北斗导航定位系统在桥梁监测中的应用

北斗导航定位系统在桥梁监测中的应用

汪剑

汪剑

上海华测导航技术股份有限公司上海市201702

摘要：卫星导航是指采用分布太空的多颗导航卫星对覆盖区域内的用户进行导航定位的技术。全球卫星定位系统（以下简称GNSS）是指利用有多个覆盖全球的卫星组成的卫星导航系统提供的位置、速度及时间信息，对各种目标进行定位、导航及监管，北斗卫星导航系统（BeiDouNavigationSatelliteSystem）是中国正在实施的自主发展、独立运行的全球卫星导航系统。“北斗”填补了我国在卫星导航定位领域的空白，是我国测绘地理信息基础设施的重要组成部分，基于此，本文主要对北斗导航定位系统在桥梁监测中的应用进行分析探讨。

关键词：北斗导航；定位系统；桥梁监测；应用

1、前言

在重大基础设施的建设与运营期间，自然因素和人为因素都会对其产生影响、引起形变，甚至导致安全隐患的发生。因基础设施的数量众多且分布广泛，如何有效监控其健康状态是一个巨大的挑战。目前，北斗导航定位系统已经成功发射4颗北斗导航试验卫星和29颗北斗导航卫星，将在系统组网和试验基础上，逐步扩展为全球卫星导航系统。

2、应用背景

为确保桥梁的安全运营，日常需要对桥梁进行健康监测。桥梁的健康监测是指对桥梁的主要位置和关键部位实施不间断的实时测量，来观察桥梁的承载、耐久等各项生命体征在外界环境因素（风、温度、气候等）和过往车辆与行人作用下的变化情况。目前，广泛应用于变形监测领域的全球卫星导航定位系统监测方法由于具有无需通视，全天候运行受气候条件影响小，可以进行同步观测，观测时间短，定位的结果没有误差积累，并可以快速、简便地获取监测位置的三维空间坐标，逐步成为桥梁健康监测的一个重要发展方向。

目前，我国桥梁监测领域，涉及卫星导航应用技术的产品一般都采用GPS。由于GPS系统的所有权、控制权、运营权都属于美国国防部，且一直存在人为干扰等问题，故桥梁监测正探讨应用北斗卫星导航系统，从而全面提升铁路系统的安全性和可靠性。随着我国高速、铁路、高铁、市政桥梁的快速发展，开展基于北斗卫星导航系统的相关技术研究，研发具有自主知识产权的北斗卫星导航系统应用，为桥梁行业提供全面的技术支撑和配套解决方案已具备基本条件。根据调研和分析，结合行业应用案例，北斗导航定位系统在桥梁监测领域的应用可分为桥墩沉降监测、桥梁挠度监测、桥塔位移监测、桥面位移监测等。

3、北斗导航定位系统在桥梁监测中的应用优势

3.1北斗导航定位系统应用在桥梁监测的优势

通过接收来自北斗卫星的信号和基准站的信息，并对接收到的数据进行实时差分处理，可计算出待监测点的三维坐标，从而实现实时厘米级、甚至毫米级精度的动态测量和实时高精度连续静态测量。利用ＢＤＳ进行变形监测具有显著的优势：

（1）各监测站之间无需通视，是相互独立的观测值；

（2）可以实现全天候定位，可以在台风、暴雨等恶略天气环境中进行持续监测；

（3）北斗高精度测定位移自动化程度高，所测三维坐标可直接存入监控中心服务器，并进行安全性分析。延时短、实时性强，且各监测点可实现同步测量，从而实现高度自动化的无人值守监控；

（4）北斗定位速度快，精度高，量程大，满足道路桥梁的需求；

（5）基准站和待监测点的距离几乎不受限制。

4、监测应用

4.1桥墩沉降自动化监测

同路基沉降自动化监测类似，北斗卫星导航系统在桥梁监测中的应用探讨也是依托北斗卫星定位系统进行毫米级实时动态测量并快速作出桥墩变形超限等灾害的预警。同时，桥梁自动化监测可以与传统的通过阵列式位移传感器或光纤光栅传感器进行监测的方式相配合，对桥梁的沉降、倾斜、错动、箱梁湿度、跨中震动变化等进行连续监测，捕捉桥梁性状变化的特征信息，通过有线或无线方式将监测数据发回数据中心。结合监测的雨量、人工观测位移等信息，经专业数据分析软件测算，对桥梁的整体稳定性作出判断，从而准确地监测异常，以保证桥梁安全并为防治工程设计提供参考数据。

