北斗卫星导航桥梁在线变形监测系统文档格式.docx

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4、中海达立足中国，以“成为国际一流的GNSS品牌”为目标，逐渐竞逐国际市场，并取得了很好的销售业绩。

如今，在美洲、欧洲、非洲、澳洲以及东南亚地区都可见到Hi-Target（中海达英文品牌）的广泛应用身影。

中海达产品遍布全球

5、作为中国GNSS行业的知名品牌，中海达以全面实现高精度GNSS产品技术的国产化为己任，得到了行业领导和专家大力支持和关怀。

中海达受到业内专家高度重视

公司资质

桥梁变形监测软件

1.大桥健康监测系统简介

该健康监测系统旨在通过利用现代传感器、信号采集与处理、通信、远程控制、计算机技术、桥梁结构计算分析等技术为大桥管养者实时监测并掌控大桥的安全使用状态，避免大桥灾难性事故的发生，指导预防式维修管理。

根据上述需求，中海达公司采用公司自主知识产权GPS变形监测系统软件（ZNetMonitor）平台及硬件传感器（中海达双频GPS接收机Vnet6），基于ADSL/光纤通讯，提供大桥运营期健康监测系统之GPS变形监测子系统解决方案。

2.系统方案

桥体在运行期间都会受到行车荷载、风力、温度以及突发的自然灾害等外界因素的影响，也会受到混凝土收缩徐变、混凝土老化、混凝土碳化、钢筋松弛、钢筋锈蚀、斜拉索锈蚀、墩台基础沉降等内在因素的影响。

在内外因素的影响之下，大跨度斜拉桥将产生几何变化、内力变化和索力变化等各种效应。

如果这些变化过大，超过了桥梁能够承受的安全范围，将会产生灾难性的后果。

为此，本方案将采用GPS技术，对桥梁进行连续观测。

根据我国的《公路养护技术规范》（JTJ073296）中的有关规定和要求，以及大跨度桥梁塔柱高、跨度大和主跨段为柔性梁的特点，变形监测的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。

2.1坐标系统

GPS解算出来的坐标是基于WGS84坐标系统的,而对桥梁特性的分析主要基于桥梁纵向、横向及竖向,所以要建立分别平行桥梁3轴线的桥梁坐标系统。

另外根据用户要求，监测软件可将监测结果转换为自定义的本地坐标系统，坐标转换过程为:

WGS84空间直角坐标（XYZ）转换到WGS84大地坐标（BLH）

以WGS84椭球为基准采用恰当的中央子午线将大地经纬度高斯投影为平面格网坐标,保持椭球高不变,从而形成平面格网坐标加椭球高的东北天坐标系

平面格网坐标逆时针旋转一个角度使之平行于桥梁纵轴和横轴,保持椭球高不变,从而形成了平行于桥梁3个轴线的桥梁坐标系或本地坐标系。

2.2系统结构

中海达GPS监测系统整体结构简单、层次清晰、功能明确，系统由：

①数据采集系统、②数据传输系统、③数据处理系统、④监测预警系统、⑤综合管理系统等五大系统组成，其中综合管理系统是服务器软件管理中心，数据处理系统是GNSS数据解算中心、监测预警系统是监测数据分析中心，也是中海达高精度变形监测预警系统的核心。

整个系统的结构与功能如下图所示：

①综合管理系统——可有效进行用户管理、数据管理、系统运行管理，确保系

统安全和数据安全，可方便进行参数设置、状态本地/远程浏览、数据本地/远程下载以及数据共享等。

②数据采集系统——中海达采集系统关键设备采用高精度进口主板，确保数据

采集精确。

数据采集系统一般由基准站、监测站以及包括野外电源和防雷系统组成的保障支持系统组成。

③数据传输系统——中海达数据传输系统可采用RS232、专线有线或无线Modem、TCP/IP、UCP、GPRS无线和CDMA无线通信、UHF无线电台等方式，组建传输网络方便灵活。

系统不仅支持野外就地拖拽式数据下载，还能实现远程实时数据流传输和文件包下载。

④数据处理系统——中海达数据处理系统可进行长时间连续实时数据处理，解算采用先进的卡尔曼滤波集成单历元整数解算法，轻松达到毫米级定位精度，确保系统运行的稳定性和数据的可靠性。

