GPS(全球衛(wèi)星定位系統(tǒng))自80年代中期投入民用后，已廣泛地在導(dǎo)航、定位等各領(lǐng)域應(yīng)用，尤其在測量界的控制測量中起了劃時代的作用。正是因為它在靜態(tài)相對定位中的高精度、高效益、全天候、不需通視等優(yōu)點，使人們普遍采用其來代替(逐漸地)常規(guī)的三角、三邊、邊角等方法，并在理論、實踐中取得了可喜的成果。在精密工程變形監(jiān)測中也逐步得到廣泛的應(yīng)用。
隨著社會經(jīng)濟和科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，造橋技術(shù)不斷進步，橋梁結(jié)構(gòu)逐步向輕巧、纖細方面發(fā)展。與此同時橋梁的載重、跨徑和橋面寬度不斷增長，結(jié)構(gòu)型式不斷變化。傳統(tǒng)的變形監(jiān)測手段越來越不能滿足變形監(jiān)測要求，這就迫切需要性能更可靠的設(shè)備來監(jiān)測大橋的形變。目前，隨著GPS技術(shù)的不斷成熟，GPS自動化監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)在橋梁、建筑、地震、大壩等行業(yè)中應(yīng)用并取得很好的效益。GPS自動化監(jiān)測系統(tǒng)儀器以其卓越的性能受到專家的好評。
1.GPS工作原理和應(yīng)用概況
1.1GPS工作原理
全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System)是美國國防部研制組建的新一代的軍民兩用的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)從20世紀70年代初開始研制，美國政府于l995年4月宣布該系統(tǒng)已組建完畢并投入運行。全球定位系統(tǒng)是美國繼阿波羅登月計劃和航天飛機計劃之后的又一龐大的空間計劃。它的出現(xiàn)不僅使導(dǎo)航技術(shù)和定位技術(shù)產(chǎn)生了根本性的變革，而且對交通運輸、空間技術(shù)、地學(xué)研究、軍事等諸多領(lǐng)域及社會生活的各個方面都將產(chǎn)生重大影響。
全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)衛(wèi)星星座，設(shè)計由24顆衛(wèi)星(事實上目前經(jīng)常保持27至32顆衛(wèi)星)組成。它們分布間距為60度的6個軌道上，軌道傾角55度，每個軌道面上均勻分布4顆衛(wèi)星。衛(wèi)星的地面高度為20200km。這樣分布的衛(wèi)星星座，可以保證任意時間任意位置的接收機可同時收到4顆以上衛(wèi)星信號，以便進行瞬時的定位觀測。
差分是2個或更多個測站之問的相對定位，如圖1所示，如果A和B兩點在同一時間內(nèi)觀測了相同的一組衛(wèi)星(至少四顆)。而且A是一個己知點，通過某種數(shù)據(jù)鏈，把原始改正信息傳到B點，那么B點的位置就可以加以確定。
GPS接收機在地面上接收位于天上的至少4顆GPS定位衛(wèi)星的信號(電磁波)。根據(jù)定位信號到達GPS接收機的時間差，GPS接收機就可以計算出自己距離衛(wèi)星的準確距離。又因為GPS定位衛(wèi)星在天上的位置是己知的，所以可以通過公式，把這個位置和剛剛得到的距離，換算出GPS接收機在地面的位置(經(jīng)緯度、海拔等等) 。
1.2 實施GPS監(jiān)測的必要性
變形監(jiān)測是橋梁安全監(jiān)測系統(tǒng)中的關(guān)鍵項目。傳統(tǒng)變形監(jiān)測系統(tǒng)在保證工程正常運行方面發(fā)揮了重要作用，但存在如下缺陷：
(1)大量采用手工采集數(shù)據(jù)的方法，自動化測點少，自動化程度低，工作量大，觀測易受氣候和其它外界條件的影響，容易漏過重要和危險的信號；
