大型建筑物动态监测中GPS技术的应用研究

摘要：本文基于笔者多年从事变形及动态监测的相关工作经验，以GPS技术在大型建筑物动态监测中的应用为研究对象，分析探讨了GPS动态监测的原理和方法，借助实例评价了GPS在大型结构动态监测中的应用状况，最后，笔者简要阐述了监测数据的管理与可视化方法，全文是笔者长期工作实践基础上的理论升华，相信对从事相关工作的同行有着重要的参考价值和借鉴意义。

关键字：大型建筑物，动态监测，GPS，原理，方法

中图分类号： P228 文献标识码： A 文章编号：

大型结构建筑物动态监测工作是对其关键部位进行连续实时监测，为评估结构物的稳定性、耐久性和可靠性提供有价值的信息。在台风、温度变化、载荷变化以及地震等因素的影响下，许多大型结构建筑物诸如长桥、塔和高层建筑物等会产生震动和发生位移，甚至会有倒塌事故的发生。因此对大型结构建筑物进行动态监测，不但可以及时发现结构物的危害并采取相应的维护措施，避免灾难性的事故发生，而且对结构物的安全运营、损伤检测、突发事件（如强烈地震、强台风或其它严重事故）后的结构剩余寿命的评估以及检验结构物设计参数的正确性等等，都具有非常重要的意义。目前，对大型结构建筑物的动态监测已成为大型构筑物建设及运营阶段不可缺少的工作，并成为土木工程、结构工程等专业

领域的一个非常活跃的研究方向。

本文主要介绍基于GPS技术的大型结构建筑物动态监测原理、方法和国内外的几个典型实例，提出了监测数据管理与可视化方案，并对未来大型结构建筑物动态监测系统进行展望。

1 大型建筑物的动态监测方法分析

对大型结构建筑物进行动态监测，是测定结构物主要特征点在温度、风力、载荷和地震等外界因素影响下的位移变化特征，并对结构物进行损伤检测、稳定性与剩余寿命的评估等工作。测定构筑物的位移或震动的方法，可以分为传统的方法和GPS方法。

1.1 传统方法

过去，由于受技术条件的限制，为测定大型结构物的震动与位移，人们常常采用的方法主要包括位移传感器测试法、加速度计法、激光干涉仪法和全站仪测试法等等。

位移传感器测试法是一种接触式测量方法，测试设备的一端安装在被测物体上，另一端安装在被测物体外固定点上。这种方法难以实现对大型结构物的位移测量，常用于结构物模型测量。

加速计法是一种常规测量结构物震动与位移的方法，它是将加速度传感器安装在结构物上，测定试结构物在震动时的加速度，通过对加速度积分求位移。它的特点是重量轻、体积小，因此测量值受震动自身影响较小，但是它需要和测定点直接接触，同时需要采用专用配线连接加速计和中央记录单元。这种方法位移测量误差较大，配线容易损坏，当结构移动比较慢时，不能精确测定整个震动的振幅。另外，在某些情况下如近海工程、高层塔架等建筑物，加速度计安装十分困难。

激光干涉仪法是一种测定监测点到基准点间距离变化量的方法。它需要将棱镜或反射胶片安置在监测点上，观测距离变化与时间的关系值，通过进一步的分析可以得到位移变化主频率和相应的振幅。这种方法具有精度高的优点，但是当结构物的摇晃或震动较大时很难跟踪目标。

全站仪测试法使用自动跟踪（马达带动）全站仪，由全站仪发射的激光通过自动扫描，瞄准目标，采用激光测距、电子测角法，求出待测点的三维坐标。该方法的测量精度高，采样频率一般可达3HZ。

