1、徠卡最新SPIDER中心化RTK概念在江陰大橋GPS整體位移監測中的應用吳星華1 呂振業1 Joel VanCranenbroeck2（1 瑞士徠卡測量系統有限公司大中華區，2 瑞士徠卡測量系統有限公司總部）李向群（歐亞公司南京分公司）摘要：本文首先分析目前GPS技術應用于實時大橋監測中的應用現狀和優勢，接著詳細介紹了徠卡公司推出的中心化RTK技術的概念和技術特點及其優勢，同時也介紹了徠卡公司最新推出的GPS參考站網軟件Spider性能特點以及徠卡中心化RTK技術在江陰大橋GPS三維動態位移健康結構監測升級改造項目中的應用情況、結果分析與輸出接口等，最后就GPS大橋監測應用給出一些建議和展望。

2、關鍵詞：中心化RTK 江陰大橋 健康監測 升級改造 三維位移 Spider1 引言GPS測量技術用于生產作業，在過去十多年中其作業模式從靜態測量，快速靜態測量，后處理高精度動態測量，發展到動態初始化(OTF)厘米級實時RTK測量作業。目前厘米級實時RTK技術以其高效、可靠和適用性強等諸多優點已經被用戶所接受，并廣泛應用于各種測繪生產作業。RTK技術優勢主要體現在以下幾點：野外可實時獲得最終坐標，野外質量控制，室內工作量少，野外生產效率高，精度高(1-2 cm)，適合多種用途，如：放樣，公路施工，機械引導等。大橋在施工期間，可采用GPS RTK技術進行施工放樣測量工作，尤其是跨海大橋工程。大橋建

3、成通車后在環境因素影響、運營荷載和特殊荷載（如臺風、地震、特種運輸等）作用下，其強度和剛度可能會降低，結構性能發生劣化，這將影響到行車安全和橋梁的使用壽命。十分有必要對大橋的結構特性和安全狀況進行監測和評價，而傳統的橋梁檢查方法難以達到這個目的，因此，需要建立一個健康監控系統。但是，目前在懸索橋安全性能評價方面還缺乏完整和有效的理論工具，對應力、應變進行長期監測的設備可靠性方面也有所不足。在諸多監測項目中，橋線形是結構體系對荷載響應的宏觀反映，因此線形監測尤為重要。GPS 技術以其實時性好，可全天侯工作，自動化程度高、高精度和觀測點間無需通視等優勢等諸多優點，目前已在多座大橋上用于大橋動態位移

4、監測，GPS在結構健康狀態和地面運動監測的高精度定位項目中起著越來越重要的作用。徠卡公司率先于1999年承建了世界上第一個采用GPS技術用于大橋監測的項目 香港青馬大橋。之后又在山東黃河大橋、江陰大橋采用徠卡公司的軟硬件技術進行GPS大橋健康結構監測。2005年初，徠卡公司基于獨創的中心化RTK概念推出新一代GPS參考站軟件系統 Spider，該系統已經在世界各地經過廣泛測試和應用，與傳統實時RTK定位具有更多的優勢，該技術只需要GPS接收機設備實時輸出原始數據，而且大大簡化數據通訊系統的結構，提高了監測的效率和可靠性。本文首先回顧GPS RTK測量技術應用情況和徠卡公司在GPS大橋監測方面應

5、用情況。第二節主要分析GPS大橋監測技術應用現狀；第三節詳細介紹徠卡最新中心化RTK概念的參考站軟件Spider；第四、五節將介紹徠卡中心化RTK概念在江陰大橋中的應用和結果分析與接口。最后，就GPS大橋監測的應用給出一些結論和建議，并展望GPS技術在大橋健康結構監測的應用前景。2 GPS 實時大橋監測目的和應用現狀2.1 建立GPS 實時大橋監測系統的目的大橋主梁和索塔軸線的空間位置是衡量大橋是否處于正常營運狀態的一個重要標志。經過多次實地測試驗證和精度評估，證明GPS技術完全可用于大橋進行全自動、全天候、連續實時高精度的變形監測。相對于傳統橋梁變形監測手段，GPS技術有如下優點：直接獲取獨

