GPS measurements on the London Millennium Bridge中文翻译Word下载.docx

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这座桥是一个在桥板下面设有钢缆的吊桥，可使人们在上面安稳通过并欣赏周围的美景。

该大桥跨度81m（北），144米（中心）和108米（南）。

于2000年6月10号开放，吸引了大批市民游览参观。

据估计，在同一时间多达2000人通过大桥。

很意外的是大桥发生了侧向震动。

奥雅纳公司对震动原因进行了广泛的研究，并表明它是由于一种称为“同步侧向激发”的现象所造成的。

当人们通过大桥的时候，他们产生了很小的侧向力。

当一群行人通过一个表面的时候，这些侧向力本质上是不相关的。

在一个受到侧向震动的表面上，例如一个桥面，行人们通过改变他们的行走而产生了一个协调的侧向力导致了进一步激发侧向震动。

奥雅纳公司设计了对这种类型的行人激励模型，并用它成功地设计了减震系统。

作为其研究的一部分，奥雅纳公司对桥梁模型的固有频率和振型进行了调查。

这些数据在原始的有限元模型中得到了证实。

今天，大桥已全面运作，是一个主要的旅游景点。

大桥由于评估而被关闭，并且在安装减震系统之前，为了评估全球定位系统是否能在较长期内有效地监察这种结构的挠度变化，研究者们能够在桥上进行试验。

虽然桥对行人关闭了，但是这些天它仍然受到风载荷的作用。

本文详细记录了一些试验成果。

很多的成果再次证实了技术的准确度和精确度,这项技术有潜力并且易于在长期的结构挠度测量中使用。

然而，对一个数据元素的分析表明沿桥的轴线方向存在一个不切实际的变形。

对合理解释这项数据，人们提出了许多的见解,GPS测量显示噪声可以解释数据不合理的现象。

2动态GPS

GPS是美国拥有和经营的卫星定位系统。

在20世纪60年代提出设想并在20世纪70年代得到了发展，第一颗卫星于1978年发射。

它被设计为用来测定确切的时间和定位。

其中包括超过24颗卫星，轨道距离地球约22万公里，原来构想为一个能够提供在天空中观测到世界任何地方三维坐标。

不同的精度决定了不同类型的设备和处理软件的使用。

基本手持GPS接收机的精确度能达到十米。

而调查级全球定位系统接收器精度要达到厘米级。

单机定位代码是通过载波来传送的;

