基于高精度北斗定位的桥梁形变监测

liyf

７８ 　Ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｓ　＆Ｅｍｂｅｄｄｅｄ　Ｓｙｓｔｅｍｓ　　２０１３ 年第１１ 期ｗｗｗ．ｍｅｓｎｅｔ．ｃｏｍ．ｃｎ　

导语：北斗系统和美国的ＧＰＳ、俄罗斯的ＧＬＯＮＡＳＳ、欧盟的Ｇａｌｉｌｅｏ，并称为全球卫星导航四大系统，是一个融合了
通信技术、计算机技术、热力控制技术、电力控制技术、太阳能技术、数据传输和处理技术、系统技术、管理技术等跨
领域、跨学科的综合集成系统。北斗系统建设及其产业化是国家保障国土安全与经济安全的重要举措，也是带动国
民经济发展与提高国民生活水平的重要手段。２０１２年１２月２７日，北斗系统正式商用，促使中国北斗卫星导航产
业迎来了突飞猛进的发展。从系统设计、产品设计、制造到应用服务，卫星导航系统与交通、电力、通信、娱乐、机械
等行业紧密结合，创造了新的市场需求，延长了传统产业的生命周期。卫星导航技术在市场需求的拉动下，应用涵
盖海、陆、空、天四个层面，涉及航空、航海、军事、测量、测绘、授时、机械控制、环境监测、气象等领域，使传统的工作
方式发生了根本的改变，开拓了个人移动位置服务等新兴的信息服务领域。
基于卫星导航领域的高精度定位技术，笔者撰写了一系列应用文章：《基于高精度北斗定位的桥梁形变监控》，
侧重描述高精度卫星接收机数据格式及数据处理方法；《基于高精度北斗定位的地质沉降监控》，侧重描述卫星接收
机原理、地质沉降监测内容和通信模式选择；《基于高精度北斗定位的大坝形变监控》，侧重描述数据采集、数据采集
传感器以及定位误差改正模型；《基于高精度北斗定位的尾矿库安全监控》，侧重描述高精度定位实现尾矿库安全监
控的方法，以及北斗短报文实现数据传输的方法。希望这些文章可以起到抛砖引玉的作用，吸引更多的学者、专家
和工程师朋友关注北斗，为北斗在我国的飞速发展贡献绵薄之力。
基于高精度北斗定位的桥梁形变监测
吴焕琅
（福建三元达通讯股份有限公司，福州３５００００）
摘要：在简单介绍北斗高精度卫星接收机的特点、工作原理、数据格式及数据处理方法的基础上，根据桥梁，特别是高速
火车移动荷载作用下铁路桥具有实时振动和瞬时形变的特点，提出了桥梁形变监控的组网方式通信手段、数据输出格
式、数据采样频次等关键技术的针对性处理方法，以满足桥梁形变监控的要求。
关键词：北斗导航系统；高精度定位；桥梁形变监测；北斗卫星接收机
中图分类号：ＴＮ９６６　　　　文献标识码：Ａ
Ｂｒｉｄｇｅ　Ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｈｉｇｈ　Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　Ｂｅｉｄｏｕ　Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ
Ｗｕ　Ｈｕａｎｌａｎｇ
（Ｆｕｊｉａｎ　Ｓａｎｎａｄａ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｆｕｚｈｏｕ　３５００００，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　Ｂｅｉｄｏｕ　ｈｉｇｈ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ｓａｔｅｌｌｉｔｅ　ｒｅｃｅｉｖｅｒ，ｗｏｒｋｉｎｇ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ，ｄａｔａ　ｆｏｒｍａｔ　ａｎｄ　ｄａｔａ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄ　ａｒｅ
ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ．Ｉｎ　ｖｉｅｗ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｂｒｉｄｇｅ，ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ　ｔｈｅ　ｈｉｇｈ－ｓｐｅｅｄ　ｔｒａｉｎ　ｍｏｖｉｎｇ　ｌｏａｄ　ｕｎｄｅｒ　ｔｈｅ　ａｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｒａｉｌｗａｙ　ｂｒｉｄｇｅ　ｈａｓ　ｔｈｅ　ｒｅａｌｔｉｍｅ
　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｉｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ，ｉｔ　ｐｒｏｐｏｓｅｓ　ｔａｒｇｅｔｅｄ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔ　ｔｏｗａｒｄｓ　ｔｈｅ　ｋｅｙ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ　ｓｕｃｈ　ａｓ　ｔｈｅ　ｂｒｉｄｇｅ
ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｍｏｄｅ　ｏｆ　ｍｅａｎｓ　ｏｆ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ，ｄａｔａ　ｏｕｔｐｕｔ　ｆｏｒｍａｔ　ａｎｄ　ｓａｍｐｌｉｎｇ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｏｆ　ｄａｔａ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄｓ，
ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｍｅｅｔ　ｔｈｅ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ　ｏｆ　ｂｒｉｄｇｅ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ．
Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｂｅｉｄｏｕ　ｓａｔｅｌｌｉｔｅ　ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ；ｈｉｇｈ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ；ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｏｆ　ｂｒｉｄｇｅ；Ｂｅｉｄｏｕ　ｓａｔｅｌｌｉｔｅ　ｒｅｃｅｉｖｅｒ
引　言
北斗高精度桥梁形变监控具有全天候、全自动、高精度、
延迟短、实时性强、测试点与基准站间不需要通视的显著优
势，北斗高精度定位技术更加广泛地运用到桥梁形变监测。
１　北斗桥梁形变监测系统组成及内容
１．１　北斗桥梁形变监测系统组成
北斗桥梁形变监测系统主要由北斗桥梁形变监测站、
北斗卫星接收基准站、通信网络、数据分析处理中心、远程
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监控平台等组成。
１．２　桥梁形变监测组网方式
桥梁形变监控要求数据实时解算，对数据传输的实时
性要求高，数据采集的频次也高，采集北斗卫星数据高达
５次／ｓ，甚至高达１０次／ｓ，传输数据量较大，因此基准站、
监测站和数据处理中心的通信方式不适宜采用无线
ＧＰＲＳ等方式，采用光纤等有线通信比较合适。基准站、
监测站如图１所示。
图１　北斗桥梁监测系统基准站、监测站
１．３　桥梁形变监测内容
根据桥的类型不同，监测内容略有差别，基本桥梁形
变监测的主要内容包括：桥梁墩台沉降观测、桥面线形与
挠度观测、主梁横向水平位移观测、高塔柱摆动观测。同
