基于GNSS和RTS技术的桥梁结构动态变形监测研究

发布时间：2017-09-26 02:27

  本文关键词：基于GNSS和RTS技术的桥梁结构动态变形监测研究

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【摘要】：动态变形监测是桥梁结构健康监测的重要内容之一，全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System， GNSS)和自动型全站仪(Robotic TotalStation，RTS)是目前获取结构动态变形信息的两种主要技术手段。本文以英国诺丁汉Wilford悬索桥和长沙三汊矶湘江大桥为实验研究对象，对GNSS和RTS传感器动态监测噪声特性、多传感器集成、网络实时动态差分、数据滤波等关键技术进行了研究。论文的主要工作及创新点如下： (1)分析了GNSS和RTS动态监测技术的测量误差来源及其特性，提出削弱各项误差及提高监测精度的措施。在GNSS测量中，采用误差改正模型法或观测值求差法修正电离层和对流层延迟误差；采用观测值求差法修正卫星星历误差、卫星钟差、接收机钟差和接收机位置误差；采用滤波降噪法修正多路径误差和仪器内部测量误差。在RTS测量中，采用目标自动识别技术降低照准误差；采用校准方法降低仪器轴线误差；采用滤波降噪法削弱传感器背景噪声。另外，，分析了中国区域GPS/Galileo组合导航系统的几何精度因子，预报了组合导航系统的变形监测精度。 (2)研究了集成GNSS和加速度计的桥梁结构动态位移监测方法。提出GNSS多模式数据采集方法，设计了结合最小均方差自适应滤波和切比雪夫高通滤波的多模式自适应滤波器(Multimode Adptive Filter，MAF)，同步获取实时动态差分、网络实时动态差分和后处理动态差分共3种解算模式的变形监测结果。设计精密时间数据采集器(Precise Time Data Logger，PTDL)和监测点安装装置，实现GNSS与加速度计传感器的时间同步和竖轴同轴。以英国诺丁汉Wilford悬索桥为实验研究对象，采用上述的多模式数据采集和MAF滤波方法，监测该桥结构动力响应，识别出亚毫米级精度的桥梁结构振动位移，以及两类传感器结果完全吻合的模态频率。 (3)研究了集成RTS和加速度计的桥梁结构动态位移监测方法。设计RTS和加速度计传感器联合安装系统，确保各传感器轴线平行或重合；建立RTS传感器动态变形监测的规范化流程，完成数据修复、坐标轴转换、准静态与动态位移分解和结构模态分析；提出RTS和加速度计联合监测方法，解决RTS传感器对高频信号敏感度低的问题。以英国诺丁汉Wilford悬索桥为实验研究对象，采用RTS和加速度计联合监测方法，监测该桥梁结构振动位移，识别出亚毫米级精度的桥梁结构准静态位移和动态位移，以及误差小于1.8%的模态频率。 (4)研究了基于网络实时动态差分技术的GNSS动态变形监测方法。进行了模拟和实桥实验，分析网络实时动态差分技术的噪声特性。根据其噪声特性设计了用于振动位移及频率识别的小波数据处理方案，论证该技术进行结构动态变形监测的可行性。该方法不需要建立独立的基准站,可降低监测成本,达到传统GNSS解算方法的测量精度。 (5)对长沙三汊矶湘江大桥进行了有限元建模分析和现场监测。根据大桥结构几何尺寸、材料特性等参数，采用MIDAS/Civil软件建立该悬索桥有限元模型。通过桥梁结构静动计算及模态分析，掌握大桥结构动力特性。采用RTS、加速度计等技术监测交通荷载激励下的结构动力响应，并重点分析重车荷载通过桥面时主梁最大竖向挠度。根据不同工况中RTS传感器的测量精度，采用最小二乘曲线拟合方法建立RTS动态测量误差的经验公式。
【关键词】：全球导航卫星系统 自动型全站仪 结构健康监测 动态位移 模态频率 变形监测
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：U446;P228.4
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-15
• 插图索引15-19
• 附表索引19-21
• 首字母缩写词21-22
• 第1章 绪论22-42
• 1.1 研究意义22-23
• 1.2 GNSS 和 RTS 动态变形监测研究现状23-32
• 1.2.1 变形监测精度评估进展24-27
• 1.2.2 变形监测工程应用进展27-32
• 1.3 GNSS 和 RTS 监测方法新型技术发展32-39
• 1.3.1 GNSS 数据解算技术32-34
• 1.3.2 数据滤波降噪技术34-35
• 1.3.3 多传感器监测技术35-37
• 1.3.4 增强伪卫星监测技术37
• 1.3.5 单频接收机监测技术37-39
• 1.3.6 一机多天线监测技术39
• 1.4 本文的研究内容39-42
• 1.4.1 课题来源39-40
• 1.4.2 试验数据40
• 1.4.3 研究内容40-42
• 第2章 GNSS 与 RTS 测量误差源及提高精度方法42-62
• 2.1 引言42
• 2.2 GNSS 动态定位数学模型42-46
• 2.2.1 卫地距离测量基本观测方程43-45
• 2.2.2 GNSS 载波相位相对动态定位45-46
• 2.3 GNSS 动态测量误差分析及提高精度方法46-50
• 2.3.1 与卫星有关的误差46-48
• 2.3.2 与信号传播有关的误差48-49
• 2.3.3 与接收机有关的误差49-50
• 2.4 RTS 动态测量原理及提高精度方法50-55
• 2.4.1 RTS 自动目标识别原理50-51
• 2.4.2 RTS 动态测量误差源51-53
• 2.4.3 RTS 坐标测量精度分析53-55
• 2.5 GNSS 和 RTS 传感器背景噪声特性试验研究55-58
