通常难以直接测量的结构位移是评估大型桥梁偏移和应力状况的关键参数。

多年来，监测桥梁的结构位移依赖于加速度计，激光干涉仪和机器人经纬仪（RTS）等仪器的测量结果，取决于利益结构。[5,6]所有这些技术在连续监测桥梁时都会带来一些困难。例如，加速度计虽然建立得很好，但只能提供谐振响应的指示，并不能捕获静态和准静态行为。 在健康监测方面，无论是由于沉降，热膨胀，还是由于一些不可预见的事件造成的永久性损坏所造成的静态偏转都是同样重要的量。 对于激光干涉仪，由于天气条件的限制，难以直接获得三维位移。 在RTS的情况下，它适用于频率至少为3赫兹，振幅为几毫米的振荡测量

相比之下，全球定位系统（GPS）技术具有几个优点，如容易获得绝对位移测量，天气独立性，自主操作，并且不需要目标点之间的通视[8,9]。这提供了一个很好的机会，通过自动的“变化检测”和警报通知程序，实时监测不同负载条件下桥梁的位移或偏转行为。最近的研究已经证明了将GPS仪器作为“智能传感器”来动态监测桥梁的可行性。例如，Nickitopoulou等人[10]做了大量的实验，其中谐波运动通过旋转的GPS接收机天线进行模拟，并将记录的坐标与真实的坐标进行比较。他的研究的主要结果是GPS可以监测具有振幅的位移优于15毫米，离群值lt;1.5％。 Chan等人[11]开发了一个模拟各种类型运动的运动模拟表，并且测试结果表明，对于水平面上的2D正弦和圆形运动以及垂直方向上的一维正弦运动，GPS可以精确地测量动态位移如果运动幅度不小于水平面5毫米或垂直方向10毫米。 Psimoulis等人[12]发现，GPS适用于识别甚至相对较硬（模态频率高达4 Hz）的土木工程结构在各种荷载（风，交通，地震等）下的位移时的动力特性高于方法的不确定性水平（P5毫米）。另外，Ge等人也进行了校准测试。 [13]，田村等。 [14]，Roberts等人[15]，Kijewski-Correa等人[ [16]，watson等, [17] Breueret等人 [18]和其他一些人。尽管如上所述，GPS技术实际上仅限于提供具有相对高精度（从厘米级到毫米级）的实时解决方案，它有其自身的局限性。 例如，典型的GPS接收机的速率只有20Hz，根据奈奎斯特定理，虽然这个数据速率不足以检测高于10Hz的频率;因此它会限制其检测某些高的能力一些桥梁的模式信号。 在论文[19]中，作者给出了瑞士224座公路桥基频的统计分布。该约56个测试桥梁的基本频率高于10 Hz。 同样，Fryba [20]为铁路桥梁提供了另一个例子，第一个确定了频率与桥梁类型，主跨度和材料的关系。 在这些经过测试的电桥中，最大频率甚至可能达到50 Hz。

因此，为了合理可靠地监测桥梁的变形，采样率应足够大，以便精确地模拟运动的特征。 幸运的是，现在有50 Hz和100 Hz的GPS接收机进入市场，GPS显然有潜力提供高频信息以及测量低频的能力，使其成为桥梁健康监测应用的合适技术。 然而， GPS现场测量对于提取桥梁的高频响应是否足够好是个问题，GPS仍有许多地方需要进行系统研究。

在本文中，使用高频率载波相位GPS接收机进行了桥梁变形监测。 这里采用的接收机包括NovAtel ProPak-V3（以下简称NovAtel接收机），能够采集高达50 Hz的数据和JAVAD TRIMMPH-1（以下简称JAVAD接收机），能够采集高达100 Hz（市场上最高的采样频率）。 进行静态实验来研究接收机的背景噪声的频率和幅度，以及这种高频数据速率的潜在应用。 运动学实验在受控的钢框架模型监测中进行，并与Lance LC0161A加速度计进行比较。 本文最后介绍了一个大型桥梁的实际结构监测实验。 一些数据分析结果和初步结论也详细给出。

