本文關(guān)鍵詞：基于GNSS和RTS技術(shù)的橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變形監(jiān)測研究

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【摘要】：動(dòng)態(tài)變形監(jiān)測是橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的重要內(nèi)容之一，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System， GNSS)和自動(dòng)型全站儀(Robotic TotalStation，RTS)是目前獲取結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變形信息的兩種主要技術(shù)手段。本文以英國諾丁漢Wilford懸索橋和長沙三汊磯湘江大橋?yàn)閷?shí)驗(yàn)研究對(duì)象，對(duì)GNSS和RTS傳感器動(dòng)態(tài)監(jiān)測噪聲特性、多傳感器集成、網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分、數(shù)據(jù)濾波等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。論文的主要工作及創(chuàng)新點(diǎn)如下： (1)分析了GNSS和RTS動(dòng)態(tài)監(jiān)測技術(shù)的測量誤差來源及其特性，提出削弱各項(xiàng)誤差及提高監(jiān)測精度的措施。在GNSS測量中，采用誤差改正模型法或觀測值求差法修正電離層和對(duì)流層延遲誤差；采用觀測值求差法修正衛(wèi)星星歷誤差、衛(wèi)星鐘差、接收機(jī)鐘差和接收機(jī)位置誤差；采用濾波降噪法修正多路徑誤差和儀器內(nèi)部測量誤差。在RTS測量中，采用目標(biāo)自動(dòng)識(shí)別技術(shù)降低照準(zhǔn)誤差；采用校準(zhǔn)方法降低儀器軸線誤差；采用濾波降噪法削弱傳感器背景噪聲。另外，，分析了中國區(qū)域GPS/Galileo組合導(dǎo)航系統(tǒng)的幾何精度因子，預(yù)報(bào)了組合導(dǎo)航系統(tǒng)的變形監(jiān)測精度。 (2)研究了集成GNSS和加速度計(jì)的橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)位移監(jiān)測方法。提出GNSS多模式數(shù)據(jù)采集方法，設(shè)計(jì)了結(jié)合最小均方差自適應(yīng)濾波和切比雪夫高通濾波的多模式自適應(yīng)濾波器(Multimode Adptive Filter，MAF)，同步獲取實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分、網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分和后處理動(dòng)態(tài)差分共3種解算模式的變形監(jiān)測結(jié)果。設(shè)計(jì)精密時(shí)間數(shù)據(jù)采集器(Precise Time Data Logger，PTDL)和監(jiān)測點(diǎn)安裝裝置，實(shí)現(xiàn)GNSS與加速度計(jì)傳感器的時(shí)間同步和豎軸同軸。以英國諾丁漢Wilford懸索橋?yàn)閷?shí)驗(yàn)研究對(duì)象，采用上述的多模式數(shù)據(jù)采集和MAF濾波方法，監(jiān)測該橋結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)，識(shí)別出亞毫米級(jí)精度的橋梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)位移，以及兩類傳感器結(jié)果完全吻合的模態(tài)頻率。 (3)研究了集成RTS和加速度計(jì)的橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)位移監(jiān)測方法。設(shè)計(jì)RTS和加速度計(jì)傳感器聯(lián)合安裝系統(tǒng)，確保各傳感器軸線平行或重合；建立RTS傳感器動(dòng)態(tài)變形監(jiān)測的規(guī)范化流程，完成數(shù)據(jù)修復(fù)、坐標(biāo)軸轉(zhuǎn)換、準(zhǔn)靜態(tài)與動(dòng)態(tài)位移分解和結(jié)構(gòu)模態(tài)分析；提出RTS和加速度計(jì)聯(lián)合監(jiān)測方法，解決RTS傳感器對(duì)高頻信號(hào)敏感度低的問題。