基于高精度北斗定位的桥梁形变监测
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2020-07-25
17:22:04
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基于高精度北斗定位的桥梁形变监测基于高精度北斗定位的桥梁形变监测
在简单介绍北斗高精度卫星接收机的特点、工作原理、数据格式及数据处理方法的基础上,根据桥梁，特别是高
速火车移动荷载作用下铁路桥具有实时振动和瞬时形变的特点，提出了桥梁形变监控的组网方式通信手段、数
据输出格式、数据采样频次等关键技术的针对性处理方法，以满足桥梁形变监控的要求。
导语：
北斗系统和美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧盟的Galileo，并称为全球卫星导航四大系统，是一个融合了通信技术、计
算机技术、热力控制技术、电力控制技术、太阳能技术、数据传输和处理技术、系统技术、管理技术等跨领域、跨学科的综合
集成系统。北斗系统建设及其产业化是国家保障国土安全与经济安全的重要举措，也是带动国民经济发展与提高国民生活水平
的重要手段。2012年12月27日，北斗系统正式商用，促使中国北斗卫星导航产业迎来了突飞猛进的发展。从系统设计、产品
设计、制造到应用服务，卫星导航系统与交通、电力、通信、娱乐、机械等行业紧密结合，创造了新的市场需求，延长了传统
产业的生命周期。卫星导航技术在市场需求的拉动下，应用涵盖海、陆、空、天四个层面，涉及航空、航海、军事、测量、测
绘、授时、机械控制、环境监测、气象等领域，使传统的工作方式发生了根本的改变，开拓了个人移动位置服务等新兴的信息
服务领域。
基于卫星导航领域的高精度定位技术，笔者撰写了一系列应用文章：《基于高精度北斗定位的桥梁形变监控》，侧重描述高精
度卫星接收机数据格式及数据处理方法；《基于高精度北斗定位的地质沉降监控》，侧重描述卫星接收机原理、地质沉降监测
内容和通信模式选择；《基于高精度北斗定位的大坝形变监控》，侧重描述数据采集、数据采集传感器以及定位误差改正模
型；《基于高精度北斗定位的尾矿库安全监控》，侧重描述高精度定位实现尾矿库安全监控的方法，以及北斗短报文实现数据
传输的方法。希望这些文章可以起到抛砖引玉的作用，吸引更多的学者、专家和工程师朋友关注北斗，为北斗在我国的飞速发
展贡献绵薄之力。
引言
桥梁这个重要交通基础设施在人们的经济生活中发挥着巨大的作用。但近年来，我国桥梁结构多次出现重大事故，造成了很大
的经济损失与不良社会影响。为确保特大型桥梁安全运营，必须采用有效的技术手段对这些桥梁的运行状态进行监测。然而，
采用常规的人工借助光学仪器的方法进行大型桥梁的形变监测，存在观测条件受天气条件影响大、测量精度不高、观测点不同
步、测站到辅助目标的距离受限等问题。北斗高精度桥梁形变监控具有全天候、全自动、高精度、延迟短、实时性强、测试点
与基准站间不需要通视的显著优势，北斗高精度定位技术更加广泛地运用到桥梁形变监测。
1 北斗桥梁形变监测系统组成及内容
1.1 北斗桥梁形变监测系统组成
北斗桥梁形变监测系统主要由北斗桥梁形变监测站、北斗卫星接收基准站、通信网络、数据分析处理中心、远程监控平台等组
成。
1.2 桥梁形变监测组网方式
桥梁形变监控要求数据实时解算，对数据传输的实时性要求高，数据采集的频次也高，采集北斗卫星数据高达5次/s，甚至高
达10次/s，传输数据量较大，因此基准站、监测站和数据处理中心的通信方式不适宜采用无线GPRS等方式，采用光纤等有线
通信比较合适。基准站、监测站如图1所示。
图1 北斗桥梁监测系统基准站、监测站
1.3 桥梁形变监测内容
根据桥的类型不同，监测内容略有差别，基本桥梁形变监测的主要内容包括:桥梁墩台沉降观测、桥面线形与挠度观测、主梁
横向水平位移观测、高塔柱摆动观测。同时，建立相应的水平位移基准、沉降基准[1]。
2 高精度北斗卫星接收机基本特性
普通的北斗单频接收机只能接收B1载波信号，测定载波相位观测值进行定位。由于不能有效消除电离层延迟影响，单频接收
机的定位精度比较低。 北斗双频接收机可以同时接收B1、B2载波信号。利用双频对电离层延迟的不同，可以消除电离层对电
磁波信号的延迟的影响[2]，因此双频接收机可以实现更高的定位精度。桥梁形变监控系统大多采用高精度双系统四频北
斗/GPS卫星接收机，主要指标如表1所列。
表1 高精度北斗/GPS卫星接收机指标
3 高精度北斗/GPS卫星接收机的数据格式
高精度北斗/GPS卫星接收机的数据有卫星原始数据和星历数据。一般高精度北斗/GPS模块支持ASCII和Binary两种数据输出
模式，具有桥梁载荷变化大、易振动和瞬时形变的特点，要求数据采样频次高、处理周期短。鉴于ASCII数据格式数据量较
大，不利于数据快速传输和形变实时计算，在桥梁形变监测中采用Binary数据输出格式。
下面以我公司高精度北斗/GPS卫星接收机为例分析其数据格式。
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