⑤监测分析预警系统——中海达监测分析预警系统的数据分析处理能力非常强大，分析角度多、手段丰富，能计算三维位移分量及各向变形速率，自动生成变形历时曲线、变形分布图和多因素相关图；

能根据实地地形数据生成三维仿真图，并生成变形场等高图或渐变色谱图以及变形场任意剖面图；

能综合其他监测数据进行初步分析与简单评价；

能根据预设警界值进行风险断别，实时以短信、声音或屏显等形式进行多渠道状态信息发布，异常状态条件下还能适时多渠道多形式进行预警信息播报（发布渠道包括运行技术人员、单位领导、上级管理部门信息中心等，形式包括短信、语音电话、警报声音、大屏幕显示等）。

中海达GPS外部变形监测系统数据采集与数据传输的典型工作模式如下所示：

根据实际条件与需要，系统供电也可配置成其它方式（如市电），数据传输则

还可采用有线直连、无线电台、GPRS、无线网桥等方式。

2.3硬件配置及设备选型

2.4.1　GPS接收机

推荐选用中海达VNet6型专业GPS接收机，其面板和背板如下图所示：

技术参数：

应用范围

双频双星GNSS接收机，可配置高精度扼流圈ZYAGB-BS035，或者高性价比AT-2200天线。

适合桥梁和高层建筑

物等震动监测、混凝土坝等高精度监测应用领域，支持一机多天线监测。

最高输出频率50HZ

跟踪通道

220通道

GPSL1C/A码,L2C,L1/L2/L5

GLONASSL1C/A和P码,L2P码,L1/L2

◎空基增强系统

◎WAAS,EGNOS,MSAS,L-Band（Omnistar

定位精度

单历元解算精度：

平面：

±

（2.5mm+1x10-6D），

高程：

（5.0mm+1x10-6D）

◎单历元解算初始化时间：

小于10分钟

动态解算精度

（10mm+1x10-6D），

（20mm+1x10-6D）

◎初始化可靠性：

一般大于99.9%

支持长基线解算

输入/输出格式

◎差分电文：

CMR,CMR+,RTCM2.3,RTCM3.0,RTCM3.1,RTCA

◎观测值数据：

ZHD,RINEX,BINEX,RANGEA

◎定位数据/状态信息：

NMEA-0183V2.30

数据资料记录

◎内置储存容量：

1GB

◎配置SD卡容量：

4GB

◎储存格式：

ZHD.RINEX,BINEX

◎命名选择的文件：

多样化

◎存入数据检索和调动：

网络下载

◎数据管理：

支持循环存储

接口

◎5个RS232端口，支持气象仪，倾斜仪，传感器

◎1个以太网端口

◎1个外部时钟接口，支持外部高精度原子钟接入

◎4个电源输入口，相互独立

◎1个GSM天线接口

◎以太网：

RJ45连接器，支持HTTP、NTRIP，支持10个同时存在的TCP/IP数据流

◎无线网：

支持GPRS或CDMA接入

◎蓝牙：

支持2.4GHz连接

安全

◎可选择的HTTP登录上网,实时认证,SSL认证

◎用户分级访问权限、每次支持10个用户同时登陆

用户界面

◎5个LED指示，2个按钮键盘，Web用户界面

电源

◎7~36V的直流电输入

◎120Ah的蓄电池可以工作250个小时以上。

◎功率4W

环境

◎工作温度：

-40℃~65℃

◎存贮温度：

-40℃~80℃

◎防水防尘：

IP67

◎重量：