(2)各監(jiān)測點的變形量在時間上不是同步的；
(3)平面位移和垂直位移數(shù)據(jù)是在不同的測點上、不同的時間里采集的；
(4)精密水準網(wǎng)路線長。
利用GPS監(jiān)測系統(tǒng)對橋梁進行變形監(jiān)測，能克服傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)所存在的缺陷，精度能滿足規(guī)范要求，而且可以更全面地了解橋梁各時期的變化，甚至瞬時變化，實現(xiàn)連續(xù)觀測與數(shù)據(jù)的自動處理?？梢愿行У卣莆諛蛄旱倪\行狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)問題，確保橋梁的安全，并為橋梁提供更可靠的安全監(jiān)測資料。
1.3GPS的主流觀測方法-RTK技術(shù)
從國內(nèi)外的有關(guān)研究和應(yīng)用可以看出GPS是一個非常有效的橋梁監(jiān)測技術(shù)，GPS與其它傳感器結(jié)合用于橋梁健康監(jiān)測已形成了趨勢。它的觀測方法主要分為兩個流派：單基站RTK模式和控制中心實時統(tǒng)一解算模式。目前單基站RTK模式的GPS監(jiān)測方法在橋梁監(jiān)測中的常見精度為1-3cm，數(shù)據(jù)采樣頻率一般為1Hz 。
RTK測量技術(shù)集合了GPS衛(wèi)星定位、快速解算、數(shù)據(jù)無線傳輸、快速跟蹤等多項先進技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于許多個領(lǐng)域，像鐵路、公路、建筑、水利、石油等，主要因為其測量模式和測量速度、精度比以往的測量方式有了很大的變革。
(1)RTK概述
RTK(Real Time Kinematic)技術(shù)是GPS實時載波相位差分的簡稱。這是一種將GPS與數(shù)傳技術(shù)相結(jié)合，實時解算并進行數(shù)據(jù)處理，在1～2s時間內(nèi)得到高精度位置信息的技術(shù)。
(2)RTK的工作原理
實時動態(tài)定位(RTK) 系統(tǒng)由基準站和流動站組成，建立無線數(shù)據(jù)通訊是實時動態(tài)測量的保證，其原理是取點位精度較高的首級控制點作為基準點，安置一臺接收機作為參考站，對衛(wèi)星進行連續(xù)觀測，流動站上的接收機在接收衛(wèi)星信號的同時，通過無線電傳輸設(shè)備接收基準站上的觀測數(shù)據(jù)，隨機計算機根據(jù)相對定位的原理實時計算顯示出流動站的三維坐標和測量精度。這樣我們就可以實時監(jiān)測待測點的數(shù)據(jù)觀測質(zhì)量和基線解算結(jié)果的收斂情況，根據(jù)待測點的精度指標，確定觀測時間，從而減少冗余觀測提高工作效率。
(3)提高工作效率VRS系統(tǒng)的應(yīng)用
高精度實時動態(tài)(RTK)GPS定位已經(jīng)在測量和工程界產(chǎn)生了重大變革，帶來了空前的高效率。但直到現(xiàn)在，用RTK系統(tǒng)來進行高精度的測量作業(yè)，還意味著你必須首先在測區(qū)附近建立一個控制點，然后在該控制點上架設(shè)參考站。但目前隨著技術(shù)的日益成熟和改進，虛擬參考站VRS系統(tǒng)的誕生使得進入測區(qū)內(nèi)的任何一點就能立即開始GPS測量而無需架設(shè)參考站的設(shè)想得以實現(xiàn)。
這種全新的RTK定位方法從根本上提高了作業(yè)效率和測量的質(zhì)量。它不再要求建立參考站，從而節(jié)省了測量時問，也省去了購買另一臺參考站接收機的費用。在VRS網(wǎng)內(nèi)，等于已經(jīng)建立了公用的控制點，因此不用擔(dān)心不精確的控制點所產(chǎn)生的誤差傳播。而且接收機初始化會更快，也可以確信在得到結(jié)果之前所有的數(shù)據(jù)都進行了嚴格的質(zhì)量檢查。可以說VRS系統(tǒng)的產(chǎn)生極大地方便了RTK的測量。
