CN109141783A - 基于全球卫星导航系统监测桥梁频率的方法 - Google Patents

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汪文君
程艳
张有亮
王浩
方益杭
滑中豪
王艳杰
周中华
万祥
王盾
俞能杰
李烨
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Abstract

本发明提供了一种基于全球卫星导航系统监测桥梁频率的方法，利用高精度全球卫星导航系统接收机接收的北斗卫星导航系统伪距信息和载波相位信息，配合高精度差分定位算法，得到监测点的高精度三轴位置信息，采用经验模式分解方法和希尔伯特黄变换提取桥梁频率的时‑频分布图，将频率与时间联系起来，实现对桥梁不同监测点三轴方向的频率监测。因此，本发明将原有的基于全球卫星导航系统监测桥梁的所得位移信息加以利用，增加传感器利用率，并且能够对桥梁结构与形态进行连续实时、全天候和自动监测，同时还能够拓展当前北斗导航系统的应用。

Description

基于全球卫星导航系统监测桥梁频率的方法
技术领域
本发明属于桥梁安全监测领域，涉及一种基于全球卫星导航系统(以下简写为GNSS)监测桥梁频率的方法，利用高精度GNSS接收机接收的北斗卫星导航系统(以下简写为BDS)伪距信息和载波相位信息，配合高精度差分定位算法，得到监测点的高精度三轴位置信息，采用经验模式分解方法和希尔伯特黄变换(以下简写为HHT变换)提取桥梁频率的时-频分布图，将频率与时间联系起来，实现对桥梁不同监测点三轴方向的频率监测。
背景技术
当前，我国公路桥梁约有77.92万座，而桥梁的安全运营直接关系到人们的人身安全，此前有关桥梁垮塌带来的灾难事故不胜枚举，这使得人们越来越重视桥梁运营阶段的安全。
事实上，上世纪五十年代人们已经采取了一定的监测手段，鉴于当时监测手段落后，监测工作主要依赖于人工现场定期巡检，后来又出现了动静载试验、超声回弹、脉冲回波等多种技术。
在现有技术中，通常利用水准仪、测距仪、经纬仪、全站仪、位移传感器和加速度传感器等技术观测桥梁结构的几何位移或加速度,并分析其形态、结构动力特性等参数。
然而，在大型桥梁，特别是大跨度的斜拉桥或悬索桥施工监测中，控制要求严格，再加上现场条件恶劣(温度效应、风荷载效应以及特殊施工工况等)、施工过程复杂等不利因素的影响，现有技术中的这些测量手段存在一定的局限，难以满足对桥梁结构与形态进行连续实时、全天候和自动监测的需要。
因此，急需一种方案，能够对桥梁结构与形态进行连续实时、全天候和自动监测，同时还能够拓展当前北斗导航系统的应用。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提出了一种利用北斗卫星信号进行桥梁健康监测的方案，同时利用桥梁监测点位移信息计算得到桥梁震动频率的时-频分布图。
本发明提供了一种基于GNSS监测桥梁频率的方法，用于监测桥梁在不同监测点三轴方向的频率，包括：步骤一，将GNSS监测设备置于待监测桥梁上，以GNSS监测设备的振动频率和位移反映桥梁的频率和位移；步骤二，基于GNSS监测设备采集到的北斗伪距信息和载波相位信息，通过高精度定位解算、经验模式分解、HHT变换的操作，得到对应时间段内待监测桥梁的振动频率的时-频分布图。
优选地，在步骤一中执行：将GNSS监测设备固定在待监测桥梁的监测点，从而GNSS检测设备的位移和振动频率与待监测桥梁的监测点的位移和震动具有一致性。
具体地，在步骤二中包括：
基于GNSS监测设备采集到的北斗伪距信息和载波相位信息，通过高精度定位解算的操作，获得监测点的位置-时间序列；
将监测点的位置-时间序列作为输入，通过经验模式分解的操作，对输入的数据进行处理，从而分解得到监测点的在不同频率分量的信号；
通过HHT变化的操作，对信号进行处理，以得到对应时间段内桥梁振动频率的时-频分布图。
因此，与现有技术相比，采用本发明可以实现以下的有益效果：
1)无需通过载荷来激励桥梁震动，利用桥梁自身所处的环境激励所引起的桥梁震动，使用GNSS监测设备采集的北斗卫星定位信息通过高精度解算软件获得桥梁监测点的定位信息；
2)以一段连续时间的定位信息序列为输入，利用经验模式分解算法和HHT变换方法即可得到对应时间段内桥梁监测点震动频率的时-频分布图；
3)利用传统传感器得到的是信号处理时间段内的频谱图，而采用经验模式分解算法和HHT变换方法可得到对应信号时间段的时-频分布图；
4)GNSS监测设备可以得到监测点三轴方向的位移信息，从而可以得到监测点三轴方向震动频率的时-频分布图，更加直观形象，有利于监测；
5)本发明能够对桥梁结构与形态进行连续实时、全天候和自动监测，同时还拓展了当前北斗导航系统的应用。
附图说明
图1为本发明具体实施方式所涉及的数据处理过程的流程图；
图2为实施本发明的相关设备的部署图；
图3为采用本发明的处理效果与传统处理效果的频谱对比图。
具体实施方式
应了解，本发明的目的在于拓展北斗导航系统的应用，利用北斗卫星信号进行桥梁健康监测，同时利用桥梁监测点位移信息计算得到桥梁震动频率的时-频分布图。
本发明的基于GNSS监测桥梁频率的方法，包括如下步骤：
(1)桥梁在自然环境中受到风、车载、河流冲击等的影响，桥梁自身会存在一定频率的震动及位移，将GNSS监测装置布置与桥梁上，GNSS监测设备的震动频率和位移即可反映桥梁的震动频率和位移；
(2)将GNSS监测设备采集得到的北斗伪距信息和载波相位信息利用高精度定位解算软件解算得到监测点的高精度位置-时间序列；
(3)以监测点的位置-时间序列为输入，采用经验模式分解算法对输入数据进行处理，可将输入信号进行分解得到监测点的在不同频率分量的信号；
(4)利用一种HHT变换方法对步骤(3)中生成的信号进行处理即可得到对应时间段内的桥梁震动频率的时-频分布图。
即，在本发明中，首先将GNSS监测设备固定于桥梁待监测点，认为该点设备的位移及震动频率与桥梁监测点的位移及震动具有一致性，其次利用高精度解算、经验模式分解、HHT变换得到桥梁震动频率的时-频分布图。
下面结合附图及具体实施方式对本发明进行详细说明。
如图1所示，本发明具体实施方式所涉及的监测方法包括以下步骤：
步骤1：监测设备的安装
如图2所示，首先确认桥梁监测点位置并部署北斗观测站，设备应固定于观测点，如果条件允许，则最好选择建设观测墩来固定北斗信号接收天线。同时，为了能够得到高精度位置信息，需要在桥梁附近选择地势开阔、无遮挡、无干扰的地方建设北斗基准站。
步骤2：监测点位置信息获取
在获取监测点位置信息时为了有效消除或降低北斗测量误差，采用差分定位来解算测点位置。每个双差测量值涉及两个接收机在同一时刻对两颗卫星的观测量，它是对站间和星间各求一次差分，双差能消除测量值中的接收机钟差、卫星钟差。
首先，假设用户接收机u和基准站接收机r同时跟踪卫星i和卫星j，这两个接收机对卫星i的站间载波相位测量值为对卫星j的单差载波相位测量值为
给定在同一测量时刻的站间和由它们所组成的双差载波相位测量值定义如下：
将公式(1)和(2)代入公式(3)，从而得出双差测量值的观测方程式为：
可见，公式(4)所定义的双差是通过先求站间差异、再求星间差异得到的，表明双差能彻底消除接收机钟差和卫星钟差，从而提高了解算中得到的监测点位置信息的准确性。
步骤3：经验模式分解
以步骤2中计算得到的监测点某一方向上的位置信息作为经验模式分解的输入信号进行模式分解(假设原始信号为x(t))。
首先，找出信号x(t)的所有极大值点序列和极小值点序列，将这两个序列分别用三次样条插值拟合成上、下包络线；
然后，计算上、下包络线对应的均值序列mi，将原始序列x与mi作差得到hi，即：
hi＝x(t)-mi (5)
接下来，查看其是否满足以下的IMF筛选条件：
若满足，则imfi(t)＝hj(t)，否则将hi看成新的x(t)继续迭代计算，以计算剩余信号ri(t)：
ri(t)＝ri-1(t)-imfi(t) (7)
若ri(t)不为单调函数，即其极值点个数不少于2个，则i＝i+1，重复上述步骤，否则分解结束，ri(t)是残留分量。
步骤4：HHT变换
将步骤3中生成的IMF分量，进行HHT变换即可得到监测点的时-频分布图。
如图3所示，可知原始信号的频谱图中有三个频率分量，但是无法知道各个频率对应出现的时间段，而经过HHT变换得到的时-频分布图中不仅可以看出该信号存在三个频段的信号，同时可以得出这些频率的信号出现的大致时间段，这样在桥梁长期监测中，就可以通过监测桥梁的固有频率在何时发生变化，进而推算出桥梁结构刚度是否发生变化，如果频率发生偏移，则说明桥梁结构发生了变化，需要进行维修等，从而保障了桥梁的安全运营。
本发明中未说明部分属于本领域的公知技术。