1kg

◎大小：

22.5x13.8x7cm

2.4.2　GPS天线

推荐采用型号为AT-2200型的专业大地测量型双星双频GNSS天线，能有效降低多路径信号的影响、精确跟踪目前所有的GPS卫星发射的信号。

2.4.3　天线连接线

采用Syv-50-5-1型同轴电缆，其射频信号保真高、衰减小，在不加天线信号放

大器的情况下信号传输40米仍可满足GPS接收机的正常工作需要。

2.4.4　电源系统

电源系统可采用220V交流电，也可以用太阳能，也可使用UPS等。

2.4.5　通讯系统

通讯系统需要根据现场条件采用有线网络或者无线网络，或GPRS等通讯设备。

2.4.6　其他附件：

如连接接头、避雷针、保护箱（罩）、电缆保护管等，以满足GPS系统正常工作需要为基本原则。

2.5软件系统

中海达高精度GPS形变监测系统是面向GPS形变监测综合应用的专业化综合应用系统，软件系统主要包括三个子系统，包括：

数据传输和采集系统（DTUCenter）

高精度GPS形变监测数据处理系统（ZNetMoniter）

基于Web的形变数据发布系统（ZWebMoniter）

中海达高精度GPS形变监测系统目标明确、结构简单、流程清晰、功能完备，解决方案因地制宜、具有鲜明的针对性，系统设计时在确保监测功能及精度性能的前提下，能充分考虑工程的实际条件并兼顾工程投资的经济性，合理设计系统结构，科学配置系统单元，最大程度实现系统要求与目标。

系统运行稳定、数据可靠，能准确表达各监测点的运行状态，能对相关数据进行分析并提出初步风险评价，还能多渠道多形式适时分级发布预警信息，为运行单位随时随地掌握工程结构安全和决策部门在关键时刻的决策分析提供了有效可靠的技术支持。

中海达高精度GPS形变监测系统技术成熟、应用广阔，本系统不仅在多个桥梁健康监测项目运行，还成功应用于滑坡地质灾害监测、矿山边坡变形监测、水库大坝变形监测、堤防渠道变形监测、深基坑及周边影响区变形监测、高层建筑及大型场馆健康监测等领域。

中海达高精度GPS形变监测系统的主要应用领域如下图所示：

2.5.1数据传输与数据采集系统（GPSDTUCenter）

数据传输部分负责把GPS原始观测数据（包括监测站和参考站）发送至数据处理和分析中心的计算机上，完全实现最高达50Hz连续高速精密数据采集。

数据传输的方式可有多种，如：

Internet有线网或无线、GMS、GPRS以及通讯电台等。

GPRSModem现场工作图

对于GPS应用，数据采集软件可采用随机配置的软件，但要求具有实时采集及自动转换成RINEX格式数据文件的功能（如Topcon公司的PC-CDU数据采集软件，如图2.7所示，但它仅适用于Topcon系列的接收机）。

为实现对多种接收机设备的兼容和网络数据传输，我们为监测系统开发了专业的的数据采集软件GPSDTUCenter，支持通过串口或Internet方式通讯，支持GPRS/CDMA/3G等通讯方式，系统主要界面如图所示。

GPS原始数据分析界面

GPS实时数据采集

2.5.2数据处理部分（ZNetMoniter）

数据处理部分包括GPS数据处理与数据管理。

ZNetMoniter是专门为高精度GPS形变监测系统开发的一款基于Windows操作系统的应用软件，该软件采用特殊的算法进行基线解算，同时还具有可视化、数据管理及分析等功能。