以英國諾丁漢Wilford懸索橋?yàn)閷?shí)驗(yàn)研究對(duì)象，采用RTS和加速度計(jì)聯(lián)合監(jiān)測方法，監(jiān)測該橋梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)位移，識(shí)別出亞毫米級(jí)精度的橋梁結(jié)構(gòu)準(zhǔn)靜態(tài)位移和動(dòng)態(tài)位移，以及誤差小于1.8%的模態(tài)頻率。 (4)研究了基于網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分技術(shù)的GNSS動(dòng)態(tài)變形監(jiān)測方法。進(jìn)行了模擬和實(shí)橋?qū)嶒?yàn)，分析網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分技術(shù)的噪聲特性。根據(jù)其噪聲特性設(shè)計(jì)了用于振動(dòng)位移及頻率識(shí)別的小波數(shù)據(jù)處理方案，論證該技術(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變形監(jiān)測的可行性。該方法不需要建立獨(dú)立的基準(zhǔn)站,可降低監(jiān)測成本,達(dá)到傳統(tǒng)GNSS解算方法的測量精度。 (5)對(duì)長沙三汊磯湘江大橋進(jìn)行了有限元建模分析和現(xiàn)場監(jiān)測。根據(jù)大橋結(jié)構(gòu)幾何尺寸、材料特性等參數(shù)，采用MIDAS/Civil軟件建立該懸索橋有限元模型。通過橋梁結(jié)構(gòu)靜動(dòng)計(jì)算及模態(tài)分析，掌握大橋結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性。采用RTS、加速度計(jì)等技術(shù)監(jiān)測交通荷載激勵(lì)下的結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)，并重點(diǎn)分析重車荷載通過橋面時(shí)主梁最大豎向撓度。根據(jù)不同工況中RTS傳感器的測量精度，采用最小二乘曲線擬合方法建立RTS動(dòng)態(tài)測量誤差的經(jīng)驗(yàn)公式。
【關(guān)鍵詞】：全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng) 自動(dòng)型全站儀 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測 動(dòng)態(tài)位移 模態(tài)頻率 變形監(jiān)測
【學(xué)位授予單位】：湖南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：U446;P228.4
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-15
• 插圖索引15-19
• 附表索引19-21
• 首字母縮寫詞21-22
• 第1章 緒論22-42
• 1.1 研究意義22-23
• 1.2 GNSS 和 RTS 動(dòng)態(tài)變形監(jiān)測研究現(xiàn)狀23-32
• 1.2.1 變形監(jiān)測精度評(píng)估進(jìn)展24-27
• 1.2.2 變形監(jiān)測工程應(yīng)用進(jìn)展27-32
• 1.3 GNSS 和 RTS 監(jiān)測方法新型技術(shù)發(fā)展32-39
• 1.3.1 GNSS 數(shù)據(jù)解算技術(shù)32-34
• 1.3.2 數(shù)據(jù)濾波降噪技術(shù)34-35
• 1.3.3 多傳感器監(jiān)測技術(shù)35-37
• 1.3.4 增強(qiáng)偽衛(wèi)星監(jiān)測技術(shù)37
• 1.3.5 單頻接收機(jī)監(jiān)測技術(shù)37-39
• 1.3.6 一機(jī)多天線監(jiān)測技術(shù)39
• 1.4 本文的研究內(nèi)容39-42
• 1.4.1 課題來源39-40
• 1.4.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)40
• 1.4.3 研究內(nèi)容40-42
• 第2章 GNSS 與 RTS 測量誤差源及提高精度方法42-62
• 2.1 引言42
• 2.2 GNSS 動(dòng)態(tài)定位數(shù)學(xué)模型42-46