对于多点测量要用扫描时分方法，所以同时同步对多点测量比较困难，另外激光受大气影响大，在恶劣天气测量困难。

这些方法尽管能达到一定的目的，但也存在一定的问题。例如，当所监测物体移动速度较慢时，加速计法难以有效获得物体整个震动的振幅；激光干涉仪法和全站仪测试法受气候条件的限制，只有具有良好的通视条件才能正常开展工作；这些方法对较小构筑物较好，对于高大构筑物，特别是在台风、大雨的情况下，跟踪目标困难。此外，它们还存在不能同步测定不同监测点位移，当位移量比较大时观测比较困难，很难实时得到观测值等缺陷。总而言之，这些传统的测量手段进行动态监测存在一定的局限，不能满足对大型结构建筑物进行连续、实时和自动动态监测的需要。

1.2 GPS方法

在过去的十几年，全球定位系统（GPS）技术发展非常快速，定位精度明显提高，仪器设备重量轻、体积小，价格逐年降低，软件功能增强且用户操作界面友好。采用GPS 技术对大型结构建筑物进行震动与位移观测具有许多优点：

（1）GPS 技术克服气候条件的限制，能在恶劣的天气或暴风雨天气条件下全天候进行工作。

（2）GPS 定位属卫星定位，当监测点的接收机能接收来自5颗卫星的信号和来自基准点的差分信号时，可进行实时动态GPS（GPS RTK）定位。监测点之间不需要通视，且得到的是不同监测点坐标的绝对值。

（3）GPS 技术能够直接测定结构物位移的三维坐标。从接收信号、跟踪卫星到完成实时动态差分位移测量等工作，仪器能自动进行。

（4）具有定位精度高、速度快的特性，采用差分GPS 载波相位的方法可以达到厘米级甚至毫米级的定位精度，许多厂商生产的GPS 接收机的采样频率可达10～20HZ，GPS 数据处理方法在不断改进和完善。

GPS 定位测量的这些优点为对大型结构建筑物进行实时或准实时、高精度的动态监测提供了很好的技术条件。

2 GPS动态监测原理

由于结构物的震动和位移比较小，当GPS 技术用于大型结构动态监测时，必须采用高精度的GPS定位方法。为获得厘米级甚至毫米级的精度，可以采用差分GPS 载波相位的方法。由于刚性结构物体的震动范围比较小，所以采用GPS 技术难以完成对刚性结构物的动态监测，GPS 定位技术通常用于柔性结构物的动态位移监测，如长跨距的悬索桥、高层建筑或高塔等结构物。下面主要探讨位移监测原理。

GPS RTK 即实时动态GPS 技术，它是一种可以在野外实时获得测点最终三维坐标的GPS 测量方法，在定位、导航、工程施工、大型结构建筑物变形的动态监测等方面有很大的潜力。GPS 定位是通过同时接受. 颗以上GPS 卫星信号，测定卫星到接收机的距离进行定位。为提高定位精度，可利用载波相位进行定位。载波相位进行定位是利用差分方式。

即将一台接收机安装在一个已知坐标的固定点上，也称基准站，在待测点上（称监测站）安置GPS 接收机。将基准站接收的GPS 卫星信号，既测定的至各卫星的伪距、相位观测值、卫星星历、多谱勒频移等，通过数据通信链，如无线广播、光纤电缆等，传到监测站，并和监测站接收的信号进行差分处理，即可得到高精度的定位结果。常用的差分模型是双差方程。利用基准站和监测站对同一卫星载波相位观测方程求差为单差方程，若利用不同卫星的单差方程在求差为站际双差方程：

式中为站际、星际载波相位差分观测值，为接收机到卫星的距离，为基准点，为监测点，1，2表示不同卫星号，为对流层延迟，为电离层延迟，为载波相位的整周模糊度。

从上面公式可以看出，卫星钟差、接收机钟差已经消除，若基准站和监测站相距不远，基准站、监测站卫星信号的电离层延迟和对流层延迟相关性好，公式中，第2，3项可视为零，所以只要能将整周模糊度. 求准，则利用同时观测* 颗卫星选定的双差方程即可实现实时定位，定位精度可以达到1～2cm。