ZNetMoniter软件算法先进，能运用小波精密分析法对数据进行分析处理，真正实现单历元毫米级高精度连续解算。

其主界面如图所示。

基于C/S结构的ZNetMoniter工作界面

图2.10ZNetMoniter软件主界面

不同的应用所需求测量频率是不一样的，如处于危险期的滑坡、汛期的防洪堤、大坝等的监测中，所要求的测量频率将比较高（如每小时一个测量结果）；

另一方面，长时间的观测数据可以平滑多路径效应误差，因此GPS的测量精度实际与观测时间的长短有关。

所以在实际应用中，必须在测量频率和测量精度取得一个最佳的平衡点。

下面是不同测量频率下ZNetMoniter系统测量精度（1倍中误差，由多项目案例统计得出）。

表ZNetMoniter系统测量精度（1倍

）

观测时间

实时

30分钟

1小时

2小时

测量精度

水平方向

5mm+1ppm

3.5mm+0.5ppm

2.5mm+0.5ppm

2mm+0.5ppm

竖直方向

10mm+1.5ppm

7mm+1ppm

4mm+1ppm

2.5.3ZNetMoniter系统基本功能

（1）ZNetMoniter包括工程管理、测站管理、数据预处理、基线解算以及数据管理模块。

在连续运行的自动化监测应用中，实时下载并处理由数据采集软件获得的GPS观测数据。

经过基线解算后，可获得每个监测点的位移量，并在结果视图中绘制出监测点的位移时程曲线图。

（2）能够进行长期、自动化、稳定、不间断运行，能实现最高20Hz的实时观测，真正做到无人值守，放心又省心；

（3）能进行基线解算、已知点符合归算、坐标计算、精度估算；

能计算三维位移分量及各向变形速率；

能自动生成变形历时曲线；

能根据预设警界值进行预警信息或状态信息发布；

各监测点历史状态监测

（4）基于具有网络接口的接收机设备，可直接进行具有远程数据传输、远程状态浏览、远程系统设置以及数据管理、用户管理、安全管理等功能；

监测点接收机网络管理

（5）能计算三维位移分量及各向变形速率，能自动生成变形历时曲线图、变形分布图、多变量相关图，能根据实地地形数据生成三维仿真图，并能生成实体变形场等高图或渐变色谱图以及变形场任意剖面图。

监测点变形场

2.5.6监测数据分发系统（ZWebMoniter）

图WEB发布系统主界面

ZWebMoniter能对变形监测数据进行初步分析与简单评价，能根据预设警界值和实测值进行判别，能及时进行多渠道（基于文件、数据库、流数据）多形式（B/S及C/S结构）监测预警信息或状态信息发布，随时随地掌握运行状态，真正实现远程监控和无人值守；

系统主要包括：

数据库管理（查询、删除和备份）

形变监测数据多形式存储：

基于文件、数据库、流数据

形变监测结果数据分发：

支持面向B/S及C/S结构的在线监测系统建设，真正实现网络化远程监控和无人值守

2.5.7系统特点

中海达高精度GPS形变监测系统除具有行业通用优势外，还有着以下几个特点：

①数据采集快：

完全实现最高达50Hz连续高速精密数据采集；

②监测精度高：

算法先进，能运用小波精密分析法对数据进行分析处理，真正实现单历元毫米级高精度连续解算；

③硬件层次少：

系统组成简单、结构清晰、运行稳定、维护方便；

④分析手段多：

能计算三维位移分量及各向变形速率，能自动生成变形历时曲线图、变形分布图、多变量相关图，能根据实地地形数据生成三维仿真图，并能生成实体变形场等高图或渐变色谱图以及变形场任意剖面图；

⑤信息发布快：

能对变形监测数据进行初步分析与简单评价，能根据预设警界

值和实测值进行判别，能及时进行多渠道多形式预警信息或状态信息发布，随时随

地掌握运行状态，真正实现远程监控和无人值守；

⑥应用范围广：

中海达高精度变形监测分析预警系统不仅能应用于桥梁健康监测，还能广泛应用于滑坡等地质灾害监测以及高边坡、高剪力墙、港口、船坞、矿山、水库大坝和江河堤坝、大型场馆和高层建筑健康监测中。

3传统监测和自动化监测对比

传统用于位移监测的仪器主要有：

全站仪、位移传感器和激光测试等。

而这些传统均存在严重不足之处。

全站仪监测的不足：

采用自动扫描法，需要对各个测点进行一周的连续扫描，而且各测点不同步以及大位移时不可测。

位移传感器的不足：

它是一种接触型传感器，必须与测点相接触，且对于难以接近的点无法测量，另外对于横向位移测量比较困难。

激光测试的不足：

在桥梁晃动大时，由于无法捕捉到光点故无法进行量测，且恶劣天气不可量测。

从上述可以看出，传统的位移监测设备与方法存在种种不足。

而基于卫星导航系统的位移监测技术具有精度高、无人值守、全天候获取实时数据的优点。

相比传统的位移监测技术具有以下优点:

卫星导航高精度位移监测技术VS传统位移监测技术

　类别

传统监测技术

北斗/GPS监测技术

建设成本

成本高

成本低，约占传统监测技术1/10

维护便宜性

需专业技术人员，每年定期标定；

维护简单，不需定期标定。

位移监测数据质量

横向位移监测比较困难

水平、高程方向都能达到高精度监测

实时性

一般需要后期处理，受天气条件影响大

实时、自动、信息化

还具有如下主要优点：

观测站之间无须通视，点位选择更加灵活。

操作简便，勿需进行手工重复劳动，可以节省大量人力物力。

定位精度高，定位精度水平为3mm，高程为6mm以内。

响应快速，短基线快速定位，其观测时间仅需数分钟。

全天候作业，真正实现连续实时观测。

可直接提供三维坐标及其绝对或相对变化量，没有变形范围限制，这是传感器类、声纳类、光波类、影像类、频谱类监测手段不可比拟的。

自动化程度高，可以完全实现远程控制、远程监测、远程数据下载与共享，方便实现预警信息发布。

基于卫星导航技术的位移监测理论与方法，是当前逐渐被广泛采用的位移监测新方法、新技术之一，也是极为重要的监测手段之一。

如今，卫星导航位移监测技术已广泛应用于地壳运动观测，区域地面沉降监测，布设各种类型的工程测量控制网，军事上导弹与智能炸弹的精确制导车辆导航等领域，并取得了一系列成果，在实践中逐步发展、完善，积累了丰富的经验。

4技术先进性

系统的先进性及创新体现在以下几个方面：

先进的北斗/GPS高精度位移监测终端设备；

国内领先的基于北斗/GPS多模多频位移信号多路径抑制的新算法，高精度单历元实时在线监测技术和最优差分改正电文生成技术；

国内首个针对高原山区公路桥梁、边坡管理养护需求的实时在线位移监测系统；

国内领先的产品化的位移监测与预警系统，可在国土、电力、水利等领域进行推广应用；

国内领先的桥梁实时动态及高精度静态兼容监测，支持瞬变和徐变两种模式。

基于北斗/GPS高精度位移监测解算预警系统通过实现以上各个先进性技术使整个系统真正实现远程无人值守实时监测与预警的能力。

具备多方面的特点：

监测指标全面、绝对位置真实、系统稳定可靠、技术指标优越、预警预报及时、数据采集连续、远程管理便捷、投资费用节约、硬件层次少、分析手段多、信息发布快、应用范围广，达到国际领先。

5北斗/GPS公路桥梁无人值守监测及预警系统设备

北斗/GPS兼容型的位移监测终端需要满足以下要求：

实时性强：

系统的主要工作是对大量的过程状态参数实现实时监测、数据存储、数据处理、进行实时数据分析等。

因此，要求在硬件上必须有实时时钟和优先级中断信息处理电路。

可靠性高：

它是采集子系统最重要的一个要求，由于数据采集系统往往是安装在被控对象的实际工作环境中，所以不仅温度、湿度变化大，而且灰尘多、腐蚀性强，为了确保控制系统的高可靠性，要求采集终端有防潮、防尘、防震的能力。

硬件采取冗余技术、隔离屏蔽技术等。

在软件设计要可靠、利用容错技术、自诊断技术等，设置安全保护措施等。

通信链路多样化：

支持多种数据传输链路，包括GPRS,3G,CDMA等，通信链路单元可自由选择。

满足高原山区野外作业环境的复杂多样性，可靠性、适应性、标准性、经济性等多项指标。

从信息传输的角度来说，其中最基本、最重要的性能指标有两个：

通信的有效性和可靠性。

有效性主要是指信息传输的“速度”问题，而可靠性主要是指信息传输的“质量”问题。

终端设计框图

北斗/GPS高精度位移监测设备是一个系统整机，涉及到天线、射频、基带、控制、显示和接口等众多产品技术，以及完整的产品质量控制体系。

为了确保北斗/GPS高精度监测设备的顺利完成，拟采用的解决方案如下：

采用中海达现有的GPS系列高精度接收机的产品研发、试验、生产和品管等10多年的测绘行业经验，对本项目进行专项管理，并成立一支专业的研发队伍，研发北斗/GPS的位移监测设备。

首先，将研究设计北斗/GPS高精度位移监测设备的关键技术，例如北斗/GPS高精度监测型天线技术、北斗/GPS系统融合捕获与跟踪算法技术、Linux/WinCE嵌入式系统平台技术和终端整机技术等。

其次，在综合考虑这些因素的基础上，研究出北斗/GPS高精度位移监测设备的系统解决方案，应用这些方案就可以灵活的设计出北斗/GPS系统组合的高精度位移位移监测设备。

位移监测终端设计原理框图如下：

位移监测终端原理框图

终端详细功能指标

（1）功能指标

本项目首先实现高精度的定位功能。

具备监测站的功能；

本项目使用分体机做法，即天线和终端分开，通过天线电缆连接，可自由拆卸；

通信能力较强：

可实现2G/3G网络接入，RJ45网口，RS232/485通信。

实现更