沈陽建筑大學(xué)交通工程學(xué)院 遼寧沈陽 110168
摘要：隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，橋梁的作用顯得越來越重要。北斗RTK技術(shù)作為一種新的橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方法，具有高精度、高效率、全天候、實(shí)時(shí)性等優(yōu)點(diǎn)。本文主要對我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)以及RTK技術(shù)原理進(jìn)行了簡單介紹，并對基于北斗的RTK技術(shù)在橋梁監(jiān)測中的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用進(jìn)行了探討。
關(guān)鍵詞：北斗；橋梁健康監(jiān)測；RTK技術(shù)；
引言
橋梁在使用過程中，由于自然環(huán)境侵蝕以及車輛荷載的作用，經(jīng)常導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)損傷和功能退化，以致發(fā)生災(zāi)難事故。為保障橋梁結(jié)構(gòu)在營運(yùn)期間的承載能力、耐久性和安全性，對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行健康監(jiān)測顯得非常必要。全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite Positioning System，GNSS）作為一種新的橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)監(jiān)測方法，由于其全天候、自動(dòng)化、高精度、高效率等優(yōu)點(diǎn)，使其在橋梁健康監(jiān)測方面表現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)越性[]。長期以來，美國GPS系統(tǒng)在導(dǎo)航領(lǐng)域幾乎占據(jù)了整個(gè)市場，而高精度的GNSS監(jiān)測領(lǐng)域也幾乎依賴于GPS。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BeiDou Navigation Satellite System，簡稱BDS）是我國自主研發(fā)的全球衛(wèi)星定位與通信系統(tǒng)。研究北斗技術(shù)在高精度測量領(lǐng)域的應(yīng)用，對于打破GPS在監(jiān)測領(lǐng)域的壟斷，加快北斗導(dǎo)航系統(tǒng)在各行業(yè)的應(yīng)用起到了積極的推動(dòng)作用。
1、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)簡介
北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國自主建設(shè)、獨(dú)立運(yùn)行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，是為全球用戶提供全天候、全天時(shí)、高精度的定位、導(dǎo)航和授時(shí)服務(wù)的國家重要空間基礎(chǔ)設(shè)施。是繼美國、俄羅斯之后第三個(gè)成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。由空間段、地面段和用戶段三部分組成，空間段現(xiàn)階段在軌工作衛(wèi)星星座由5顆 GEO衛(wèi)星、8顆IGSO衛(wèi)星和21顆MEO衛(wèi)星組成，星座分布如圖1.1所示，地面段由主控站、時(shí)間同步/注入站和監(jiān)測站等組成，用戶段由北斗用戶終端以及與其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)兼容的終端組成[][]。
圖2.1 RTK工作方式
RTK（ Real Time Kinematic）技術(shù)是GPS實(shí)時(shí)載波相位差分的簡稱，是一種 GPS 與數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)相結(jié)合，實(shí)時(shí)解算并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，在 1-2秒時(shí)間內(nèi)得到高精度位置信息的技術(shù)。RTK系統(tǒng)由參考站和流動(dòng)站組成，參考站通過傳輸網(wǎng)絡(luò)將其觀測值和測站坐標(biāo)信息一起傳給流動(dòng)站，流動(dòng)站結(jié)合參考站發(fā)來的數(shù)據(jù)和自身的觀測數(shù)據(jù)，在系統(tǒng)內(nèi)組成差分觀測值，并進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，如圖2.1所示，RTK能夠?qū)崟r(shí)提供流動(dòng)站的三維定位結(jié)果，并達(dá)到厘米級精度，常規(guī)RTK技術(shù)的有效作用范圍一般小于二十公里[]。
3、北斗RTK技術(shù)的優(yōu)勢
3.1自主性，安全可靠
北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用安全可靠的高強(qiáng)度加密設(shè)計(jì)，同時(shí)提供北斗時(shí)和中國 2000 大地坐標(biāo)的時(shí)空基準(zhǔn)，更加適用于我國交通運(yùn)輸、海洋漁業(yè)、測繪地理信息、通信時(shí)統(tǒng)、救災(zāi)減災(zāi)、應(yīng)急搜救等領(lǐng)域。
