基于卫星定位技术的桥梁结构健康监测原理

为促进大家更全面更深刻学习了解测绘方面知识，本期推出基于卫星定位技术的桥梁结构健康监测原理，供大家参考学习；

随着全球导航卫星系统(GlobalNavigation Satellite System，GNSS)硬件和软件的不断发展，特别是高采样率GNSS接收机的出现，使其在结构健康监测方面表现出独特的优越性，GNSS监测技术具有以下优势[1]：①采样率高，目前GNSS接收机的采样率已达到20 Hz，甚至100 Hz；②自动化程度高，GNSS接收机的数据采集工作是自动进行，且为用户预留了必要的接口；③四维监测，GNSS不但能够进行高精度的三维位移测量，而且能获取精度达30 ns的时间信息；④全天候监测，GNSS接收机在任何时段都可接收到工作卫星信号，风雪雨雾恶劣天气中亦能正常工作，易实现长期的连续监测。

GNSS定位解算方法分为相对定位和单点定位两类。在结构健康监测领域，相对定位研究主要集中在后处理动态差分技术(Post-Processing Kinematic，PPK)、RTK技术和NRTK技术[2]，单点定位研究主要集中在PPP技术。

RTK和PPK技术都需要在桥梁测点附近建立本地基准站。Ashkenazi等[3]首次采用RTK技术进行桥梁结构的振动监测，测量出主梁的振动位移和基频。如图1所示，RTK技术是基于载波相位观测值的实时动态定位技术，位于基准站和流动站的GNSS接收机同步采集4颗以上GNSS卫星信号，基准站通过通信链将计算出的差分改正数实时地发送给流动站，解算出流动站的瞬时空间坐标，实时地提供桥梁结构监测点的动态位移[4, 5]。PPK技术是采用事后方式来处理载波相位观测值的差分定位技术，其它流程与RTK技术相同[6]。

 图1 GNSS动态变形监测原理（RTK模式）

NRTK技术是集Internet技术、无线通信技术、计算机网络技术和GNSS定位技术于一体，利用卫星定位综合服务系统(Continuously Operating Reference System，CORS)基准站的观测信息，解算监测站的瞬时空间坐标，不需要建立独立的参考站，其监测原理如图2所示。Meng等[7]首次研究NRTK技术用于结构健康监测的可行性，获得初步研究成果，随后余加勇等[1]采用NRTK技术监测英国诺丁汉Wilford悬索桥动态变形，成功识别出*大振幅仅8mm的桥梁结构振动位移。NRTK技术是直接使用本地区CORS基准站，可有效降低监测成本，并解决难以选择合适基准站位置的问题[8]。各地方政府和国家陆续建立CORS参考站，为NRTK技术的广泛应用创造

PPP技术是利用载波相位观测值以及全球若干地面跟踪站提供的精密星历和卫星钟差来进行高精度定位[9]。Xu等[10]在六自由度振动台上评估PPP技术的测量精度，当PPP技术用于短周期GNSS信号处理时，其水平方向测量精度优于2~4 mm，竖直方向测量精度优于10 mm；Moschas等[9]采用实验方法来评估PPP技术的性能，通过与加速度计及GNSS差分技术解算结果对比，得出PPP技术可精确测量幅度10~20 mm的结构振动的结论，Yigit等[11]亦得出类似结论。