高頻GPS橋梁動態監測及數據特征信息識別

王東振， 曲國慶， 殷海濤

(1.山東理工大學 建筑工程學院， 山東 淄博 255049； 2.山東省地震局， 山東 濟南 250014)

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高頻GPS橋梁動態監測及數據特征信息識別

王東振1， 曲國慶1， 殷海濤2

(1.山東理工大學 建筑工程學院， 山東 淄博 255049； 2.山東省地震局， 山東 濟南 250014)

摘要：在GPS單歷元定位方法的基礎上，利用GAMIT/GLOBK10.4中的雙差動態定位模塊Track模塊，對振動橋體的實測數據進行了解算，得出了橋梁的振動時間序列；采用小波分析方法對橋梁振動時間序列進行頻譜分析及小波消噪處理，得到了橋梁在荷載作用下的主振頻率范圍及兩個主要周期項，最后利用對每層高頻系數進行軟閾值處理方法得到去噪后的時間序列.

關鍵詞：高頻GPS; 橋梁振動； Track模塊； 單歷元； 小波分析

隨著 GPS 觀測精度以及單歷元GPS定位方法的不斷改進，高頻GPS接收機出現的同時GPS對于瞬時形變分析技術也有了很大的提高,目前出現了大量利用高頻 GPS 分析瞬時形變的研究[1].其中應用最為廣泛的方向是利用高頻 GPS 技術對地震引起的地殼瞬時形變進行研究，并隨之形成了一門新的學科-GPS地震學[2].隨著高頻GPS在地震學中的應用，也促使這一技術在其它方面得到了有效的發展，例如將高頻GPS用于橋梁振動、高大建筑物擺動以及高速運動物體的運動軌跡監測等方面[3,4].

近年來，已有多位學者利用高頻GPS監測手段以及單歷元解算方法對橋梁以及大型建筑物等的振動特性展開了實驗和研究工作，例如，Lovse J.W.等利用GPS技術測定了加拿大卡爾加里塔在強風作用下的結構動態變形[5]，武漢大學黃聲享等進行了武漢長江二橋的GPS動態監測[4]，清華大學過靜珺等應用GPS技術對虎門大橋進行了監測[6].目前GPS技術在橋梁及高大建筑物振動監測等應用的方法大多以RTK的方式進行的監測，對于振動體的振動時間序列進行特征信息的分析與識別的研究有待進一步完善.

本文利用GAMIT/GLOBK10.4中的雙差動態定位模塊(TRACK模塊)對實測數據進行處理，該動態數據來自于山東省淄博市某大型橋梁的高頻GPS監測數據，利用小波分析方法對橋梁振動數據進行小波分析處理，最后提取橋梁振動特征信息.

1TRACK模塊的解算過程

Track模塊首先讀取rinex格式的觀測數據，利用偽距觀測量得到初始值；然后采用相對秩的原則利用卡方增量對L1和L2解算的模糊度的最佳選擇和次最佳值進行比較；最后利用迭代法解算其他歷元，直到解算出所有歷元為止.

Track模塊目前普遍使用的模糊度解算方法為利用雙頻P碼偽距觀測量和相位觀測量組合求解模糊度，但由于本次試驗基線較短，所以本次使用L1雙差觀測值組合來計算模糊度.

L1載波相位觀測值波長較短，觀測精度較高，而且對于短基線來說，大氣誤差對雙差觀測值的影響基本可以忽略，因此常用于短基線定位[7-10].然而利用單歷元的數據確定整周模糊度，采用直接解算取整是不可能得到的.為此需要建立模糊度搜索空間，根據這一搜索空間求出模糊度的值.

采用IGS數據中心提供的精密鐘差和精密衛星星歷來消除track模塊中軌道誤差和衛星鐘差，由于解算基線較短，電離層延遲對于定位結果的影響可通過雙差消除.

在數據處理時采用卡爾曼濾波器對先前歷元值進行參數估計，對流層延遲誤差采用track模塊中自帶的模型進行減弱.當模糊度固定后，利用長基線估計策略以及平滑法，將固定好的參數進行回代，確定初始歷元達到了每個歷元的最佳估計狀態.

2橋梁振動監測試驗

2.1試驗方案

采用3臺Trimble R6雙頻GPS接收機，其中一臺接收機放置在橋梁西側200m處，作為基準站，一臺放置在橋梁1/2處，作為監測點1，一臺放置在橋深1/4處，作為監測點2，設置的三個觀側站周圍環境良好，橋深結構及監測點位置如圖1所示.數據采集時間為2013年11月23日上午，橋梁振動激勵條件是車載量.GPS接收機的采樣率為10Hz，衛星截止高度角設為15度，按靜態觀測模式連續觀測，三個測站同步觀測30min.