2.GPS應(yīng)用于橋梁變形動態(tài)檢測
2.1基于GPS的橋梁形變動態(tài)檢測
橋梁在設(shè)計時需要考慮對外力具有一定的抵制能力，如風(fēng)力、交通、溫度、潮汐以及一些不可預(yù)知的載荷，如地震、洪水及臺風(fēng)。這些外力因素是橋梁在設(shè)計階段和運營階段需要考慮的主要因素。不像橋梁基礎(chǔ)沉降很容易利用常規(guī)測量儀器測量，橋梁的動態(tài)變形特性或者說是撓度變形用一般的儀器難以達到很好的測量效果，這是橋梁監(jiān)測的主要監(jiān)測內(nèi)容。典型的大型柔性橋梁的動態(tài)形變有由于風(fēng)力引起的橫向振動，以及由于交通或者環(huán)境溫度變化引起的豎直方向運動等。
近年來許多大型橋梁由于使用過度而導(dǎo)致了損壞。很明顯，橋梁的運營時間和近幾十年來日 益增加的交通量是主要的原因。據(jù)美國聯(lián)邦公路總署(FHWA) 統(tǒng)計有將近一半的橋梁損壞為結(jié)構(gòu)性損傷或功能性荒廢。因此，毫無疑問對橋梁，尤其懸索橋的設(shè)計、建設(shè)以及運營需要進行必要的檢測，以降低橋梁的事故率。這樣的工程要求 也就促使需要提供新的監(jiān)測系統(tǒng)和方法來保證橋梁的安全運營?；诖颂岢隽搜芯炕贕PS的橋梁變形檢測及分析，旨在從地理信息系統(tǒng)在工程測量中的應(yīng)用入手，研究其應(yīng)用范圍、方法以 及相關(guān)技術(shù)等。
2.2影響橋梁的環(huán)境因素及GPS檢測系統(tǒng)的重要性
一般來說，影響橋梁的外部環(huán)境是非常惡劣的，它們使得維護橋梁的安全也成為了非常復(fù)雜的工作。影響橋梁的環(huán)境因素主要包括：(1)高速的潮汐以及風(fēng)力；(2)行駛船只可能的撞擊；(3)由于空氣的濕度和含鹽度引起的橋梁腐蝕破壞；(4)靠近地震區(qū)邊緣；(5)高密度的交通載荷；(6)隨著時間推移引起的材料疲勞和結(jié)構(gòu)損壞。目前，傳統(tǒng)的監(jiān)測工具有位移傳感器、加速度計、傾斜傳感器、激光干涉儀、全站儀、精密水準儀等，這些方法都有一定的成效但也存在許多不足之處。例如，加速度計對于橋梁由于溫度變化等因素引起的徐緩的位移以及大風(fēng)影響下的大位移無能為力；激光干涉儀、全站儀和精密水準儀受氣候的影響較為嚴重而且采樣率也很難達到動態(tài)測量的要求。近年來由于GPS技術(shù)的不斷發(fā)展，尤其是RTK技術(shù)，其接收機采樣率己普遍達到幾十赫茲，定位精度達到厘米甚至毫米級，這使其用于橋梁的監(jiān)測成為了可能。GPS用于橋梁監(jiān)測不受氣候的影響，可以全天候自動測量，能夠?qū)崟r提供定給結(jié)果(IK)，而且可以方便地實現(xiàn)各測點的時間同步。因此在當(dāng)前的工程中，發(fā)展基于GPS的橋梁檢測具有重要的價值。
GPS技術(shù)應(yīng)用于橋梁檢測，精度高，不受作業(yè)環(huán)境和距離限制 ，自動化程度高，極大地降低勞動作業(yè)強度，減少野外工作量，大大提高工作效率及成果質(zhì)量，給傳統(tǒng)的橋梁形變監(jiān)測作業(yè)方式帶來了巨大變化，使橋梁檢測水平顯著提高。
另外，目前大部分的橋梁監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)做到數(shù)據(jù)自動傳輸、自動解算處理、準實時測量結(jié)果和測量結(jié)果圖形演示。利用控制中心實時統(tǒng)一解算模式的監(jiān)測方法雖然難度較大，但精度較好。這一監(jiān)測方法將作為今后致力研究的方向。
