2東海大橋GPS天線陣列變形監(jiān)測方案設(shè)計

1、一課資料 網(wǎng) 第1 5卷第4期測繪工程Vd . 15 M. 42 006年8月ENGINEERI NGoF SURVEYINGANDMAPP INGAu g. , 2 0 0 6 東海大橋G P S天線陣列變形監(jiān)測方案設(shè)計王新洲1 '2 ,邱衛(wèi)寧1 ,廖遠琴1 ,鄒進貴1 ,花向紅1(1 .武漢大學(xué)災(zāi)害監(jiān)測與防治研究中心，湖北武漢4 3 0 0 7 9; 2 .山東科 技大學(xué)地球信息科學(xué)與工程學(xué)院，山東青島2 6 6 5 1 0 )摘要：介紹了自主研制的GP S天線陣列變形監(jiān)測系統(tǒng)。根據(jù)東海大橋的具體情 況，給出兩個東海大橋GP s天線陣列變形監(jiān)測的設(shè)計方案。采用該設(shè)計方案， 建設(shè)東海

2、大橋變形監(jiān)測系統(tǒng)的成本僅為隔河巖模式的31%。關(guān)鍵詞：GPS天線陣列；東海大橋；變形監(jiān)測。中圖分類號：P 1 2 2 8文獻標(biāo)識碼：A文章編號：10067949 (200 6 ) 04 0 0 4 5 06Schemede format i onmon i tor i ngus i ngGPS antennaarraydes ignOf fordonghai largebridgeWANGX in - z h o u Q I UW e imin91, LIAOYuan 一 qinl,ZoUJin gui 1, HUAXiang hon91(1. ResearchCente r fOrHaz a

3、 r dMon i tor i n gandPrevent ion, Sch ()OlofGeod 酋 y&(; e。 mat i cS, WuhanUn i ve 商 ty, Wuhan430079, Ch ina; 2. ShandongUn i veWtyo fSc i enceandT echno 1 ogy, Qingdao266510, Chim) Abstract: Thi spapermainlyintrCducesd efomat ionHIOni toringtheus ing (jPSant ennaar raysys tem, whichi sdeveloped

4、ind ependent lybyourteam. Then, accordingt othespec i f icci rcums tance, i tpreSents twodes i gns forGPSantennaar rayde f o m 1 a t ionnloni toringoftheus ingl: bnghai la rgeb 'Hge. Us ingourdes igns, thede fonna? t ionmoni toringsystemforl) Onghai lar gebridgewi 1 lcostonly31percentofthem oney

5、spentontheGeheyann 1 ode 1. That i s, oc Innpar ingwi ththe (逕heyanmodel, thef i rstdes igncansave69, 4 6 0, OOOyuanofth econstruc - t ionexpense, whi letheseoo n donecansave40, 8 3 0, OOOyuan.疊（eywords: GPSantennaar ray; I） onghaib ridge; deformat ionmoni toring東海大橋起始于上海浦東南匯區(qū)的產(chǎn)潮港，北工條件。與滬產(chǎn)高速公路相連，南跨杭

6、州灣北部海域，直達浙東海大橋施工包括很多大跨 徑鋼梁結(jié)構(gòu)，大跨江省嶂泗縣崎嶇列島的小洋山島。東海大橋為全長度的主通航 孔、輔通航孔以及兩座斜拉索橋的主跨約3 1 km的曲線橋梁，其中跨海段2 5 km0整座橋都是大跨度結(jié)構(gòu)。這些鋼梁結(jié)構(gòu)不管是在施工過程包括2座大跨度 海上斜拉橋、4座大跨度的預(yù)應(yīng)力中還是在運營管理過程中都存在變形。隨著大 橋跨連續(xù)梁橋，大量的大跨徑為整跨安裝的非通航孔。度的增大，加勁梁的高跨 比越來越小，安全系數(shù)也隨東海大橋按雙向六車道加緊急停車帶的高速公路標(biāo)之 下降，對外界波動荷載的敏感性越強，在特殊氣候準(zhǔn)設(shè)計，橋?qū)? 1 . 5 m,設(shè) 計車速8 0 k r I 1/h,設(shè)