6、立的三維絕對坐標，增強對橋梁結構健康監測的可靠度；實時計算并顯示三維位移；全天候24小時連續觀測；與已有系統的絕對位置獨立檢核。除此之外，系統提供風力效應監測、溫度效應監測、公路負荷效應監測、鐵路負荷效應監測，大橋鋼索索力監測以及大橋主要構件應力監測。利用GPS監測系統實現對橋梁的自動檢核和數據的實時獲取。通訊網絡系統負責傳輸GPS數據和遙控GPS接收機，GPS監測系統在通訊方面的穩定性和可靠性。控制中心分析和管理系統可以實現對數據的實時分析，輸出檢測結果，并實現自動報警功能。系統通過對橋梁位移和變形的高精度實時監測和分析，為橋梁的管理和維護提供了科學的依據。建立大橋三維動態位移GPS監控系統

7、的目的是：(1) 對大橋三維動態位移（豎向、橫向、縱向）和環境變化進行長期的實時性監測，實時獲取大橋線形變化、結構體系動力特性信息以及環境參數；(2) 對監測信息進行實時處理和模型分析，進一步反演分析結構內力和剛度變化，從而對結構承載力進行評價；(3) 直觀了解臺風、地震、偏載、特種運輸等特殊荷載下的結構響應，判斷結構安全性和交通安全性；(4) 根據設定的安全參數建立多等級報警系統，以可視化的三維動態形式及時了解和掌握大橋在各種條件下的工作狀況，實現動態的結構危險性分析、評價和預警。2.2 GPS大橋監測系統的應用現狀徠卡公司早在2000年已經成功地為香港青馬大橋設計和安裝了GPS監測系統，共

8、采用27套徠卡GPS500接收機。系統運行穩定。20032005年徠卡公司又先后在山東黃河大橋和江蘇江陰大橋設計和安裝徠卡GPS500和GRX1200型以及最新Spider中心化RTK定位系統軟件。徠卡公司積累了GPS橋梁監測解決方案的獨特而又豐富的經驗。其中江陰大橋和青馬大橋均屬于大跨度懸索橋。江陰長江大橋（主跨1385米），名列世界第四位；香港青馬大橋（主跨1377米）名列世界第五位，（公鐵兩用橋名列第一位）。香港青馬交通管制區是香港通往新機場的交通干道，管制區內包括三座相毗鄰的大型吊橋：青馬大橋、汲水門大橋和汀九大橋。其中，青馬大橋全長2200米，塔高205米，主跨度1377米，是公路鐵

9、路兩用懸索吊橋；汲水門大橋全長829米，塔高150米，主跨度430米，是公路鐵路兩用斜拉吊橋；汀九大橋是世界上最長的斜拉吊橋之一。青馬管制區原有橋梁監測傳感器多達774個，包括風速計、氣象傳感器、動力稱量系統、加速度計、位移傳感器、應變標尺和水平儀等7大類，用以監測纜索、橋塔和橋面的結構位移、纜索受力、橋面應變應力和橋面加速度等。但這些傳統監測系統在橋梁振動位移監測方面存在諸多缺憾。2000年，香港特區政府路政署決定使用GPS技術對三座大橋進行全自動、全天候、連續實時高精度的變形監測。青馬GPS監測系統由三個子系統組成：GPS測量系統、通訊網絡系統和控制中心分析與管理系統。通訊網絡系統負責傳輸