圖1　橋梁結構

2.2觀測數據處理

按照雙差動態定位模塊(track模塊)的計算方法對觀測數據進行單歷元定位解算，將基準站作為解算參考站，監測站1和監測站2作為動態流動站，下載超快速星歷IGU作為解算星歷文件，輸出兩種解算結果，一種為WGS-84坐標系下的大地坐標(B,L,H),一種為監測站相對于基準站的空間直角坐標.由于條件限制，本文只采用第二種坐標研究橋梁垂直方向的運動情況，結果如圖2所示.

圖2　橋梁垂直方向時間序列

分析垂直方向的時間序列圖可知，整個過程監測點1和監測點2的時間序列走勢大致一致，監測點1的振幅與監測點2相比稍大.由時間序列可以看到多個奇異點，這是由于在該時刻有大貨車在監測點旁邊經過時遮擋嚴重，造成接收機發生周跳，由于周跳嚴重，解算過程中無法完全消除周跳的影響.雖然由時間序列圖可以直觀的看出橋梁豎直方向大致振動情況，但由于解算結果中還存在噪聲，因而無法得到更多的細節信息.

3小波分析

由于橋梁GPS觀測存在多種觀測噪聲，而噪聲主要分布在高頻部分，傅里葉變換可以對信號進行頻譜分析，小波分析在時頻方面又具有很好的消噪作用[11-13].本文將利用傅里葉變換及小波分析對橋梁振動時間序列進行分析，從而得到橋梁振動的主要頻率及波形.

3.1頻譜信息提取

對橋梁監測點1和監測點2的時間序列觀測數據進行快速傅里葉變換，得到的頻譜圖，如圖3所示.可以看出，幅值大的頻率基本分布在低頻部分，圖4為低頻放大圖。

圖3　頻譜圖

圖4　數據的低頻放大圖

由圖3、圖4可以看出頻率為0.001和0.002(其周期為1 000s和500s)的振幅明顯大于其它頻率的振幅，該周期現象的原因可能與交通燈的變化周期有關，具體原因有待進一步研究。

3.2小波消噪處理

×由上節可知，橋梁主振頻率主要集中在低頻部分(0～0.01HZ)[14-16]，由于數據中存在多種噪聲且主要分布于高頻部分，所以消噪過程為：首先選定用于小波分解的小波函數，對原始觀測數據進行多尺度分解，求出各尺度小波分解系數..工程中常用的小波基為db3[16]，該小波基具有很好的時頻分析功能.分解層次可以由想要的頻段范圍確定，所以本文將進行7層分解，完成對原始信號的小波分解. 然后對各個分解尺度下的高頻系數選擇一個閾值進行閾值量化處理[17]，Donoho把閾值量化分為軟閾值和硬閾值，由于硬閾值函數在整個小波域內是不連續的，而軟閾值函數在小波域內是連續的，所以本文采用軟閾值. 最后，根據小波分解的底層低頻系數和經過閾值量化后的高頻系數進行重構，得到消噪后的時間序列.

小波降噪各階層的高頻降噪閾值見表1.

采用對每層的高頻系數進行閾值處理后，得到重構信號如圖5、圖6所示，由圖5、圖6可以看出，消噪后的時間序列比原始的時間序列更光滑，且保留了原始信號中的尖端特征，達到了對數據進行消噪處理的要求.

表1　各層高頻閾值　mm

圖5　監測點1小波消噪信號

圖6　監測點2小波消噪信號

4結束語

通過對山東省淄博市某大型橋梁振動數據進行解算與分析，得出以下結論：①GAMIT/GLOBK10.4中的TRACK模塊可以解算得到觀測站每個歷元的大地坐標，或相對于參考站的地方空間直角坐標差，從而得到觀測站的動態位移；②利用高頻aps對橋梁進行監測，得到橋梁的主要振動信息.③利用小波分解析方法對橋梁振動時間序列進行消噪處理，消噪效果明顯，且完整的保留了主要振動信息.

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(編輯：劉寶江)

High-rate GPS dynamic monitoring of bridge and feature information recognition

WANG Dong-zhen1， QU Guo-qing1， YIN Hai-tao2

(1.School of Architecture and Engineering, Shandong University of Technology, Zibo 255049, China 2. Earthquake Administration of Shandong Province, Ji′nan 250014， China)

Abstract:Based on the study of the GPS single epoch positioning method,and using double diffe-rential dynamic positioning module track of software GAMIT/GLOBK10.4, we have resolved the the measured data of a vibrative bridge and have got its time series. By using the wavelet analysis method, we have performed spectrum analysis and wavelet denoising of the time series and have gotten the range of master frequency and two major periodic terms of the vibrative bridge.

Key words:high-rate GPS; vibration of the bridge; track module; single epoch; wavelet analysis

中圖分類號：P228

文獻標志碼：A

文章編號：1672-6197(2016)02-0045-04

作者簡介：王東振，男，765962999@qq.com； 通信作者： 曲國慶，男，qgq@sdut.edu.cn

基金項目：山東省自然科學基金項目(ZR2010DL003)； 大地測量與地球動力學國家重點實驗(SKLGED2014-5-7-E)

收稿日期：2015-02-07