时，建立相应的水平位移基准、沉降基准［１］。
２　高精度北斗卫星接收机基本特性
普通的北斗单频接收机只能接收Ｂ１载波信号，测定
载波相位观测值进行定位。由于不能有效消除电离层延
迟影响，单频接收机的定位精度比较低。北斗双频接收机
可以同时接收Ｂ１、Ｂ２载波信号。利用双频对电离层延迟
的不同，可以消除电离层对电磁波信号的延迟的影响［２］，
因此双频接收机可以实现更高的定位精度。桥梁形变监
控系统大多采用高精度双系统四频北斗／ＧＰＳ卫星接收
机，主要指标如表１所列。
表１　高精度北斗／ＧＰＳ卫星接收机指标
频率ＢＤ２Ｂ１：５６１．０９８ＭＨｚ
ＧＰＳ　Ｌ１：１５７５．４２ＭＨｚ
ＢＤ２Ｂ２：１５８９．７４２ＭＨｚ
ＧＰＳ　Ｌ２：１２２７．６０ＭＨｚ
单点定位精度单频：１．５ｍ 双频：１．０ｍ
ＲＴＫ定位精度水平：１ｃｍ＋１ｐｐｍ 垂直：２ｃｍ＋１ｐｐｍ
观测精度
Ｂ１／Ｌ１Ｃ／Ａ码
Ｂ１／Ｌ１载波相位
Ｂ２／Ｌ２Ｐ（Ｙ）码
Ｂ２／Ｌ２载波相位
北斗
１０ｃｍ
０．５ｍｍ
１０ｃｍ
０．５ｍｍ
ＧＰＳ
１０ｃｍ
０．５ｍｍ
１０ｃｍ
１ｍｍ
初始化时间小于５０ｓ（典型值）
首次定位时间冷启动：５０ｓ
数据更新率最高可达１０Ｈｚ
时间精度２０ｎｓ
速度精度０．０３ｍ／ｓ
数据格式ＮＭＥＡ－０１８３、ＲＩＮＥＸ
差分数据ＲＴＣＭＶ３．０
３　高精度北斗／ＧＰＳ卫星接收机的数据格式
高精度北斗／ＧＰＳ卫星接收机的数据有卫星原始数
据和星历数据。一般高精度北斗／ＧＰＳ模块支持ＡＳＣＩＩ
和Ｂｉｎａｒｙ两种数据输出模式，具有桥梁载荷变化大、易振
动和瞬时形变的特点，要求数据采样频次高、处理周期短。
鉴于ＡＳＣＩＩ数据格式数据量较大，不利于数据快速传输
和形变实时计算，在桥梁形变监测中采用Ｂｉｎａｒｙ数据输
出格式。
下面以我公司高精度北斗／ＧＰＳ卫星接收机为例分
析其数据格式。
３．１　原始数据（Ｍｅｓｓａｇｅ　ＩＤ＝４３）
３．１．１　数据包整体结构
桥梁形变卫星数据输出周期设置为１／１０～１／５ｓ。
数据
包头
卫星观测
记录条数
第１条卫星
观测数据…
第Ｎ条卫星
观测数据ＣＲＣ校验
２８Ｂ ４Ｂ ４４Ｂ … ４４Ｂ ４Ｂ
—
不同时间地点收星情况不
同，所收卫星记录数不同—
３．１．２　数据包包头结构
数据包包头结构如下：
同步
头
长度
数据
包的
类型
输出
数据
格式
串口
号
数据
长度
保留
ＧＰＳ
时间
状态
ＧＰＳ
周
ＧＰＳ
周累
积秒
保留
３Ｂ １Ｂ ２Ｂ １Ｂ １Ｂ ２Ｂ ３Ｂ １Ｂ ２Ｂ ４Ｂ ８Ｂ
原始
数据、
星历
数据
００＝
Ｂｉｎａｒｙ
０１＝
ＡＳＣＩＩ
除包
头及
ＣＲＣ
３．１．３　卫星观测数据包结构
卫星观测数据包结构如下：
卫星
号
ｇｌｏｎａｓｓ
频率
伪
距／ｍ
伪距
标准
差／ｍ
载波
相位
载波
相位
标准
差
瞬时
载波
多普
勒频
率／Ｈｚ
载噪
比Ｃ／Ｎｏ
＝１０［ｌｏｇ
１０（Ｓ／Ｎ０）］
（ｄＢ－Ｈｚ）
连续
跟踪
秒
卫星
跟踪
状态
２Ｂ ２Ｂ ８Ｂ ４Ｂ ８Ｂ ４Ｂ ４Ｂ ４Ｂ ４Ｂ ４Ｂ
３．２　星历数据
星历是各星随时间而变的精确三维位置，它是时间的
函数。指各星在不同时间的坐标位置表，ＰＲＮ卫星编号：
ＧＰＳ为１～３２，ＢＤ２为１６１～１９７。
３．２．１　数据包整体结构（桥梁形变监测采用Ｂｉｎａｒｙ格式）
发送数据：串口命令要求输出Ｂｉｎａｒｙ格式的星历数据。
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接收数据如下：
数据名数据包头星历数据ＣＲＣ校验
字节数２８Ｂ ２３２Ｂ（北斗）／２２４Ｂ（ＧＰＳ） ４Ｂ
北斗卫星星历数据包为２６４字节；ＧＰＳ星历数据包为
２５６字节。
３．２．２　数据包包头结构（数据包的包头２８字节）
数据包包头结构如下：
同步
头
长度
数据
包
类型
输出
数据
格式
串口
号
数据
长度
保留
ＧＰＳ
时间
状态
ＧＰＳ
周
ＧＰＳ
周累
积秒
保留
３Ｂ １Ｂ ２Ｂ １Ｂ １Ｂ ２Ｂ ３Ｂ １Ｂ ２Ｂ ４Ｂ ８Ｂ