7、計荷載條件下會產(chǎn)生橋梁過大的擺動位移。如青馬 大橋在汽車一超2 0級，掛車一1 2 0級，并按集裝箱重車密8 5 m/s風(fēng)速下 加勁梁側(cè)移4. 7m0在這種情況下，排進行校驗。東海大橋設(shè)計基準(zhǔn)期為1 0 0年。車輛無法在橋上正常行駛，甚至可能發(fā)生危險。為東海大橋按地理位置可分為：陸上段、淺灘段、了保證橋梁運營的安全性，就要 在惡劣天氣情況下跨海段和連島段；按施工工藝特點分：陸上段、淺海及時對橋 梁的位移擺動和振動進行實時監(jiān)測，并及段、非通航孔段、主通航孑L、輔通航 孔和港橋連接段，時作出分析判斷，指揮橋梁的運營或關(guān)閉，從而避免其中港橋 連接段又分為開山路段、海堤段和顆珠山危險的發(fā)生。大橋3個部

8、分。每個部分 具有不同的地質(zhì)狀況和施另外，東海大橋自身荷載巨大，受風(fēng)、溫度、潮汐收稿 日期：2005 1 2 2 0項目來源：山東省泰山學(xué)者建設(shè)工程專項經(jīng)費資助（聰x Z 0 5 0 2 ） 作者簡介：王新洲（1 9 5 5），男，教授.萬方數(shù)據(jù)? 4 6 測繪工程第1 5卷等自然因素的影響很大，導(dǎo)致受力情況非常復(fù)雜。為了保證大橋的安全運營，避 免造成災(zāi)難性的后果，必須對大橋進行長期的監(jiān)測。1東海大橋變形監(jiān)測方法的選擇用經(jīng)緯儀進行水平位移觀測的方法很多，常用的方法有視準(zhǔn)線法、前方交會法等。由于東海大橋為全長約3 1 k m的曲線橋，所以 測小角度法”和 活動覘牌法”都不適用。用一等或二等水準(zhǔn)測

9、量監(jiān)測東海大橋的垂直位移，在實際 工作中也不現(xiàn)實。對于3 1km的橋梁，一等水準(zhǔn)無法實施，二等水準(zhǔn)也難以進行，而且速度慢。用激光準(zhǔn)直儀監(jiān)測水平位移的原理與用經(jīng)緯儀進行水平位移觀測的原理幾乎相 同。所以用激光準(zhǔn)直儀監(jiān)測東海大橋的水平位移也是不現(xiàn)實的。由于東海大橋結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所以采用傾斜傳感器監(jiān)測東海大橋的變形比較困難。對 于用液體靜力水準(zhǔn)儀監(jiān)測東海大橋的垂直位移，由于大橋太長，也不 是好的選擇。由于東海大橋長達3 1 km,故無法攝取大橋全景的立體像對，因此，在東海大橋中采用近景攝影測量的方法監(jiān)測變形是不符合實際的。測量機器人在變形監(jiān)測領(lǐng)域是非常有前途的方法。但在長達3 1 km的東海大橋的變形監(jiān)

10、測中卻不是好的選擇，甚至是不可能應(yīng)用的。由于GPS具有精度高、速度快、全天候、自動化的特點，因而該技術(shù)在變形監(jiān) 測領(lǐng)域倍受測量人員的青睞。應(yīng)用GP S進行變形監(jiān)測的方式很多，歸納起來一般有3種模式。一是只用幾臺 GPS接收機，人工定期逐點采集數(shù)據(jù)，這種模式稱為普通模式。二是在每個監(jiān) 測點上都安置一臺GP S接收機，實現(xiàn)全天候、全自動化監(jiān)測，采用這種模式進行GP S變形監(jiān)測的典型實例是隔河巖大壩自動監(jiān)測系統(tǒng)，因此稱這種模式為隔河巖模式。三是采用GP SRTK技術(shù)，稱為RTK模式。目前，RTK模式一般難以達到3mm的監(jiān)測精度，所以RTK模式不適用東海 大橋的高精度變形監(jiān)測。普通模式的優(yōu)點是簡單、經(jīng)

