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北斗RTK技术在桥梁结构健康监测中的应用
日期:2020-3-27 8:57:19 作者:佚名 来源:本站原创
新闻中心
沈阳建筑大学交通工程学院  辽宁沈阳  110168
        摘要:随着社会经济的发展,桥梁的作用显得越来越重要。北斗RTK技术作为一种新的桥梁结构健康监测方法,具有高精度、高效率、全天候、实时性等优点。本文主要对我国北斗卫星导航系统以及RTK技术原理进行了简单介绍,并对基于北斗的RTK技术在桥梁监测中的技术优点和应用进行了探讨。
        关键词:北斗;桥梁健康监测;RTK技术;
引言
        桥梁在使用过程中,由于自然环境侵蚀以及车辆荷载的作用,经常导致桥梁结构损伤和功能退化,以致发生灾难事故。为保障桥梁结构在营运期间的承载能力、耐久性和安全性,对桥梁结构进行健康监测显得非常必要。全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite Positioning System,GNSS)作为一种新的桥梁结构动态监测方法,由于其全天候、自动化、高精度、高效率等优点,使其在桥梁健康监测方面表现出独特的优越性[]。长期以来,美国GPS系统在导航领域几乎占据了整个市场,而高精度的GNSS监测领域也几乎依赖于GPS。北斗卫星导航系统(BeiDou Navigation Satellite System,简称BDS)是我国自主研发的全球卫星定位与通信系统。研究北斗技术在高精度测量领域的应用,对于打破GPS在监测领域的垄断,加快北斗导航系统在各行业的应用起到了积极的推动作用。
        1、北斗卫星导航系统简介
        北斗卫星导航系统是我国自主建设、独立运行的全球卫星导航系统,是为全球用户提供全天候、全天时、高精度的定位、导航和授时服务的国家重要空间基础设施。是继美国、俄罗斯之后第三个成熟的卫星导航系统。由空间段、地面段和用户段三部分组成,空间段现阶段在轨工作卫星星座由5颗 GEO卫星、8颗IGSO卫星和21颗MEO卫星组成,星座分布如图1.1所示,地面段由主控站、时间同步/注入站和监测站等组成,用户段由北斗用户终端以及与其他卫星导航系统兼容的终端组成[][]。 
         
                  
        图2.1 RTK工作方式
        RTK( Real Time Kinematic)技术是GPS实时载波相位差分的简称,是一种 GPS 与数据传输技术相结合,实时解算并进行数据处理,在 1-2秒时间内得到高精度位置信息的技术。RTK系统由参考站和流动站组成,参考站通过传输网络将其观测值和测站坐标信息一起传给流动站,流动站结合参考站发来的数据和自身的观测数据,在系统内组成差分观测值,并进行实时处理,如图2.1所示,RTK能够实时提供流动站的三维定位结果,并达到厘米级精度,常规RTK技术的有效作用范围一般小于二十公里[]。
        3、北斗RTK技术的优势
        3.1自主性,安全可靠
        北斗卫星导航系统是我国拥有自主知识产权的卫星导航定位系统。该系统采用安全可靠的高强度加密设计,同时提供北斗时和中国 2000 大地坐标的时空基准,更加适用于我国交通运输、海洋渔业、测绘地理信息、通信时统、救灾减灾、应急搜救等领域。
        3.2系统增强
        北斗系统增强系统包括地基增强系统与星基增强系统。其中北斗星基增强系统是北斗卫星导航系统的重要组成部分,通过地球静止轨道卫星搭载卫星导航增强信号转发器,可以向用户播发星历误差、卫星钟差、电离层延迟等多种修正信息,实现对于原有卫星导航系统定位精度的改进。
        北斗现阶段在轨工作包含8颗IGSO卫星(倾斜地球同步轨道卫星),对中国区域进行局部增强,解决了在高纬度地区低仰角问题,为导航定位提供更多的可见卫星以及更精确地的差分定位服务。北斗系统空间星座将从北斗二号逐步过渡到北斗三号,在全球范围内提供公开服务。北斗三号系统继承北斗有源服务和无源服务两种技术体制,能够为全球用户提供基本导航(定位、测速、授时)、全球短报文通信、国际搜救服务,中国及周边地区用户还可享有区域短报文通信、星基增强、精密单点定位等服务。
        3.3接收信号强
        北斗RTK是基于北斗卫星导航系统的RTK技术,可视卫星多,卫星高度角大,能够长时间以低PDOP值进行工作;能兼容其他3大定位系统,并可自由切换,保证高标准定位精度。在我国领土范围内不会存在必然的信号盲区,比GPS-RTK 具有更好的信号接收能力。
        相同屏蔽情况下,GPS-RTK已经失锁,北斗RTK仍可以很快锁定13颗以上卫星,北斗RTK锁定卫星能力突出,且数量稳定;北斗RTK获得的固定解效率更高,GPS-RTK失锁时,北斗RTK还能够快速获得固定解;北斗RTK对应PDOP值更小,且趋向稳定;北斗RTK采集坐标点位观测平面误差及点位观测误差更小,波动很小,北斗RTK点位观测平面中误差及点位观测中误差较小[]。
        4、监测应用
        4.1桥墩沉降监测
        应用北斗RTK技术对桥墩变形进行厘米级实时动态测量,可以与传统的监测方法相配合,例如用阵列式位移传感器或光纤光栅传感器法,对桥梁的位移、倾覆、沉降、震动变化等进行实时监测,捕捉桥梁三维动态变化信息,并实时将监测数据传回数据管理中心。还可结合人工测量并加上软件解算,对桥梁的整体稳定性做出分析,从而保证桥梁的安全。
        4.2桥梁挠度监测
        桥梁挠度监测包括主梁变形(转角和挠度)、拱轴线变形、索塔变形等。混凝土的收缩徐变以及温度变化等都会引起桥梁各部分轴线位置的变化,如果设计位置的偏离超过规定值,桥梁的内力分布甚至行车性能就会受到影响。因此,各类桥梁所要求的轴线位置是衡量桥梁是否处于健康状态的重要指标。
        基于北斗RTK的桥梁挠度监测系统由基准站、流动站、监测站和监控中心组成,各部分之间通过有线或无线网络实现实时数据传输。根据相对定位原理,实时地处理数据,并实时地以厘米级的精度给出测站的三维坐标。卫星数据通过无线网络传输到监测中心服务器,监测中心进行实时解算。
        5、结语
        北斗RTK技术是卫星定位技术的一个新的里程碑,大大提高了测量效率并拓展了GPS应用领域,为桥梁健康监测提供了十分有力的条件,使用北斗RTK进行桥梁变形监测能缩短作业时间、全天时监测、降低劳动强度。虽然目前高精度定位还是以GPS系统为主,随着北斗卫星导航系统的建设步伐加快,在中国区域内高精度定位最终会摆脱对GPS的依赖,北斗RTK技术在桥梁结构健康监测和其他领域将得到更加广阔的应用。

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