３．２．３　数据包卫星观测记录结构
北斗卫星星历数据包为２３２字节；ＧＰＳ星历数据包为
２２４字节。
数据包卫星观测记录结构如下：
卫星编号广播星历数据特征精度等信息数据备注
４Ｂ １２８Ｂ １００Ｂ 北斗
４Ｂ １２８Ｂ ９２Ｂ ＧＰＳ
北斗高精度卫星接收机的星历数据包括由卫星编号、
健康状态等组成的卫星特征、精度信息数据和广播星历数
据，广播星历数据是卫星发播给导航用户用以计算卫星位
置的一组下行导航数据。北斗使用的广播星历数据由１６
个参数组成，包括：１个参考时刻Ｔｏｅ（８字节），６个参考
时刻开普勒根数（Ｍ０、ｅ、槡ａ、Ω０、ｉ０、ω）４８字节，６个短周期
调和改正项振幅（Ｃｕｃ、Ｃｕｓ、Ｃｒｃ、Ｃｒｓ、Ｃｉｃ、Ｃｉｓ），４８字节，３个长
期项改正数（Δｎ、ｉ
＆ 、Ω
＆ ）［３］，２４字节。
Ｍ０
为参考时刻平均近点角，Ｍ（ｔ）＝Ｍ０＋ｎ·（ｔｔｏｅ），
其中ｎ为平均角速度。
Δｎ
为平均角速度改正值，平均角速度ｎ０＝ ＧＭ
槡ａ３ ＝
槡μ
（槡ａ）３ ，μ为地球引力参数，ｎ＝ｎ０＋Δ。
槡Ａ为轨道长半轴的平方根，ｔｏｅ
为星历参考时刻，Ω０
为参考时刻升交点赤经。
ｅ为偏心率，Ｅ（ｔ）＝Ｍ（ｔ）＋ｅ·ｓｉｎＥ（ｔ），真近角点θ（ｔ）
＝ａｒｃｔｇ 槡１－ｅ２ｓｉｎＥ（ｔ）
（ ｃｏｓＥ（ｔ）－ｅ ）
。
ｉ０
为参考时刻轨道倾角，ｉ（ｔ）＝ｉ０＋ｉ··（ｔ－ｔｏｅ）＋δ；ω
为近地点角距，未经改正的升交距交Φ（ｔ）＝θ（ｔ）＋ω。
Ｃｕｃ、Ｃｕｓ
为升交距角的余弦和正弦调和改正的振幅，
Ｃｒｃ、Ｃｒｓ
为轨道半径的余弦和正弦调和改正的振幅，Ｃｉｃ，Ｃｉｓ
为轨道倾角的余弦和正弦调和改正的振幅。广播星历参
数图如图２所示。
图２　广播星历参数图［４］
ｉ ＆
为轨道倾角变化率，Ω
＆ 为升交点赤经变化率。
４　北斗数据处理方法
北斗接收机采集记录的是北斗接收机天线至卫星的
伪距、载波相位和卫星星历等数据。北斗数据处理从原始
的观测值接收到最终的测量定位成果，数据处理过程大致
分为北斗测量数据的预处理、基线向量解算及网平差等几
个阶段。
４．１　预处理
北斗数据预处理的目的是：对数据进行平滑滤波检
验，剔除粗差，统一数据文件格式并将各类数据文件加工
成标准化文件（如北斗卫星轨道方程的标准化、卫星时钟
钟差标准化、观测值文件标准化等），找出整周跳变点并修
复观测值以及对观测值进行各种模型改正。
４．２　基线解算
基线向量是表示各测站间的一种位置关系，即测站与
测站间的坐标增量。北斗基线向量是利用２台或２台以
上北斗接收机所采集的同步观测数据形成的差分观测值。
基线向量解算是指在卫星定位中，利用载波相位观测值或
其差分观测值，求解两个同步观测的测站之间的基线向量
坐标差的过程。基线解算可以按单基线解算，还可以取用
一测段内所有非基星相对于基星的双差观测值联合解算
全部基线的方法［５］。
基线向量的解算是一个复杂的参数估计过程。实际
处理时要顾及时段中信号间断引起的数据剔除、劣质观测
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数据的发现及剔除、星座变化引起的整周未知参数的增加
与减少，进一步消除传播延迟改正以及对接收机钟差重新
评估等问题。
基线解算结果最主要的有两项，即基线向量估值及其
验后方差———协方差阵。
４．３　网平差及形变解算
４．３．１　网平差分类
根据进行平差的空间可分为三维平差和二维平差。其
中，三维平差在三维空间中进行，数学模型是严密的适用于
任何网，特别是大规模的网，而二维平差在二维平面上进
行，将平面坐标分量与高程分量分离，忽略了两者之间的相
关性，数学模型进行了一定的近似，适用于小规模的网。
根据观测值和已知条件的情况可分为无约束平差、约
束平差和联合平差。其中无约束平差指观测值全为北斗观
测值，已知条件不使网产生由非观测量所引其的变形约束
平差。约束平差指观测值全为北斗观测值，已知条件使网
产生由非观测量所引其的变形。而联合平差指观测观测值