动态GPS载波使用此定义的距离。

使用精确的载波，一个接收器的定位是通过于另一种相关波来实现的，参考接收机通过一个已知的监测站来定位。

今天，一个毫米或更好信号，可以通过使用调查级GPS接收机接收。

运动全球定位系统能够以任何一个实时的低功率的超高频（UHF）数据链进行，而手机全球系统的数据链是从一个接收机到另一份接收机。

在任何情况下专门处理软件是必需的。

因此能够获得精确地三维坐标位置，目前可以获得高达100赫兹的捕获率。

从参考点到测量点的距离可以达到几公里。

这样的距离将被定义为一个测量方面具有比较短基线而且使大型结构测量变得更加容易实现。

在全球定位系统中存在各种错误，如来自于卫星的信号仅仅是小马力无线电信号。

错误，例如对流层和电离层折射的信号和卫星发射和GPS接受中的时间差以及星历表错误，这些都是与动态GPS有区别的，由于定位的相对性和基线两端相同性错误的事实。

然而，这些错误由于基线变长而变得相关联了。

错误的来源是多重的。

这就是为什么，在测试中，参考接受机尽可能靠近探测器放置。

其余的错误原因是复杂的，在基线两端是不同的，并且全球定位系统卫星信号的反射造成了相邻的结构，因此，GPS信号到达需要通过多个路由天线。

这些是产生噪音的原因。

3实验方法

试验的可行性在2000年11月22，23，24日进行了论证。

参考站和三个探测器包括徕卡AT504扼流圈和与其连接的徕卡SR530双频GPS接收机天线环。

扼流圈天线（GPS天线被金属同心线圈包围）被用来吸收多径信号。

天线在预先使用刚性夹扶手固定在桥上。

参考接收器固定在相邻的（伦敦城的学校）固定的位置。

这意味着天线上方的天空将一览无余。

接收器将以10赫兹速度接受GPS数据并存储在记忆卡上。

参考站通过对收集数据的处理和地形测量进行选择。

使用一个奇石乐三轴加速度计,并安装在桥梁上与GPS位置对应的地方，以200赫兹的速度收集数据，其他全球定位系统接收器分别置于桥上的四个指定地点中的两个。

图1和表1是处测试结果。

数据收集和保存都是为后续处理。

试验期间在桥上很少有行人走动，只有工作人员和研究人员，试验中没有其他的载荷（除了风）。

总之，GPS数据的11号位置数据聚集在10赫兹速度，加速度计的4号位置数据聚集在200赫兹速度。

这导致有近200万到300万个独立的数据点。

GPS数据的后续处理采用徕卡SKI-PRO和IESSG的Kinpos。

图2和3为参考GPS接收机在扼流圈天线和桥梁上的一个监测站各自得到的数据。

图1桥上监测站位置

表1会议时间记录

图2所建立的基准站（徕卡SR530GPS接收机）

图3安置的GPS天线和奇石乐过载信号器一个联合设备

3.1初步结果

GPS数据的后续处理和GPS坐标向桥梁坐标的转变。

桥梁的位置是WGS84（世界地理坐标系统），这个坐标来自沿着桥纵深方向的两个GPS测试站。

WGS84是一个国际参照体系，用这样一种方式定义是最合适的。

下面的说明，侧向是大桥跨度和纵深方向的水平标准。

桥梁的走向大约是南北方向。

图4未经过滤的横向变形

图5未经过滤的纵向变形

图6未经过滤的垂直变形

一个挠度基准是必要的。

在处理工程数据的时候，一个长期变形监测基准将要被应用，并用来衡量短期挠度。

当事实上没有重要是动荷载时,论据被认为所有的观察视为偏斜。

图4-6是11月24日收集到的西部的主跨初步形成的一套典型的数据。

零基准使用方便，但结果是任意的参考点。

这是获得的大桥移动数据的平均值。

同样的基准被用在整个文件上。

得出这些结果大约用了36分钟，包含了三个相互正交坐标方向的21727个数据点。

这是约5％的现有数据。

图7（a）20秒过滤器测得两跨中GPS接收机的挠度;

（b）15秒过滤器测得两跨中GPS接收机挠度

3.2信号处理

有很多正式的数字信号处理技术。

在这个研究中，一种混合技术被用来处理数据。

通过GPS数据系统处理后，所生产的基本数据包括直角坐标数据如上所述。

重要的软件的进步意味着大多数的数据被处理的很好，并没有多少“错误”点，周跳，或在数据记录时出于某种原因停止。

然而，图4-6由于工程目的解释有一些困难。

特别是，构造变形小，高噪音：

信号比率意味着一些过滤形式是必要的。

在工程师看来有很多可能性，从一个简单运动到另一个简单运动。

在图7（a）和图7（b）中看出，移动的平均结果证明了这种简单的方式。

然而，从数据获取的主要频率，快速傅立叶变换（FFT）和功率谱密度（PSD）（卷积）对分析更加有用;

用这种方法进一步证明了下面的准确性。

此外，当对纵向的变动情况进行了详细分析后，再进行小波分析以确定信号的组成部分。

4结果

还有，如预期所料，连接在桥梁中跨中心两侧的GPS接收机得到的信号是一致的（图7）。

仔细检查（图8）表明，有大量同步变化的垂直位移时，作为沿桥轴方向这两个地点的扭转运动，这一运动的任何频率可以更容易地从这些发现的结果中得出。

图8垂直运动均值与两中跨接收机之间的差异

图9（a）和9（b）说明了中部跨度和南部跨度各自的横向动力。

能量谱对主跨的分析结果表明，利用全球定位系统获得了一个0.52的主要频率值和一个0.97的次要频率值。

在桥的模态调查发现，这些频率吻合良好。

实际频率随温度（影响钢缆张力）和激励振幅（由他决定是否能克服联合黏附）略有变化。

在模态调查中，中心跨度的第一个横向模式发生在0.49赫兹到0.51赫兹之间。

第二个模式发生在0.95赫兹到0.98赫兹之间，南部夸得的第一个模式发生在0.78赫兹到0.82赫兹之间。

还应该指出，位移幅度很小。

图9

（1）的变化为20毫米，图9（b）为4毫米。

这些结果准确的表明，该技术可以应用于振动幅度相当小的结构。

图9（a）表示横向运动和跨中功率谱密度的均值，模态调查结果0$49-0$52和$980$95-0赫兹（b）表示横向运动和横向动力学南跨度的功率谱密度，模态调查结果0$78-0$82赫兹

