GPS在桥梁检测中的应用研究？
随着社会经济和科学技术的快速发展，造桥技术不断提高，桥梁结构逐渐向轻型化、细长化发展。与此同时，桥梁的荷载、跨度和桥面宽度不断增加，结构型式也在发生变化。传统的变形监测方法已经不能满足变形监测的要求，迫切需要更可靠的设备来监测桥梁的变形。目前，随着GPS技术的不断成熟，GPS自动监测系统已经应用于桥梁、建筑、地震、大坝等行业，并取得了良好的效益。GPS自动监测系统的仪器因其卓越的性能而受到专家们的称赞。
1.GPS的工作原理及应用
1.1GPS的工作原理
全球定位系统(GPS)是美国国防部开发的新一代两用卫星导航定位系统。该系统是在20世纪70年代初开发的，美国政府于1995年4月宣布该系统已经建立并投入运行。全球定位系统(GPS)是美国继阿波罗登月计划和航天飞机计划之后的又一个庞大的航天计划。它的出现不仅革新了导航技术和定位技术，而且对交通运输、空间技术、地学研究、军事以及社会生活的方方面面都产生了巨大的影响。
全球定位系统的卫星星座设计为由24颗卫星组成(实际上目前经常维护27到32颗卫星)。它们分布在6个轨道上，间隔60度，轨道倾角55度，每个轨道平面上均匀分布4颗卫星。这颗卫星的地面高度是20200公里。这样分布的卫星星座可以保证接收机在任何时间、任何位置都能同时接收到4个以上的卫星信号进行瞬时定位观测。
区别是两个或多个观测站之间的相对定位，如图1，如果A和B两个点同时观测同一组卫星(至少4颗)。而且，A是一个已知点。通过某些数据链路将原始校正信息传输到B点，可以确定B点的位置。
GPS接收机接收来自地面上至少四颗空中GPS定位卫星的信号(电磁波)。根据定位信号与GPS接收机之间的时间差，GPS接收机可以计算出其与卫星的精确距离。因为天空中GPS定位卫星的位置是已知的，所以地面上GPS接收机的位置(纬度、经度、高度等。)可以从这个位置和刚才公式得出的距离换算出来。
1.2实施GPS监控的必要性
变形监测是桥梁安全监测系统中的关键项目。传统的变形监测系统为保证工程的正常运行发挥了重要作用，但其存在以下缺陷:
(1)大量采用人工数据采集方式，自动测点少，自动化程度低，工作量大，观测易受气候等外界条件影响，容易遗漏重要和危险信号；
(2)各监测点的变形在时间上不同步；
(3)在不同测点、不同时间采集平面位移和垂直位移数据；
(4)精密水准网路线长。
利用GPS监测系统监测桥梁变形，可以克服传统监测系统的缺陷，精度可以满足规范要求。而且可以全面了解桥梁各个时期的变化，甚至瞬间的变化，实现连续观测和数据自动处理。能有效掌握桥梁的运行状态，及时发现问题，确保桥梁的安全，为桥梁提供更可靠的安全监测数据。
1.3GPS -RTK技术的主流观测方法
从国内外的研究和应用可以看出，GPS是一种非常有效的桥梁监测技术，将GPS与其他传感器相结合进行桥梁健康监测已经形成趋势。其观测方式主要分为两大流派:单基站RTK模式和控制中心实时统一计算模式。目前桥梁监测中单基站RTK模式的GPS监测方法常见精度为1-3cm，数据采样频率一般为1Hz。
RTK测量技术集GPS卫星定位、快速计算、数据无线传输、快速跟踪等多项先进技术于一体，广泛应用于铁路、公路、建筑、水利、石油等多个领域，主要是因为其测量方式、测量速度和精度与以往的测量方法相比有了很大的变化。
(1)RTK概述
RTK(Real Time Kinematic)技术是GPS实时载波相位差的简称。这是一种将GPS与数据传输技术相结合，实时计算和处理数据，获得1 ~ 2s以内的高精度位置信息的技术。
(二)RTK的工作原理