10、GPS數據和遙控GPS接收機，由于香港青馬管制區周圍的電磁波環境較差，存在較多的干擾源（如機場、航道和交通管制用的雷達、電臺以及橋上高壓線產生的電磁場），香港青馬監測系統的通訊網絡采用了光纖通訊技術，以確保青馬GPS監測系統在通訊方面的穩定性和可靠性。控制中心分析和管理系統可以實現對數據的實時分析，輸出檢測結果，并實現自動報警功能。香港青馬GPS橋梁變形監測系統已于2001年1月正式建成并投入運行，它是全球規模最大、技術最先進的GPS橋梁變形監測系統，建成以來，得到國際上的廣泛關注和贊譽。該系統通過對橋梁位移和變形狀礅的高精度實時監測和分析，為橋梁的管理和維護提供了科學的依據。為了滿足特殊用途

11、的需要, 適當配置的GPS系統可以滿足在絕對定位和相對位移的這種應用中大部分的靜態和動態測量的需要。換言之，單雙頻（L1或L1/L2) GPS載波相位測量、數據采樣率、GPS和控制單元間的通訊連接及數據處理方法等的適當配置可以達到所需要的精度。徠卡公司在上述方案的基礎上基于GPS高精度定位技術為大橋結構監測又開發出了一套中心化RTK概念的創新解決方案，而且具有豐富的橋梁監測經驗。監測系統設備可采用徠卡公司最新專業型GPS傳感器 GRX1200Pro和遠程遙控、數據管理與中心化RTK功能的軟件 SPIDER 軟件，徠卡公司承諾都可以為用戶提供系統方案建議和咨詢、交貨、安裝、培訓、技術支持和維護等

12、項服務。3 徠卡最新的中心化RTK GPS參考站軟件Spider徠卡公司GPS產品擁有SmartTrack（智能跟蹤）和SmartCheck（智能檢核）最新技術，以其快速和可靠30Km常規RTK作業能力，一直在GPS測量技術方面處于領先地位。徠卡最新的GPS參考站網軟件包可用于參考站控制、數據管理、遙控各個臺站所有設備的設定和運行，而且用戶可通過軟件進行自動的定時數據下載、檢查、編制文件及發送到不同的FTP服務器。軟件也可自動檢查數據質量及系統硬件的工作情況而發出不同的報警，而且 Spider 軟件可以連接不同的TCP/IP 地址，系統管理員或用戶可通過互聯網查看各臺站的運行情況，以確保系統連

13、續運行的可靠性。由于徠卡Spider臺站控制軟件對數據通訊方式具有高度靈活性，具有遠程遙控能力，徠卡公司的技術人員可以容易地通過互聯網檢查臺站系統，以確保維持高質量的數據服務，提高系統維護的效率和便利性。徠卡GPS Spider軟件的設計為具有高度的靈活性，強大的功能，模塊化的結構，系統絕對安全的參考站軟件。該軟件具備中心化RTK功能，可以以主動和被動方式支持多種GPS接收機。采用徠卡GPS SPIDER 軟件將增加實時數據處理性能和結果的精度，并大大簡化通訊系統，降低通訊設備成本。GPS Spider是集成的單參考站或臺站網中央控制和操作軟件包。 GPS Spider是模塊化的和可以用于先進

14、的長距離高精度網絡RTK (SpiderNET）、建筑物監測、中央數據分發、數據存取管理，并支持數據下載和服務等解決方案。由于有了GPS Spider 你將可以用最佳的解決方案提供專業的服務。主要功能如下：l GPS傳感器和數據流接收控制l 徠卡500/1200 GPS傳感器系統監測l GPS 原始數據和 RINEX數據管理l 徠卡500/1200系統GPS 數據確認l 所有輸入的GPS數據流確認l 記錄和傳送GPS數據的缺失通告l GPS 原始數據和其他文件產品FTP 分發l RTK - 以多種格式進行GPS 原始數據發送l 利用 GPS原始數據流進行實時定位l 臺站服務器和系統狀態及事件記