Claims (5)

1.一种基于全球卫星导航系统监测桥梁频率的方法，用于监测桥梁在不同监测点三轴方向的频率，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，将全球卫星导航系统监测设备置于待监测桥梁上，以所述全球卫星导航系统监测设备的振动频率和位移反映所述桥梁的频率和位移；
步骤二，基于所述全球卫星导航系统监测设备采集到的北斗伪距信息和载波相位信息，通过高精度定位解算、经验模式分解、希尔伯特黄变换的操作，得到对应时间段内所述待监测桥梁的振动频率的时-频分布图。
2.根据权利要求1所述的基于全球卫星导航系统监测桥梁频率的方法，其特征在于，在所述步骤一中执行：
将所述全球卫星导航系统监测设备固定在所述待监测桥梁的所述监测点，从而所述全球卫星导航系统检测设备的位移和振动频率与所述待监测桥梁的所述监测点的位移和震动具有一致性。
3.根据权利要求2所述的基于全球卫星导航系统监测桥梁频率的方法，其特征在于，在所述步骤二中包括：
基于所述全球卫星导航系统监测设备采集到的北斗伪距信息和载波相位信息，通过所述高精度定位解算的操作，获得所述监测点的位置-时间序列。
4.根据权利要求3所述的基于全球卫星导航系统监测桥梁频率的方法，其特征在于，在所述步骤二中还包括：
将所述监测点的位置-时间序列作为输入，通过所述经验模式分解的操作，对输入的数据进行处理，从而分解得到所述监测点的在不同频率分量的信号。
5.根据权利要求4所述的基于全球卫星导航系统监测桥梁频率的方法，其特征在于，在所述步骤二中还包括：
通过所述HHT变化的操作，对所述信号进行处理，以得到对应时间段内桥梁振动频率的时-频分布图。
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