实时动态定位系统由参考站和流动站组成。建立无线数据通信是实时动态测量的保证。其原理是以第一个点精度高的控制点为基准点，放置一个接收机作为基准站，连续观测卫星。流动站上的接收机在接收卫星信号的同时，通过无线电传输设备接收参考站上的观测数据，随机计算机根据相对定位原理实时计算并显示流动站的三维坐标和测量精度。这样可以实时监控待测点的数据观测质量和基线计算结果的收敛情况，根据待测点的精度指标确定观测时间，减少冗余观测，提高工作效率。(VRS系统的应用提高了工作效率
高精度实时动态(RTK)GPS定位给测量和工程领域带来了巨大的变革，带来了前所未有的效率。但是到目前为止，使用RTK系统进行高精度的测量作业，还意味着你必须先在测区附近建立一个控制点，然后在控制点上建立一个参考站。但随着技术的成熟和完善，虚拟参考站VRS系统的诞生，使得在测区内任意一点开始GPS测量，而不需要设置参考站成为可能。
这种全新的RTK定位方法从根本上提高了工作效率和测量质量。它不再需要建立参考站，从而节省了测量时间和购买另一个参考站接收器的费用。在VRS网络中，已经建立了共同的控制点，因此无需担心控制点不准确导致的误差传播。而且接收器的初始化会更快，你可以确定在得到结果之前所有的数据都经过了严格的检查。可以说，VRS系统的产生极大地方便了RTK的测量。
2.GPS应用于桥梁变形动态检测。
2.1基于GPS的桥梁变形动态检测
桥梁设计时，需要考虑抵抗外力的能力，如风、交通、温度、潮汐和一些不可预测的荷载，如地震、洪水、台风等。这些外部因素是桥梁设计阶段和运营阶段需要考虑的主要因素。与常规测量仪器易于测量的桥梁基础沉降不同，桥梁的动力变形特性或挠度变形用一般仪器难以达到良好的测量效果，这是桥梁监测的主要监测内容。大型柔性桥梁的典型动力变形包括由风引起的横向振动和由交通或环境温度变化引起的竖向运动。
近年来，许多大型桥梁因过度使用而受损。显然，大桥的运营时间和近几十年来不断增加的交通量是主要原因。根据联邦公路管理局(FHWA)的统计，近一半的桥梁因结构性损坏或功能性废弃而受损。因此，毫无疑问，桥梁尤其是悬索桥的设计、施工和运营都需要进行必要的检测，以降低桥梁的事故率。这种工程要求也促使需要提供新的监测系统和方法来确保桥梁的安全运行。基于此，本文提出了基于GPS的桥梁变形检测与分析研究，旨在研究GIS在工程测量中的应用范围、方法及相关技术。
2.2影响桥梁的环境因素及GPS检测系统的重要性
一般来说，影响桥梁的外部环境是非常恶劣的，这使得维护桥梁的安全成为一项非常复杂的任务。影响桥梁的环境因素主要有:(1)高速潮汐和风；(2)可能与行驶中的船舶发生碰撞；(3)空气湿度和盐度引起的桥梁腐蚀破坏；(4)靠近地震带边缘；(5)高密度交通负荷；(6)材料疲劳和时间引起的结构损伤。目前，传统的监测工具有位移传感器、加速度计、倾斜传感器、激光干涉仪、全站仪、精密水准仪等。这些方法取得了一定的效果，但也存在很多不足。比如加速度计对温度变化等因素引起的桥梁缓慢位移和强风影响下的大位移无能为力；激光干涉仪、全站仪、精密水准仪受气候影响严重，采样率难以满足动态测量的要求。近年来，由于GPS技术特别是RTK技术的不断发展，其接收机的采样率普遍达到了几十赫兹，定位精度达到了厘米级甚至毫米级，使其用于桥梁监测成为可能。GPS在桥梁监测中的应用不受气候的影响，可以随时自动测量，实时提供给定结果(IK)，方便地实现各测点的时间同步。因此，在当前工程中开展基于GPS的桥梁检测具有重要的价值。
GPS技术在桥梁检测中的应用具有精度高、不受作业环境和距离限制、自动化程度高等优点，大大降低了劳动强度，减少了外业工作量，大大提高了工作效率和成果质量，给传统的桥梁变形监测作业模式带来了巨大的变化，显著提高了桥梁检测水平。
此外，目前大多数桥梁监测系统都实现了数据自动传输、自动计算处理、准实时测量结果和测量结果的图形展示。虽然难以使用控制中心实时统一解算模式的监控方法，但其准确性是好的。这种监测方法将是未来研究的方向。
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