• 2.2.1 衛(wèi)地距離測量基本觀測方程43-45
• 2.2.2 GNSS 載波相位相對(duì)動(dòng)態(tài)定位45-46
• 2.3 GNSS 動(dòng)態(tài)測量誤差分析及提高精度方法46-50
• 2.3.1 與衛(wèi)星有關(guān)的誤差46-48
• 2.3.2 與信號(hào)傳播有關(guān)的誤差48-49
• 2.3.3 與接收機(jī)有關(guān)的誤差49-50
• 2.4 RTS 動(dòng)態(tài)測量原理及提高精度方法50-55
• 2.4.1 RTS 自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別原理50-51
• 2.4.2 RTS 動(dòng)態(tài)測量誤差源51-53
• 2.4.3 RTS 坐標(biāo)測量精度分析53-55
• 2.5 GNSS 和 RTS 傳感器背景噪聲特性試驗(yàn)研究55-58
• 2.5.1 背景噪聲測量試驗(yàn)55
• 2.5.2 GNSS 背景噪聲特性分析55-57
• 2.5.3 RTS 背景噪聲特性分析57-58
• 2.6 GPS/Galileo 組合導(dǎo)航定位精度預(yù)報(bào)58-60
• 2.7 本章小結(jié)60-62
• 第3章 集成 GNSS 和加速度計(jì)的動(dòng)態(tài)變形監(jiān)測方法62-83
• 3.1 引言62-63
• 3.2 GNSS 和加速度計(jì)數(shù)據(jù)采集裝置和方法63-66
• 3.2.1 多傳感器監(jiān)測裝置設(shè)計(jì)63
• 3.2.2 精密時(shí)間數(shù)據(jù)采集器設(shè)計(jì)63-64
• 3.2.3 多元信號(hào)采集方法64-66
• 3.3 GNSS 和加速度計(jì)數(shù)據(jù)處理方法66-72
• 3.3.1 自適應(yīng)濾波器設(shè)計(jì)66-67
• 3.3.2 多模式自適應(yīng)濾波器設(shè)計(jì)67-69
• 3.3.3 EEMD 數(shù)據(jù)處理方法69-70
• 3.3.4 多傳感器數(shù)據(jù)處理流程70-72
• 3.4 實(shí)橋監(jiān)測試驗(yàn)72-74
• 3.4.1 試驗(yàn)橋梁72
• 3.4.2 試驗(yàn)設(shè)備72-73
• 3.4.3 試驗(yàn)過程73-74
• 3.4.4 試驗(yàn)結(jié)果74
• 3.5 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與分析74-82
• 3.5.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理74-76
• 3.5.2 MAF 方法識(shí)別動(dòng)態(tài)位移序列76-78
• 3.5.3 FFT 方法識(shí)別結(jié)構(gòu)模態(tài)頻率78-80
• 3.5.4 GNSS 位移序列計(jì)算加速度序列80-81
• 3.5.5 EEMD 與 MAF 方法對(duì)比分析81-82
• 3.6 本章小結(jié)82-83
• 第4章 集成 RTS 和加速度計(jì)的動(dòng)態(tài)變形監(jiān)測方法83-114
• 4.1 引言83-84
• 4.2 RTS 動(dòng)態(tài)監(jiān)測方法84-87
• 4.2.1 升級(jí) RTS 內(nèi)置程序及儀器標(biāo)定84-85
• 4.2.2 同步采集振動(dòng)位移和 GNSS 時(shí)間85
• 4.2.3 坐標(biāo)系統(tǒng)投影轉(zhuǎn)換85-86
• 4.2.4 過濾橋梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)位移粗差86
• 4.2.5 線性插值方法對(duì)振動(dòng)位移重采樣86
• 4.2.6 分離位移中的準(zhǔn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)部分86-87
• 4.2.7 快速傅里葉方法分析振動(dòng)信號(hào)頻譜87
• 4.3 RTS 與加速度計(jì)聯(lián)合監(jiān)測方法87-91
• 4.3.1 RTS 與加速度計(jì)聯(lián)合安裝系統(tǒng)設(shè)計(jì)87-89
• 4.3.2 RTS 與加速度計(jì)時(shí)間同步方法89-91
• 4.4 RTS 和加速度計(jì)數(shù)據(jù)處理方法91-94
• 4.5 RTS 測量精度評(píng)估與分析94-104