4.2桥梁挠度监测

桥梁几何线形监测主要指结构静态的变形、变位等，包括主梁线形（挠度和转角）、拱轴线形、索塔轴线、墩台变位（倾斜、沉降）等。混凝土徐变、温度变化等都会引起桥梁各部分轴线位置的变化，如果对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，梁轴线、拱轴线或斜拉桥和悬索桥的主梁、索塔的轴线位置是衡量桥梁是否处于健康状态的重要指标。基于北斗卫星导航系统的桥梁扰度监测系统由基准站、监测站和监控中心三部分组成，各部分之间通过通信网实现数据交互。在需要进行监测的铁路沿线布设北斗卫星接收设备，并在不容易发生沉降或变形的区域建立基准站。基准站安置一台高精度接收机，对测区内的卫星进行连续观测，并通过光纤网络实时将观测数据和站坐标信息广播给监测站。监测站通过接收机接收卫星定位信号，同时通过光纤网络通信链路接收基准站传送的观测数据，然后根据相对定位原理，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、案例

5.1南京长江四桥监测应用简介

5.1.1项目概况

南京长江第四大桥是国内首座三跨吊悬索桥，是江苏省境内开工建设的第八座长江大桥。南京长江第四大桥是国务院批准的南京市城市总体规划中“五桥一隧”过江通道之一，是南京绕越高速公路的过江通道和重要组成部分。大桥位于南京长江第二大桥下游约10公里处，起于六合区横梁镇以东与宁通高速公路相交处，经龙袍镇跨越长江，与对岸石埠桥连接，止于沪宁高速公路相交处的麒麟枢纽，接在建的南京绕越高速公路东南环段，全长28.996公里，其中跨江大桥长约5.448公里，主跨采用1418米三跨吊悬索桥方案，全线按双向六车道高速公路标准设计，跨江大桥设计速度为100公里/小时，两岸接线设计速度为120公里/小时。目前大桥安装共包括19个北斗监测点，2个北斗参考点。

5.1.2项目实施方案

根据大桥的情况，我们在主桥塔顶布设4个GNSS监测站，分别为北塔左幅塔顶1个、北塔右幅塔顶1个、南塔左幅塔顶1个、南塔右幅塔顶1个；主桥梁部5个GNSS监测站（均布设在道路中央隔离带处），分别为北边跨1/2处、1/4处、1/2处、3/4处、南边跨1/2处；主缆部分布设10个GNSS监测站，左幅主缆5个，右幅主缆5个，位置为左右主缆的北边跨1/2处、1/4处、1/2处、3/4处、南边跨1/2处。

5.2结论

（1）增加北斗后的三星组合可以大大增加卫星的可用性和定位的可靠性，特别是对于观测环境较为恶劣的观测点，其效果更为明显。

（2）充分利用北斗高精度定位技术上在大型桥梁监测领域的积累与开发，推动桥梁北斗高精度自动化监测系统，能够准确、实时地展现大型桥梁变形情况，推进大型桥梁结构健康监测系统的科学化、信息化、标准化和可视化，有效保障大型桥梁安全运行。

6、结语

随着北斗系统不断的发展、完善，北斗应用及其产业化步伐也在加快推进，北斗卫星导航系统已经被广泛应用到交通运输、基础测绘、工程勘测、资源调查、地震监测、公共安全与应急管理等国民经济众多领域。在桥梁监测业务中，随着北斗应用的逐步推广和在实际监测业务中带来的技术成效，北斗导航定位系统的广泛使用是趋势。

参考文献

［1］余加勇，邵旭东，晏班夫，等.基于全球导航卫星系统的桥梁健康监测方法的研究进展［J］.中国公路学报，2016，（4）.

［2］王文贯，陆海波．单、双频GPS数据联合处理基线分析［J］．水利规划与设计，2010，（4）.

［3］张随甲，周晓忠.GPS-RTK误差来源及减弱误差的实用方法［J］.交通科技与经济，2014，（2）.