11、濟、成本低，GPS接收機 可以與其他工程共享。其缺點是不能實現(xiàn)自動化，不能連續(xù)監(jiān)測大橋變形，因 此，無法反映大橋的動態(tài)變化情況。隔河巖模式的變形監(jiān)測系統(tǒng)也稱為長期連續(xù)運行的GP S變形監(jiān)測系統(tǒng)，集GPS、數(shù)字通訊、計算機網(wǎng)絡(luò)、自動控制、精密工程測量及現(xiàn)代數(shù)據(jù)處理等高新技術(shù)于一 體，一般包括數(shù)據(jù)采集、萬方數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理分析和管理3個部分，是很好的變形監(jiān)測模式。具缺 點是成本太高，對于東海大橋這樣擁有幾百個監(jiān)測點的大型監(jiān)測工程，其成本往 往高的無法接受。由于GP S變形監(jiān)測的普通模式不僅勞動強度大，而且不能實時監(jiān)測。隔河巖模式各方面都很好， 就是費用太昂貴，難以實際實施。鑒于以上問題，建

12、議采用GP S多天線陣列變形監(jiān)測系統(tǒng)來監(jiān)測東海大橋的變形。2GP S多天線陣列變形監(jiān)測系統(tǒng)簡介GP S多天線陣列變形監(jiān)測系統(tǒng)是由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理3個部分組成。數(shù)據(jù)采集部分的核心是GP S多天線共享器，它將價格昂貴的接收機陣列變成了相對便宜的大 線陣列。GP S多天線共享器可以使一臺GP S接收機控制多個GP S天線，每 個監(jiān)測點上只安裝GP S天線，不用安裝GP S接收機，這樣就可以使監(jiān)測系統(tǒng)的成本大幅度下降。多天線共享器由數(shù)字電路和微波電路兩部分組成。數(shù)字電路部分包括液晶屏顯 示、控制電路、微波開關(guān)控制電路、GPs天線供電電路、共享器控制接口電路 以及系統(tǒng)設(shè)置電路。數(shù)字電路的核心

13、部分是一個MCU （微處理器），通過MC U可以實現(xiàn)對電路各部分的有效控制。微波開關(guān)控制電路，是通過MCu的3個 1/00來控制嵌入到微波開關(guān)芯片內(nèi)的3-8譯碼器，從而實現(xiàn)對G P S信號通道開啟（關(guān) 閉）的控制。GP S多天線陣列變形監(jiān)測系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，數(shù)據(jù)處理結(jié)果如圖2所示。數(shù)據(jù)處理結(jié)果表明，該系統(tǒng)的精度為：盯 x = ±1 . 1mm; 口。y = ±2. 5mm;仃42 = ±1. 2mm。3東海大橋GP S多天線陣列變形監(jiān)測方案設(shè)計 3 . 1東海大橋GP S多天線陣列變形監(jiān)測系統(tǒng)的布設(shè)原則東海大橋具有橋體長、橋面寬、分段建造的特點。如果只在大

14、橋的兩岸布置兩基準(zhǔn)站直接對大橋上的監(jiān)測點進行監(jiān)測，則兩基 準(zhǔn)站之問的基線將長達約4 0 km。這樣的GP S中長基線是難以保證監(jiān)測精度 的。因此，提出在變形監(jiān)測時將橋梁分段處理， 即采用兩級布網(wǎng)、分段監(jiān)測、分段解算的原則。3. 2基準(zhǔn)點的布設(shè)首先在大橋兩岸適當(dāng)位置布設(shè)兩個基準(zhǔn)點，這兩個基準(zhǔn)點的布設(shè)方法、布點標(biāo)準(zhǔn) 與I G S站的布設(shè)第4期王新洲，等：東海大橋GP S天線陣列變形監(jiān)測方案設(shè)計? 4 7 ?圖1 GP S多天線陣列變形監(jiān)測系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖方法相同。通過與上海、北京、武漢等地的I GS站進行聯(lián)測，確定這兩個基準(zhǔn)點在I TRF框架下的精確坐標(biāo)。這兩個基準(zhǔn)站每天 2 4 h連續(xù)運行。兩基距