• 2.5.1 背景噪声测量试验55
• 2.5.2 GNSS 背景噪声特性分析55-57
• 2.5.3 RTS 背景噪声特性分析57-58
• 2.6 GPS/Galileo 组合导航定位精度预报58-60
• 2.7 本章小结60-62
• 第3章 集成 GNSS 和加速度计的动态变形监测方法62-83
• 3.1 引言62-63
• 3.2 GNSS 和加速度计数据采集装置和方法63-66
• 3.2.1 多传感器监测装置设计63
• 3.2.2 精密时间数据采集器设计63-64
• 3.2.3 多元信号采集方法64-66
• 3.3 GNSS 和加速度计数据处理方法66-72
• 3.3.1 自适应滤波器设计66-67
• 3.3.2 多模式自适应滤波器设计67-69
• 3.3.3 EEMD 数据处理方法69-70
• 3.3.4 多传感器数据处理流程70-72
• 3.4 实桥监测试验72-74
• 3.4.1 试验桥梁72
• 3.4.2 试验设备72-73
• 3.4.3 试验过程73-74
• 3.4.4 试验结果74
• 3.5 实验数据处理与分析74-82
• 3.5.1 数据预处理74-76
• 3.5.2 MAF 方法识别动态位移序列76-78
• 3.5.3 FFT 方法识别结构模态频率78-80
• 3.5.4 GNSS 位移序列计算加速度序列80-81
• 3.5.5 EEMD 与 MAF 方法对比分析81-82
• 3.6 本章小结82-83
• 第4章 集成 RTS 和加速度计的动态变形监测方法83-114
• 4.1 引言83-84
• 4.2 RTS 动态监测方法84-87
• 4.2.1 升级 RTS 内置程序及仪器标定84-85
• 4.2.2 同步采集振动位移和 GNSS 时间85
• 4.2.3 坐标系统投影转换85-86
• 4.2.4 过滤桥梁结构振动位移粗差86
• 4.2.5 线性插值方法对振动位移重采样86
• 4.2.6 分离位移中的准静态和动态部分86-87
• 4.2.7 快速傅里叶方法分析振动信号频谱87
• 4.3 RTS 与加速度计联合监测方法87-91
• 4.3.1 RTS 与加速度计联合安装系统设计87-89
• 4.3.2 RTS 与加速度计时间同步方法89-91
• 4.4 RTS 和加速度计数据处理方法91-94
• 4.5 RTS 测量精度评估与分析94-104
• 4.5.1 精度评估试验配置94
• 4.5.2 静态监测试验94-98
• 4.5.3 动态位移监测试验98-101
• 4.5.4 总体位移监测试验101-104
• 4.6 实桥监测试验方案与数据处理104-113
• 4.6.1 试验桥梁与设备104-106
• 4.6.2 试验过程106
• 4.6.3 试验结果106-108
• 4.6.4 数据预处理108-110
• 4.6.5 动态位移识别110-112
• 4.6.6 模态频率识别112-113
• 4.7 本章小结113-114
• 第5章 基于网络实时动态差分技术的 GNSS 监测方法114-138
• 5.1 引言114
• 5.2 网络实时动态差分技术114-119
• 5.2.1 CORS 系统工作流程115-116
• 5.2.2 CORS 系统实时动态差分算法116-118
• 5.2.3 英国 SmartNET CORS 系统118-119
• 5.3 基于小波变换的 GNSS 数据处理方法119-122
• 5.3.1 小波时频分析119-120
• 5.3.2 小波包时频分析120-121
• 5.3.3 NRTK-GNSS 数据处理方法121-122
• 5.4 英国诺丁汉威尔福德悬索桥监测试验122-125
• 5.4.1 试验概况122-123
• 5.4.2 静态试验123-124
• 5.4.3 实桥试验124-125
• 5.5 NRTK-GNSS 监测噪声特性分析125-127
• 5.6 小波降噪方案设计与验证127-129
• 5.7 实桥监测数据处理与分析129-136
• 5.7.1 数据预处理129-130
• 5.7.2 动态位移识别130-133
• 5.7.3 动态位移分析133-134
• 5.7.4 模态频率识别与分析134-136
• 5.8 本章小结136-138
• 第6章 基于 RTS 技术的长沙三汊矶大桥动态变形监测138-159
• 6.1 引言138
• 6.2 长沙三汊矶湘江大桥动力分析138-141
• 6.2.1 长沙三汊矶湘江大桥概况138-139
• 6.2.2 三汊矶湘江大桥有限元建模139-140
• 6.2.3 三汊矶湘江大桥模态分析140-141
• 6.3 监测方案和试验过程141-146
• 6.3.1 仪器设备选择141-143
• 6.3.2 测点选择与布设143-145
• 6.3.3 现场监测145-146
• 6.4 监测结果分析146-157
• 6.4.1 结果初步分析146-148
• 6.4.2 准静态位移分析148-150
• 6.4.3 动态位移分析150-152
• 6.4.4 结构模态分析152-153
• 6.4.5 重车荷载作用下的位移分析153-155
• 6.4.6 基线长度对测量精度影响分析155-157
• 6.5 本章小结157-159
• 结论与展望159-162
• 1. 本文结论159-161
• 2. 本文创新点161
• 3. 展望161-162
• 参考文献162-179
• 致谢179-180
• 附录 A （攻读博士学位期间论文、科研及获奖情况）180-181

【参考文献】

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本文编号：920973