• 4.5.1 精度評(píng)估試驗(yàn)配置94
• 4.5.2 靜態(tài)監(jiān)測試驗(yàn)94-98
• 4.5.3 動(dòng)態(tài)位移監(jiān)測試驗(yàn)98-101
• 4.5.4 總體位移監(jiān)測試驗(yàn)101-104
• 4.6 實(shí)橋監(jiān)測試驗(yàn)方案與數(shù)據(jù)處理104-113
• 4.6.1 試驗(yàn)橋梁與設(shè)備104-106
• 4.6.2 試驗(yàn)過程106
• 4.6.3 試驗(yàn)結(jié)果106-108
• 4.6.4 數(shù)據(jù)預(yù)處理108-110
• 4.6.5 動(dòng)態(tài)位移識(shí)別110-112
• 4.6.6 模態(tài)頻率識(shí)別112-113
• 4.7 本章小結(jié)113-114
• 第5章 基于網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分技術(shù)的 GNSS 監(jiān)測方法114-138
• 5.1 引言114
• 5.2 網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分技術(shù)114-119
• 5.2.1 CORS 系統(tǒng)工作流程115-116
• 5.2.2 CORS 系統(tǒng)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分算法116-118
• 5.2.3 英國 SmartNET CORS 系統(tǒng)118-119
• 5.3 基于小波變換的 GNSS 數(shù)據(jù)處理方法119-122
• 5.3.1 小波時(shí)頻分析119-120
• 5.3.2 小波包時(shí)頻分析120-121
• 5.3.3 NRTK-GNSS 數(shù)據(jù)處理方法121-122
• 5.4 英國諾丁漢威爾福德懸索橋監(jiān)測試驗(yàn)122-125
• 5.4.1 試驗(yàn)概況122-123
• 5.4.2 靜態(tài)試驗(yàn)123-124
• 5.4.3 實(shí)橋試驗(yàn)124-125
• 5.5 NRTK-GNSS 監(jiān)測噪聲特性分析125-127
• 5.6 小波降噪方案設(shè)計(jì)與驗(yàn)證127-129
• 5.7 實(shí)橋監(jiān)測數(shù)據(jù)處理與分析129-136
• 5.7.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理129-130
• 5.7.2 動(dòng)態(tài)位移識(shí)別130-133
• 5.7.3 動(dòng)態(tài)位移分析133-134
• 5.7.4 模態(tài)頻率識(shí)別與分析134-136
• 5.8 本章小結(jié)136-138
• 第6章 基于 RTS 技術(shù)的長沙三汊磯大橋動(dòng)態(tài)變形監(jiān)測138-159
• 6.1 引言138
• 6.2 長沙三汊磯湘江大橋動(dòng)力分析138-141
• 6.2.1 長沙三汊磯湘江大橋概況138-139
• 6.2.2 三汊磯湘江大橋有限元建模139-140
• 6.2.3 三汊磯湘江大橋模態(tài)分析140-141
• 6.3 監(jiān)測方案和試驗(yàn)過程141-146
• 6.3.1 儀器設(shè)備選擇141-143
• 6.3.2 測點(diǎn)選擇與布設(shè)143-145
• 6.3.3 現(xiàn)場監(jiān)測145-146
• 6.4 監(jiān)測結(jié)果分析146-157
• 6.4.1 結(jié)果初步分析146-148
• 6.4.2 準(zhǔn)靜態(tài)位移分析148-150
• 6.4.3 動(dòng)態(tài)位移分析150-152
• 6.4.4 結(jié)構(gòu)模態(tài)分析152-153
• 6.4.5 重車荷載作用下的位移分析153-155
• 6.4.6 基線長度對(duì)測量精度影響分析155-157
• 6.5 本章小結(jié)157-159
• 結(jié)論與展望159-162
• 1. 本文結(jié)論159-161
• 2. 本文創(chuàng)新點(diǎn)161
• 3. 展望161-162
• 參考文獻(xiàn)162-179
• 致謝179-180
• 附錄 A （攻讀博士學(xué)位期間論文、科研及獲獎(jiǎng)情況）180-181

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：920973