15、劃分4級，每段約長6. 2km;將1. 9km的海堤和1 . 6 6k m的橋梁結(jié)構(gòu)組成的連島段作為最后一段。每段的兩基準(zhǔn)站之間距離大約在5 -6 km,這樣就將原來的長基線觀測進行了 拆分，整個橋梁分段如圖3所示。3. 4監(jiān)測點的布設(shè)準(zhǔn)點位置的選擇應(yīng)以透空度良好（仰角1 0。以上無遮蔽物），地質(zhì)穩(wěn)定性佳，遠離電磁波干擾源等為必要條件。止匕外，供電、通訊及交通的方便性也會影響設(shè)站以及站點運轉(zhuǎn)的維護開 支，故這些也是選擇站點的重要因素。在每個基準(zhǔn)站上安置一套高精度雙為了方便業(yè)主選擇，我們?yōu)闁|海大橋設(shè)計了兩套監(jiān)測方案。頻GP S接收機以及可抑制多路徑效應(yīng)的天線，天線安置在堅固的觀測墩上。接 收機和

16、備用電源等放置在簡易玻璃房或既有建筑物內(nèi)。基準(zhǔn)站的電源以交流電為主，使用蓄電池作為備 用電源。3. 3工作基點的布設(shè)方案1 :監(jiān)測站安置在各跨中間，即在大橋每一跨的中間設(shè)置（猙S天線。東海 大橋包括了兩座大跨度斜拉索橋，分別是主通航孔處和顆株山大橋。對這兩座橋主橋塔的擺動進行監(jiān)測，需要求解主橋塔頂端的振幅和周期。分別在兩座斜拉索橋橋塔頂端安置GPS天線，用兩臺共享器來控制橋塔頂端的天線，使它們分別與兩臺G PS接收機連接。I段以在東海大橋的橋面上修建5個永久觀測墩，每個觀測墩上安置天線、接收機、用口設(shè)備服務(wù)器、遠程室外路由器及切割柵狀拋 物面天線作為工作基點。工作基點上的（凈S接收機保持2 4

17、 h連續(xù)觀測，與兩 岸的基準(zhǔn)點聯(lián)測，通過基準(zhǔn)點對工作基點坐標(biāo)進行改正。用坐標(biāo)改正后的工作基 點對大橋進行監(jiān)1號點和基準(zhǔn)點-A作為直接基準(zhǔn)點。數(shù)據(jù)處理時，各監(jiān)測點和兩直接基準(zhǔn)點進 行差分處理。這一段共有1 0 0跨，需要1 0 0個GPS天線，1 3臺天線共享 器,13臺6$接收機。II段、田段、VI段、V段都以各自相鄰的兩工作基點 為直接基準(zhǔn)點。每段上安置8 6個天線，1 1臺共享器，1 1臺接收機。VI段以5號工作基點和基準(zhǔn)點B 為直接基準(zhǔn)點，其中1.9k m的海堤上每6 0 m一個天線，主橋和引橋安置3 2個怡 UatJdG 、GlMC4kn 11H 鍵a詩若匕輯卜力曲SS，I'l