3.2系統(tǒng)增強(qiáng)
北斗系統(tǒng)增強(qiáng)系統(tǒng)包括地基增強(qiáng)系統(tǒng)與星基增強(qiáng)系統(tǒng)。其中北斗星基增強(qiáng)系統(tǒng)是北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的重要組成部分，通過地球靜止軌道衛(wèi)星搭載衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)信號轉(zhuǎn)發(fā)器，可以向用戶播發(fā)星歷誤差、衛(wèi)星鐘差、電離層延遲等多種修正信息，實(shí)現(xiàn)對于原有衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)定位精度的改進(jìn)。
北斗現(xiàn)階段在軌工作包含8顆IGSO衛(wèi)星（傾斜地球同步軌道衛(wèi)星），對中國區(qū)域進(jìn)行局部增強(qiáng)，解決了在高緯度地區(qū)低仰角問題，為導(dǎo)航定位提供更多的可見衛(wèi)星以及更精確地的差分定位服務(wù)。北斗系統(tǒng)空間星座將從北斗二號逐步過渡到北斗三號，在全球范圍內(nèi)提供公開服務(wù)。北斗三號系統(tǒng)繼承北斗有源服務(wù)和無源服務(wù)兩種技術(shù)體制，能夠?yàn)槿蛴脩籼峁┗緦?dǎo)航（定位、測速、授時(shí)）、全球短報(bào)文通信、國際搜救服務(wù)，中國及周邊地區(qū)用戶還可享有區(qū)域短報(bào)文通信、星基增強(qiáng)、精密單點(diǎn)定位等服務(wù)。
3.3接收信號強(qiáng)
北斗RTK是基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的RTK技術(shù)，可視衛(wèi)星多，衛(wèi)星高度角大，能夠長時(shí)間以低PDOP值進(jìn)行工作；能兼容其他3大定位系統(tǒng)，并可自由切換，保證高標(biāo)準(zhǔn)定位精度。在我國領(lǐng)土范圍內(nèi)不會(huì)存在必然的信號盲區(qū)，比GPS-RTK 具有更好的信號接收能力。
相同屏蔽情況下，GPS-RTK已經(jīng)失鎖，北斗RTK仍可以很快鎖定13顆以上衛(wèi)星，北斗RTK鎖定衛(wèi)星能力突出，且數(shù)量穩(wěn)定；北斗RTK獲得的固定解效率更高，GPS-RTK失鎖時(shí)，北斗RTK還能夠快速獲得固定解；北斗RTK對應(yīng)PDOP值更小，且趨向穩(wěn)定；北斗RTK采集坐標(biāo)點(diǎn)位觀測平面誤差及點(diǎn)位觀測誤差更小，波動(dòng)很小，北斗RTK點(diǎn)位觀測平面中誤差及點(diǎn)位觀測中誤差較小[]。
4、監(jiān)測應(yīng)用
4.1橋墩沉降監(jiān)測
應(yīng)用北斗RTK技術(shù)對橋墩變形進(jìn)行厘米級實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測量，可以與傳統(tǒng)的監(jiān)測方法相配合，例如用陣列式位移傳感器或光纖光柵傳感器法，對橋梁的位移、傾覆、沉降、震動(dòng)變化等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，捕捉橋梁三維動(dòng)態(tài)變化信息，并實(shí)時(shí)將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳回?cái)?shù)據(jù)管理中心。還可結(jié)合人工測量并加上軟件解算，對橋梁的整體穩(wěn)定性做出分析，從而保證橋梁的安全。
4.2橋梁撓度監(jiān)測
橋梁撓度監(jiān)測包括主梁變形（轉(zhuǎn)角和撓度）、拱軸線變形、索塔變形等。混凝土的收縮徐變以及溫度變化等都會(huì)引起橋梁各部分軸線位置的變化，如果設(shè)計(jì)位置的偏離超過規(guī)定值，橋梁的內(nèi)力分布甚至行車性能就會(huì)受到影響。因此，各類橋梁所要求的軸線位置是衡量橋梁是否處于健康狀態(tài)的重要指標(biāo)。
基于北斗RTK的橋梁撓度監(jiān)測系統(tǒng)由基準(zhǔn)站、流動(dòng)站、監(jiān)測站和監(jiān)控中心組成，各部分之間通過有線或無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸。根據(jù)相對定位原理，實(shí)時(shí)地處理數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)地以厘米級的精度給出測站的三維坐標(biāo)。衛(wèi)星數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖O(jiān)測中心服務(wù)器，監(jiān)測中心進(jìn)行實(shí)時(shí)解算。
5、結(jié)語
北斗RTK技術(shù)是衛(wèi)星定位技術(shù)的一個(gè)新的里程碑，大大提高了測量效率并拓展了GPS應(yīng)用領(lǐng)域，為橋梁健康監(jiān)測提供了十分有力的條件，使用北斗RTK進(jìn)行橋梁變形監(jiān)測能縮短作業(yè)時(shí)間、全天時(shí)監(jiān)測、降低勞動(dòng)強(qiáng)度。雖然目前高精度定位還是以GPS系統(tǒng)為主，隨著北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)步伐加快，在中國區(qū)域內(nèi)高精度定位最終會(huì)擺脫對GPS的依賴，北斗RTK技術(shù)在橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測和其他領(lǐng)域?qū)⒌玫礁訌V闊的應(yīng)用。