除了北斗观测值以外，还包括其他常规几何观测值［６］。
４．３．２　网平差过程
北斗网平差基本观测量是基线向量及协方差。如图
３所示，网平差大致可以分为４个过程。
图３　网平差流程图
① 前期的准备工作。进行
坐标系的设置，输入已知点的经
纬度、平面坐标、高程等，提取基
线向量，构筑基线向量网。
② 网图的检验。要求选
取的基线相互独立、构成闭合
的几何图形，选取基线向量边
长较短、能构成边数较少的异
步环。
③ 网平差的实际进行，这
是软件自动完成的。首先进行
三维无约束平差，目的是发现
和处理粗差基线、调整各基线
观测值的权使之相互匹配。其
次是进行约束平差／联合平差。
　　④ 质量分析与控制。这是用户分析处理的过程。根
据基线向量的改正数的大小判断基线向量中是否含有粗
差，删除重测或放弃含有粗差的基线。
北斗原始观测值通过以上数据处理步骤就可以得到
精确的测量定位数据，从而对桥梁形变状况作出判断。
结　语
随着国民经济的不断发展，越来越多的大型、特大型
桥梁进入了人们的视野，桥梁结构逐步向轻巧、纤细方面
发展，与此同时桥梁的载重、跨径和桥面宽度不断增长，结
构形式不断变化。为确保特大型桥梁在使用寿命期的安
全运营，必须对这些桥梁的运行状况进行监测。监测桥梁
形变可以有效反映桥梁结构的工作情况，全面获取桥梁运
营状况的信息，用以评估结构的安全性、耐久性、使用性，
对桥梁养护和管理提供依据。因此，北斗桥梁形变监测具
有很强的实用性。
参考文献
［１］曾令永，张世青．桥梁变形监测研究［Ｊ］．安徽农学通报，２００７
（１３）：１７０－１７２．
［２］王文贯，陆海波．单、双频ＧＰＳ数据联合处理基线分析［Ｊ］．
水利规划与设计，２０１０（４）．
［３］胡松杰．ＧＰＳ和ＧＬＯＮＡＳＳ广播星历参数分析及算法［Ｊ］．飞
行器测控学报，２００５（３）．
［４］王坚．ＧＰＳ导航电文和卫星信号［ＥＢ／ＯＬ］．［２０１３－０７］．ｈｔｔｐ：／／
ｗｗｗ．ｄｏｃ８８．ｃｏｍ．
［５］李涛，任恩明，冯秀江．ＧＰＳ网平差基线向量的优化和选取
［Ｊ］．山东煤炭科技，２０１０（２）．
［６］袁本银，高成发．ＧＰＳ基线解算与网平差的软件设计与实现
［Ｊ］．测绘，２００９（１）．
吴焕琅（高级工程师），主要研究方向为嵌入式系统开发、北斗高精
度定位。
（责任编辑：杨迪娜　收稿日期：２０１３－０７－２３）
Ｘｉｌｉｎｘ与生态伙伴启动Ａｌｌ　Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ抽象化计划
赛灵思公司（Ｘｉｌｉｎｘ，Ｉｎｃ．）宣布启动Ａｌｌ　Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ抽象化计划，帮助硬件设计人员提高生产力并力助系统及软件开发人
员直接利用Ａｌｌ　Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ　ＦＰＧＡ、ＳｏＣ和３ＤＩＣ。赛灵思及其生态系统联盟成员，包括ＭａｔｈＷｏｒｋｓ公司、美国国家仪器公司
（ＮＩ），现在即可支持一个软件、模型、平台和基于ＩＰ设计环境的整合。上述这些环境不仅支持Ｃ、Ｃ＋＋、ＳｙｓｔｅｍＣ等高级图形化和
文本化编程语言，而且很快即将支持ＯｐｅｎＣＬ语言（Ｏｐｅｎ　Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ　Ｌａｎｇｕａｇｅ，开放计算语言），利用高级自动化技术可将这些语
言转化为优化的实现方案。实践证明，上述这些软件及系统级抽象化弥补了以硬件为中心的ＩＰ集成和Ｃ语言设计抽象化的不足，
与采用传统ＲＴＬ流程相比，可将复杂ＦＰＧＡ和ＳｏＣ的开发速度大幅提升。
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2014-10-1 06:56 上传

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