2.对高频率GPS接收机性能的实验评估

2.1． 静态实验

Moschasa和Stiros [21]发现，影响高速率（10 Hz）GPS测量的噪声中很大一部分与仪器有关，即使对于相同的仪器也表现出不同的特性。为了在GPS测量中找到背景噪声的基本特征，从中可以设计适当的滤波方案来处理以动态模式记录的GPS数据，短基线测试由两个高速GPS接收机完成。为了确定测试的GPS接收器的最佳性能，从卫星截止角的所有方向的可见度应该是好的。该截止角一般取为15°.考虑到这一点，大连理工大学测试楼的顶部被选为测试场地。围绕该测试场地的相邻建筑物都相对较低并且距离该场地较远。 GPS接收机（一个接收机被标记为参考站，另一个被标记为流动站）位于两个建立的点（等于5m）之间，其坐标从以前的研究中已知。在第一天测试了两台相同的NovAtel GPS接收机在50赫兹采样数据，然后在第二天同时测试了两个相同的JAVAD GPS接收机采样数据在100赫兹，然后在第二天同时测试，但偏移了4分钟，所以 他们将用相同的卫星几何记录数据。 对于每个测试，数据都直接记录到GPS接收器上，使用闪存卡顺序填充其内部缓冲区以存储测试数据。 短基线测试是测量条件的真实表示，也是接收机准确度限制的直接指标。这是因为流动站和参考站的GPS天线都是静止的，在GPS测量中发现的任何检测到的位移都是固有GPS误差的结果[22-24]。 另外，由于测量的基线非常短，所以当使用双差分数据处理技术时，大部分GPS误差（大气误差，卫星覆盖等）可以被消除。使用商业软件GrafNav（Waypoint Products Group，NovAtel Inc.，Canada）[25]对Windows 6.02版进行GPS数据分析; 由于电离层在正常条件下和没有电离层风暴时的影响在0.5-2PPM时是相对较小的影响，因此采用无电离层模型并且在L1 / L2频率上固定模糊度。 GPS记录的瞬时坐标处于运动模式和WGS-84坐标系中。为了获得模型沿两个正交拉格朗日的相对运动，WGS-84中的动态轨迹使用共同的线性变换被转换为局部参考坐标系。在本文中，选择垂直测量而不是水平测量进行分析。 基本原因是GPS接收机在垂直方向上的灵敏度和准确性远低于水平坐标，考虑到GPS技术在桥梁健康监测中的应用，桥面垂直位移的测量也是一个主要关注点。图1a和2a显示了当两个确定点上的GPS接收机静止时，5分钟长的测量垂直坐标（即背景噪声）。 一般来说，GPS测量显示出一种幅度相对较小的非常低的频率偏移，因此在一定幅度下的任何静态或伪静态相对位移可能不具有物理意义，尽管平均而言，测量的均值趋于零。在图中，水平线表示平均值的1,2和3个标准偏差，证明大部分噪声在平均值的3个标准偏差内。 非常清楚的是，这些低频趋势不是多路径噪声的结果，因为现场测试地点没有反射表面。 不同接收者的统计结果在实验中表示在表1中。可以看出，在垂直方向上，NovAtel GPS接收机的背景噪声在19.3和18.9毫米之间波动，JAVAD接收机的背景噪声在14.8和14.7毫米之间波动，这表明JAVAD接收机的坐标误差比NovAtel接收机小，这意味着 虽然两个接收器看到的是完全相同的卫星，但JAVAD接收器有更好的载波相位分辨率。 然而，这两种接收器造成的噪声水平在垂直方向上均小于20.0毫米，表明这些接收器适用于大型结构的高精度应用。

对于两种接收器，垂直测量的标准偏差分别为5.7mm和4.0mm。 图1b和2b描绘了实验期间记录的垂直方向背景噪声的概率密度函数（PDF）。 使用表1中列出的均值和标准偏差计算出的标准高斯分布也显示在图1b和2b中。 直接地，背景噪声在一定程度上仅遵循高斯分布。 众所周知，偏度是样本均值周围数据不对称性的度量。 如果偏度是负数，则数据向右侧扩展到平均值的左侧。 如果偏度是正数，则数据向右扩展得更多。 正态分布（或任何完全对称分布）的偏度为零。 另一方面，峰度是衡量分布是有多么异常的一种度量。正态分布的峰度是三。数据分布比正态分布更易出现的分布峰度大于3;峰度较小的分布峰度小于3.从表1所示的偏度和峰度分析结果可以再次证明无高斯现象。 但是， 在图1b和2b中，标准高斯分布捕捉大部分背景噪声，提供背景噪声传播的保守测量值。 因此，虽然背景噪声波动，但高斯假设足以估计背景噪声的分布，其概率为99.7％（平均值的三个标准偏差）。

图1c和图2c描述了与背景噪声记录相对应的以dB / Hz为单位的功率谱密度（PSD）函数。 它表明背景噪声包含许多频率分量（即宽带性质），并且主要噪声能量分布在相对低频范围而没有明显的周期性趋势。 NovAtel和JAVAD GPS接收机的噪声限度分别从0提高到大约1.4 Hz和1.3 Hz，实验再次表明了上述低频平均趋势。 因此，在动态监测中，当跟踪两种GPS接收机的运动小于1.5 Hz时，应仔细考虑这些低频噪声趋势的存在。

图1. NovAtel GPS接收机垂直方向的静态实验结果:

(a) Time history; (b) PDF; and (c) PSD.

图2. JAVAD GPS接收机在垂直方向上进行静态实验的实验结果：（a）时间历程; （b）PDF; 和（c）私营部门司。

表1: 不同接收机在静态实验中的统计结果

Minimum

Maximum

Mean

Standard deviation

Skewness

Kurtosis

NovAtel GPS receiver

—0.0193

0.0189

0.0014

0.0057

0.0385

2.9737

JAVAD GPS receiver —0.0148 0.1470 0.0017 0.0040 —0.072 2.9789

2.2． 运动实验

为了评估高速率GPS接收机的动态测量精度，在上述建筑物上面对双层柔性钢框架模型进行了实时监测。 实验模型的板坯为3mm厚的钢板，梁和柱由直径为8mm的圆形截面钢筋制成。 参考接收机位于离测试台大约10米处，流动站固定在模型的顶层。 如图3a所示，钢结构的底部用两根重的钢筋混凝土梁固定在屋顶上。 除了GPS接收机之外，动态响应还通过位于靠近GPS漫游接收机的LC0161A型三轴加速度计记录，它的敏度为1000mV / g，以500Hz的速率记录，由美国ance Technologies Inc.制造。

通过提供远离其平衡位置的初始位移（仅通过拉动框架的顶层并释放）（图3b），将模型设置为自由振动并记录其运动。 将两组进行实验，并将世界大地测量系统（WGS-84）中处理后的坐标转换为与模型轴重合的局部坐标系中的坐标。 图4a和5a示出了两种接收机监测的垂直方向上的模型位移曲线。可以看出，高速率GPS单元可以提供灵敏的位移响应历史和相对较高的信噪比，由此可以容易地导出结构的动态特性。 根据Moschasa和Stiros [26]的发现，加速度计数据的双数值积分将导致非常嘈杂的结果。 另外，由于加速度响应的双重积分过程，理论

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