基于GPS与加速度计的桥梁结构振动频率研究

摘要

动态变形监测是桥梁结构振动监测的主要内容之一，是保证桥梁安全运营的必要措施。全球定位系统（GPS）作为结构健康监测的主要技术，以独特的优势在动态变形监测领域发挥着重要的作用。本文针对GPS与加速度计在桥梁结构振动监测方面的应用，研究了多路径误差修正、基于高频GPS数据的桥梁振动频率提取、GPS与加速度计集成模型、数据滤波等关键技术，主要内容如下：
　　（1）分析了GPS动态监测技术的主要测量误差及其特性，提出消除或削弱各种误差、提高监测精度的方法。采用载波相位相对定位削弱星历误差，利用误差改正模型或观测值求差法减弱电离层和对流层延迟误差，运用站间求差或天线改正模型修正天线中心误差，使用修正模型消除地球自转和地球潮汐误差，采用调整卫星钟频率消除相对论效应的影响。
　　（2）研究了多路径误差模型提取及修正的方法。多路径效应是短基线高精度测量的主要误差源，提出了基于经验模态分解（EMD）、基于小波变换（WT）和基于Vondrak滤波的多路径模型。根据多路径效应周日重复性特点，使用第一天 GPS观测值提取的多路径误差模型，对第二天坐标序列进行多路径效应去除，得到消除多路径误差后的坐标序列。实验结果表明，多路径误差削弱后的坐标序列稳定性增强，变形监测精度显著提高。
　　（3）研究了高频GPS数据在桥梁振动频率的应用。基于双线性变换法设计切比雪夫高通数字滤波器，将其用于消除 GPS观测值的低频误差，然后采用快速傅里叶变换（FFT）和峰值提取方法提取结构振动频率，并提出将 GPS数据累积计数器方法用于实时监测。为获取不同载荷下结构振动特点，实验分析了三种不同载荷条件的监测结果。实验结果表明，高频 GPS数据可准确提取振动频率响应。
　　（4）研究了集成GPS与加速度计的桥梁结构动态位移监测方法。针对观测数据的多路径误差和随机误差，建立基于EMD的滤波去噪模型，重构本征模态函数（IMF）提取GPS低频动态位移；基于频域积分方法实现加速度位移重构，通过融合 GPS位移低频分量和加速度计重构位移高频分量实现桥梁结构真实动态响应，提取桥梁整体变形信息。

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1 绪论

1.1 研究背景与意义（Research Background and Significance）

1.2 研究现状（Research Status）

1.3 研究内容（Research Contents）

1.4 结构安排（Structure Arrangement）

2 GPS动态变形监测理论与误差分析

2.1 GPS测量定位理论基础（Positioning Theory of GPS）

2.2 GPS测量的误差分析（Errors Analysis of GPS）

2.3 本章小结（Summary）

3 多路径提取及修正模型

3.1 多路径效应基本原理（Basic Principle of Multipath Effect）

3.2 多路径提取方法（Multipath Extraction Methods）

3.3 评价指标（Evaluation Index）

3.4 技术方案（Technology Scheme）

3.5 实例分析（Experiment Analysis）

3.6 本章小结（Summary）

4 高频GPS桥梁振动频率提取

4.1 数据处理流程（Data Processing Scheme）

4.2 The Forth Road桥梁监测实验（Field Experiment of The Forth Road Bridge）

4.3 振动频率提取（Vibration Frequencies Extraction）

4.4 本章小结（Summary）

5 集成GPS与加速度计的变形监测方法

5.1 加速度位移获取方法（Methods to reconstruct displacement using acceleration measurements）

5.2 数据处理流程（Data Processing Scheme）

5.3 Wilford悬索桥监测实验(Field Experiment of the Wilford Bridge)

5.4 本章小结（Summary）

6 结论与展望

6.1 结论（Conclusions）

6.2 展望（Prospect）

参考文献

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