然而，由数据得知，桥梁的纵向变形实际上比那些横向的大。

这被认为是一个令人难以置信的桥梁。

当被发现的时候，这引起了一些关注并让人难以置信。

作者认为，这可能是测量或解释的问题;

进一步调查显示横向方向的结果较好，但是纵向不是很好。

这被认为可能是噪声影响了GPS数据。

多径方式影响信号的失真是一个常见的问题，并且原因可能是其中之一，但初步的估计，使用自适应滤波技术是很不可能的。

图1024小时监测千年桥的GPS卫星

4.1虚拟卫星

这些试验表明这种精确的全球定位系统监测偏转可能有问题。

研究已进行到伪数据集成，以加强GPS，在IESSG和新南威尔士大学已开发出对变形和位移监测的试验计划。

图11显示了一个在试验中用到的虚拟卫星。

早期的结果表明，虚拟卫星能够改善GPS定位，也可以用来作为自己的定位技术。

不过，进入虚拟卫星数据研究不会允许任何已经收集的GPS数据的改善，相反，伪数据模拟制作并提供额外的结果，以便看虚拟卫星已在试验中是否能够得到改善。

图11试验期间在英国诺丁汉（左）和香菜湾，悉尼，澳大利亚（右）所使用的GPS定位仪器

图12GPS-only模拟结果

图13GPS模拟结果与虚拟卫星

图14模拟结果与两个虚拟卫星

在这个阶段虚拟卫星的处理是不足为重的。

模拟是纯粹作为一种手段，来评估是否虚拟星是一个可行的方法，以改善这种情况。

图13和14说明有一个和两个卫星获得的桥梁数据，与图12比较，来表明没有任何虚拟卫星的结果。

这表明，一个虚拟卫星的引入极大地提高了在北部方向以及在垂直方向的结果，但随后第二个虚拟卫星再也看不到改善。

然而，模拟器处于最佳位置的虚拟卫星，因此，尽管上面描述的很困难，仔细考虑随后进行的调查则显示研究者在横向和纵向运动数据设置上增加了信心。

5讨论

全球定位系统在结构监测中的使用不是一个“成熟”的程序，并且在实验和数据处理阶段需要非常的细心。

自从试验工作在那里进行后，全球定位系统已在有了许多进步，并且随着这些卫星当中某一个的发展，作者指出，它不仅对原来的测试结果有着积极和消极影响因素而且当卫星的集合位置不好得时候，它还会有潜在的解决方案。

在积极方面，包括可以获得的数据量和基站与测量站没有在同一个位置。

困难包括很多种，并且要注意卫星的几何位置，尽管存在这些问题，但结果表明预测值与实测的横向和纵向变形是一致的。

对于横向变形，在频率上有着很好的相似性，在结构上，对扭转的影响也是很确定的，并且通过仔细选择职位，挠度的测量值是很容易放大的。

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6结论

这篇文章表明了全球定位系统对结构的连续监测有重要的用途，并且说明了继续研究这项技术的重要性。

同时它还再次表明预测与实测挠度和频率的变动可以得到较好的一致性。

Pseudolitesmay作为一项重要的基础技术将有助于全球定位系统在其他领域的应用。

7致谢

感谢奥雅纳公司允许我们检测桥梁。

感谢伦敦城的学校提供研究参考的场地。

除此之外，我们也要感谢诺丁汉大学和布鲁内尔大学对实验做出的贡献。

特别鸣谢AndyEvans和TheoVeneboer博士在试验工作上对我们的帮助和FranciscoAndrade博士的协助分析。

还要感谢并承认ChrisRizos教授和新南威尔士大学JoelBarnes博士通过卫星技术对我们的帮助。

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