15、錄 l 選擇事件 E-Mail 和網絡信息進行分布l 提供網絡處理的原始數據流徠卡 GPS SPIDER Positioning 功能模塊 是GPS接收機中央管理和處理應用軟件，可以以最高的速率（20Hz）和最高的精度對所有基線組合提供實時和后處理解。l 結果通過串口、TCP/IP協議、文件或SQL DB 以多種格式（如著名的NMEA）與分析軟件進行接口連接輸出。l “Re-processing”選項允許項目操作員一步一步查看得到的結果。l RINEX 文件可以在運行中生成或定時下載，以供更好的了解多徑影響和供其他研究使用。下圖為中心化RTK軟件顯示衛星狀況、監測點實時定位結果以及系統狀態等。

16、4 徠卡中心化RTK軟件在江陰大橋GPS監測中的應用4.1 江陰大橋概況江陰長江公路大橋是我國首座跨徑超千米的特大型鋼箱梁懸索橋梁。江陰長江公路大橋是世紀“中國第一、世界第四”大鋼箱梁懸索橋，是國家主干道跨越長江的特大型公路橋梁。是長江上建設的第二座大橋。江陰長江公路大橋位于長江下游江蘇省江陰和靖江之間，于1994年11月22日正式開工建設，1999年9月28日勝利建成通車，全長3071米，主跨1385米，南北塔高190米，并于2001年3月通過國家竣工驗收。在大橋一端（靖江）大橋管理中心建有大橋監控中心，配有通信計算機系統、閉路電視系統、信息管理系統、情報板系統、緊急電話系統、廣播系統等。1

17、999年8月20日大橋竣工時進行了荷載試驗，當天正直大雨。橋梁位移測量邀請徠卡公司采用下列兩種方案進行：l TCA2003 + APSWin：由于大雨無法進行測試；l SR530+MC1000：4套SR530和3套MC1000接收機，一臺作為參考站，其他6臺分別安置在最大應力點處；采樣速率分別為5Hz和10Hz；時長4小時。測試精度達到1cm。本次荷載試驗也充分反映GPS用于大橋監測的優越性。該橋原“結構安全監測系統”是由英國SES公司采用TCA2003系統于1999年設計、建設的，由于系統結構等原因導致系統目前已無法正常運行。為此需要對原系統進行升級和改造。2004年江蘇揚子大橋股份有限公司

18、決定對江陰長江公路大橋上部結構健康監測系統進行升級改造工程，并選用了徠卡公司推薦的GPS監測系統方案，用于監測主梁線形和橋塔位移。4.2 大橋監測方案GPS橋樑監測系統由GPS傳感器、通訊鏈路、處理和管理軟件、附件和分析軟件等在內的一個完整的系統組成。在設計階段，必須注意環境情況。多路徑是可能碰到的最大誤差源。它將對結果的精度產生嚴重影響。多路徑是由從附近金屬物體、地面或水面的無關的反射信號到達天線引起的。多路徑誤差對每個測站都是不同的，因此不能用差分技術消除 。在參考站，天線的位置應當仔細選擇，以避開反射環境。徠卡 GPS 天線 AT504 可以減輕多徑影響。GPS監測系統的硬件設備采用9套

19、徠卡最新參考站型雙頻GPS接收機GRX1200 Classic，一個AT504扼流圈天線和8個輕便型準扼流圈天線AX1202天線；軟件采用徠卡最新推出的中心化RTK功能的軟件包Spider。4.2.1 GPS 參考站布置GPS 參考站應建立在穩定的位置，參考站作為每一條基線的起算點，必須為參考站提供精確的位置和地方轉換參數。本次升級改造僅采用一個基準站，設在大橋監控中心樓頂。圖 江陰大橋GPS監測系統參考站4.2.2 GPS 監測點布置為了更好地反映大橋變形和振動特性，在兩個橋塔處、主跨最大撓度、跨4分點處分別布置8個GPS監測點，即在1/4、1/2和3/4跨處安置GPS接收機進行連續觀測。詳

