沈陽建筑大學交通工程學院 遼寧沈陽 110168
摘要：隨著社會經(jīng)濟的發(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、實時性等優(yōu)點。本文主要對我國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)以及RTK技術(shù)原理進行了簡單介紹，并對基于北斗的RTK技術(shù)在橋梁監(jiān)測中的技術(shù)優(yōu)點和應用進行了探討。
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)常導致橋梁結(jié)構(gòu)損傷和功能退化，以致發(fā)生災難事故。為保障橋梁結(jié)構(gòu)在營運期間的承載能力、耐久性和安全性，對橋梁結(jié)構(gòu)進行健康監(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)動態(tài)監(jiān)測方法，由于其全天候、自動化、高精度、高效率等優(yōu)點，使其在橋梁健康監(jiān)測方面表現(xiàn)出獨特的優(yōu)越性[]。長期以來，美國GPS系統(tǒng)在導航領(lǐng)域幾乎占據(jù)了整個市場，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)域的應用，對于打破GPS在監(jiān)測領(lǐng)域的壟斷，加快北斗導航系統(tǒng)在各行業(yè)的應用起到了積極的推動作用。
1、北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)簡介
北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)是我國自主建設(shè)、獨立運行的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)，是為全球用戶提供全天候、全天時、高精度的定位、導航和授時服務(wù)的國家重要空間基礎(chǔ)設(shè)施。是繼美國、俄羅斯之后第三個成熟的衛(wèi)星導航系統(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實時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，實時解算并進行數(shù)據(jù)處理，在 1-2秒時間內(nèi)得到高精度位置信息的技術(shù)。RTK系統(tǒng)由參考站和流動站組成，參考站通過傳輸網(wǎng)絡(luò)將其觀測值和測站坐標信息一起傳給流動站，流動站結(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，并進行實時處理，如圖2.1所示，RTK能夠?qū)崟r提供流動站的三維定位結(jié)果，并達到厘米級精度，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)星導航系統(tǒng)是我國擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用安全可靠的高強度加密設(shè)計，同時提供北斗時和中國 2000 大地坐標的時空基準，更加適用于我國交通運輸、海洋漁業(yè)、測繪地理信息、通信時統(tǒng)、救災減災、應急搜救等領(lǐng)域。
3.2系統(tǒng)增強
北斗系統(tǒng)增強系統(tǒng)包括地基增強系統(tǒng)與星基增強系統(tǒng)。其中北斗星基增強系統(tǒng)是北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的重要組成部分，通過地球靜止軌道衛(wèi)星搭載衛(wèi)星導航增強信號轉(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，實現(xiàn)對于原有衛(wèi)星導航系統(tǒng)定位精度的改進。
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)域進行局部增強，解決了在高緯度地區(qū)低仰角問題，為導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，能夠為全球用戶提供基本導航（定位、測速、授時）、全球短報文通信、國際搜救服務(wù)，中國及周邊地區(qū)用戶還可享有區(qū)域短報文通信、星基增強、精密單點定位等服務(wù)。
3.3接收信號強
北斗RTK是基于北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的RTK技術(shù)，可視衛(wèi)星多，衛(wèi)星高度角大，能夠長時間以低PDOP值進行工作；能兼容其他3大定位系統(tǒng)，并可自由切換，保證高標準定位精度。在我國領(lǐng)土范圍內(nèi)不會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，北斗RTK還能夠快速獲得固定解；北斗RTK對應PDOP值更小，且趨向穩(wěn)定；北斗RTK采集坐標點位觀測平面誤差及點位觀測誤差更小，波動很小，北斗RTK點位觀測平面中誤差及點位觀測中誤差較小[]。
4、監(jiān)測應用
4.1橋墩沉降監(jiān)測
應用北斗RTK技術(shù)對橋墩變形進行厘米級實時動態(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、震動變化等進行實時監(jiān)測，捕捉橋梁三維動態(tài)變化信息，并實時將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳回數(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引起橋梁各部分軸線位置的變化，如果設(shè)計位置的偏離超過規(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。
基于北斗RTK的橋梁撓度監(jiān)測系統(tǒng)由基準站、流動站、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)實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)傳輸。根據(jù)相對定位原理，實時地處理數(shù)據(jù)，并實時地以厘米級的精度給出測站的三維坐標。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)測中心進行實時解算。
5、結(jié)語
北斗RTK技術(shù)是衛(wèi)星定位技術(shù)的一個新的里程碑，大大提高了測量效率并拓展了GPS應用領(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進行橋梁變形監(jiān)測能縮短作業(yè)時間、全天時監(jiān)測、降低勞動強度。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闊的應用。