18、lilt一I-laff, HNilikiCl 咚 IMH*' *八；*力限號*,jj ir.中刎CH天線，一共需要6 4個天線，8臺共享器，8臺接收機。測或用工作基點的坐標(biāo)改正值對監(jiān)測點坐標(biāo)進行改正。由于大橋建設(shè)具有分段結(jié)構(gòu)的特點，在布設(shè)5個工作基點時考慮這一特點，將大橋分為6段，工作基點就設(shè)置在段與段的相連處。將陸上段和淺灘段全長約4 km作為變形監(jiān)測的第一段；將跨海段等問萬方數(shù)據(jù)? 4 8 ?測繪工程第1 5卷圖2在監(jiān)測點上觀測2 h的數(shù)據(jù)處理結(jié)果用于放置GPS接收機、多天線共享器和無線通信等設(shè)備。箱內(nèi)要有市電接人， 以保證GP S接收機、多天線控制器和無線通信等設(shè)備的正常供電。方

19、案2:為了節(jié)省成本，在方案1的基礎(chǔ)上減少監(jiān)測點。對兩座斜拉索橋的處理 方法與方案1相同。跨海的2 4k m橋段，每1 0 0 m布設(shè)一個監(jiān)測點，圖3工作基點布設(shè)示意圖其余6 km橋段每1 5 0m布設(shè)一個監(jiān)測點，在特殊部 位如：主、輔通航孔和連島段的大橋等處適當(dāng)增加監(jiān)測點。共布設(shè)2 9 6個GP S監(jiān)測點，需要天線2 96 + 7 = 303個，GP S多天線共享器3 7臺，G】 珞接收機3 7 + 7 = 4 4臺。通過無線通信技術(shù)將G P S數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂浦行牡?計算機上，然后進行變形分析。nph 5 Tk-M <1515 %十 愀nn；j走心才屋打RH外1廿方長.1飛無哨Rhi1

20、L1翻打” ”上-T* tin皿用十次制含酢請讓心iwsm 郛設(shè)計的東海大橋GP S陣列變形監(jiān)測系統(tǒng)的工整個大橋一共需要天線：10 0 + 344+64+7=515個，多天線共享器：13+44+8=65,接收 機：13 + 44 + 8 + 7 = 72臺。為了保證監(jiān)測質(zhì)量，各監(jiān)測站上也需要建造 觀測墩。建造觀測墩時必須保證觀測墩與大橋牢固相連，最好在大橋建設(shè)過程中 就建造好。每隔1 2跨建造一個容積大約1 m 3的鐵皮儀器箱，萬方數(shù)據(jù)第4期王新洲，等：東海大橋GP s天線陣列變形監(jiān)測方案設(shè)計 ？ 4 9?作原理 如圖4所示。圖4東海大橋G P s陣列變形監(jiān)測系統(tǒng)工作原理圖3 . 5觀測方案設(shè)

21、計況要23 m 1 n時間，即在車載大的情況下，每2 東海大橋設(shè)計車速為80kn 1/h,約22Hl/s。大橋3 m i n就可以獲 得各監(jiān)測點上的變形情況，這樣可以受車流量、溫度、潮汐等人為和自然條件的 影響將發(fā)達到準(zhǔn)實時的變形監(jiān)測。生變形。在這些影響因素中，車流量是導(dǎo)致大橋變可以根據(jù)不同時段不同車流量 設(shè)置不同的采樣形的主要因素。在不同車流量的條件下，大橋變形間隔，比如： 從9時至1 2時、14時至1 8時之間是大頻率不同，對大橋變形情況、變形分 析等的時限要求橋交通最繁忙的時段，可以將這些時段中多天線共也就不同。如 果采用第1種GP S多天線變形監(jiān)測享器的采樣間隔設(shè)置成1 5 s ,對于

22、每一個 監(jiān)測點1 h方案。監(jiān)測站間距離大約都是5 07 0m,車輛以可以獲取2 0 3 0個坐標(biāo)變化信息。在1 2時至1 4 8 0 k m/h的速度行駛時，需要3 s駛 過兩監(jiān)測站。大橋是雙向6車道設(shè)計，在交通繁忙的時候，在兩監(jiān)測時內(nèi)，可將采樣間隔設(shè)置為3 0s,在這2 h內(nèi)也可獲取2 03 0個變形信息。點之問的車輛可能有6輛，要監(jiān)測反映出在這種情 況下，車流對大橋變形情況的影響，可能需要1 0 3 . 6成本比較s才能將6輛車通過時的情況記錄下來。由于多天線GP S多天線變形監(jiān)測系統(tǒng)與 GP S隔河巖模式共享器在從一個天線轉(zhuǎn)到另一天線進行衛(wèi)星信號接在系統(tǒng)造價 方面比較見表1。收時總會有幾