20、細布置圖見圖1。4.2.3 通訊與供電采用徠卡最新方案，每一臺GPS接收機只需要一條雙向通訊線路（光纖）連接到徠卡PC GPS Spider 服務器。必須為每一臺接收機提供安全和永久的供電，如UPS。4.2.4 附件每一臺GPS接收機必須安裝在安全和有保護裝置的位置。GPS天線必須安裝在能避免由于電纜、障礙物、汽車等引起的多路徑影響的位置。通常設計的安裝GPS天線的觀測墩帶有專用的適配器，以便于將天線安裝和固定到觀測墩頂部。防雷設施也是要安裝的部件。 橋梁經常是雷擊發生的多發位置。右圖為安裝天線的適配器和避雷系統。5 結果分析與輸出接口徠卡公司將根據用戶提供的轉換參數提供在橋梁坐標系下的三維動

21、態位移結果。可以提供最終觀測數據的精度，同時能實時存儲和顯示數據處理結果。可以通過串口、TCP/IP為其他專用分析軟件包的提供接口。徠卡 GPS Spider 可以與大多數使用標準格式的分析軟件進行接口連接。我們的建筑工程合作伙伴可以提供這類解決方案。可采用徠卡GNSS QC工具進行結果顯示：也可以利用第三方分析軟件以橋梁坐標進行實時變形曲線動態顯示、存儲、統計分析和報警等：另外，可采用徠卡GNSS QC質量檢查分析軟件對數據進行質量分析研究。這是設計階段和隨后的數據及結果檢查的有用工具。l 專門為對GPS參考站網的RINEX數據進行自動質量檢核設計的一般的 GPS 數據分析工具l NMEA

22、GGA 和 GGQ實時和脫機繪圖6 結論和建議徠卡公司推出的中心化RTK功能的GPS Spider大橋監測創新解決方案，與現有方案相比常規RTK方案更具有優勢。中心化RTK概念大大簡化的通訊設計；可以遙控和監控接收機設備，隨時掌握系統的運行和工作狀態；標準化的輸出接口，方便第三方軟件的接口；接收機采用20Hz高速率，為大橋實時監測分析提供了有力保證。將來高達100Hz的GPS接收機可用于分辯出大橋高頻動態特性。為了增強系統的可靠性，建議建立2個參考站。徠卡 GPS Spider支持多個參考站，進行雙重檢核。如果一個參考站出現通訊故障，其他參考站可作為備份對任何基線組合進行同時處理。徠卡 GPS

23、 Spider可以處理 L1 單頻GPS接收機和 L1+L2雙頻接收機觀測值。監測點間的每一條基線也可以進行處理。因此對于橋梁監測應用也可以采用單頻接收機。由于大橋上監測的點或許會受到遮擋、多路徑等影響，可能造成衛星數不足或部分衛星數據受到干擾等影響，偽衛星(Pseudolites）系統可作為GPS 大橋監測一個增強系統。利用GPS RTK技術，尤其是中心化RTK技術，可全天候長期在線實時監測大橋線形，直接測量出橋梁整體的三維位移，直接監測大橋主跨梁及索塔軸線的位移變化，獲取反映橋梁健康狀況的特征信息，配合結構分析模型來模擬橋身主要構件的內力狀況，可增強橋梁結構健康監測和評估的可靠度，并偵察大

24、橋結構有否潛在損壞的危機，提高養護維修工作的效率和效果，為大橋交通安全和結構安全的維護管理與決策提供量化技術依據，對大橋安全可靠性作出評價。隨著GPS硬件技術的不斷提高和改善，GPS監測軟件的性能不斷改善，GPS監測系統將會更廣泛地應用于大橋等結構監測之中。同時江陰大橋結構健康監測系統將對推動和發展數字化與智能化橋梁工程發揮積極的作用。致謝我們非常感謝江蘇省交通科學研究院與歐亞公司南京分公司和徠卡公司在該項目上的大力合作。另外，我們特別感謝Frank Pache、承宇、曹志宏先生等提供的大力支持。參考文獻Leica Geosystems (2005)，“Take it to the MAX! - An introduction to the philosophy and technology behind Leica Geosystems' SpiderNET revolutionary Network RTK software and algorithms”，White Paper，Leic