23、秒鐘搜索衛(wèi)星的時間，所以在車載大可見，對于東海大橋變形監(jiān) 測，采用GP S多大的情況下多天線共享器和每臺天線連接的時間設(shè)定線陣列變 形監(jiān)測系統(tǒng)的成本僅為隔河巖模式變形監(jiān)為15s,即時問間隔設(shè)置為15s。 在使用8個輸入端測系統(tǒng)的3 1 %。方案1比隔河巖模式節(jié)省成本的共享器時， 多天線共享器依次掃描完8臺天線一 6 9 4 6萬元，方案2比隔河巖模式節(jié)省成 本4 0 8 3萬次需要2 m 1 n的時間。數(shù)據(jù)處理完成后獲取變形情元。顯然該系統(tǒng)在經(jīng)費方面 的優(yōu)越性非常明顯。萬方數(shù)據(jù)? 5 0 ?測繪工程第1 5卷4結(jié)論與建議綜上所述，可得如下結(jié)論：1 )傳統(tǒng)的變形監(jiān)測方法一般不適合東海大橋的 變形

24、監(jiān)測。2廖遠琴.東海大橋GP s多天線陣列變形監(jiān)測方案設(shè)計D.武漢：武漢大學(xué)，2 0 0 5.3徐興玉.淺論東海大橋橋梁健康監(jiān)測J .城市道路與防 洪，2005 (6) : 130132.4梅文勝，張正祿，黃全義.測量機器人在變形監(jiān)測中的應(yīng) 用研究J .大壩與安全，2002 (5):33 3 5.5林元培，章曾煥，盧永成，等.上海東海大橋工程總體設(shè)計J .城市道橋與防洪，2 0 0 4 ( 4 ): 18.6周瑞祥.GPS RTK技術(shù)在東海大橋樁基施工中的應(yīng)用J .鐵路勘察，2004 (1):59 6 2.7何永琦，陳偉民，符欲梅.傾斜傳感器在橋梁變形監(jiān)測中的應(yīng)用J .重慶大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版

25、，2 0 0 4, 2 7 (7) : 28 3 1.2)(沼S天線陣列變形監(jiān)測系統(tǒng)不僅非常適合東海大橋的變形監(jiān)測，而且相對隔河巖模式可節(jié)省成本高達6 9%。3)建議采用方案2 ,因為方案2不僅可滿足東海大橋變形監(jiān)測的要求，而且總成本可控制在2萬元人民幣以內(nèi)。參考文獻0 0 08黃建躍，王樹林，劉成龍，等.大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋施工主梁變形監(jiān)測的必要性與方法J .橋梁建設(shè)，2003 (1):48 5 1.1王永弟.GP s多天線陣列變形監(jiān)測系統(tǒng)研究D.武漢：武漢大學(xué)，2 0 0 5.責(zé)任編輯：劉文霞萬方數(shù)據(jù)mmm1 1 1 WAKFANG DATA *砥鏈接?xùn)|海大橋GPS天線陣列變形監(jiān)測方案設(shè)計作者：作者單位：王新洲，邱衛(wèi)寧，廖遠琴，鄒進貴，花向紅，WANG Xin-zhou,QIU Wei-ning , LIAO Yuan-qin , ZOU Jin-gui, HUA Xiang-hong 王新洲，WANG Xin-zhou(武漢大學(xué)，災(zāi)害監(jiān)測與防治研究中心，湖北，武漢,430079;山東科技大 學(xué)，地球信息科學(xué)與工程學(xué)院，山東，青島,266510),邱衛(wèi)寧，廖遠琴,鄒