高精度GNSS 定位技术在大型桥梁健康监测中的应用

引言

大型桥梁在现代交通网络中承担着重要的交通枢纽作用，其结构的安全性和稳定性直接关系到公众的生命财产安全。随着桥梁服役时间的增长以及外界环境因素的影响，桥梁结构可能会出现不同程度的损伤和病害。因此，对大型桥梁进行实时、有效的健康监测至关重要。传统的桥梁健康监测方法存在监测范围有限、实时性差等不足。高精度 GNSS 定位技术以其高精度、全天候、实时性强等特点，为大型桥梁健康监测提供了一种新的解决方案。

1 高精度GNSS 定位技术概述

1.1 技术原理

高精度 GNSS 定位技术依托于全球卫星导航系统，采用多频段载波相位观测值进行精密定位，其核心原理是通过接收机同步观测多颗卫星发射的信号，利用载波相位差分算法解算出接收机天线相位中心的三维空间坐标。该技术在大型桥梁健康监测中具有显著优势，其定位精度可达毫米级甚至亚毫米级，能够满足对桥梁结构微小形变的敏感响应需求。具体应用中，GNSS 接收机被部署于桥梁的关键受力部位，如主梁、桥塔及支座区域，实现对结构动态变形的连续跟踪与高频率采样。通过时间序列分析，可精确识别桥梁在不同荷载工况下的空间位移特征，包括竖向挠度、横向摆动及纵向伸缩等复杂变形模式，为结构性能评估提供可靠的数据支撑。

1.2 系统构成

高精度 GNSS 定位系统由卫星星座、地面控制站、GNSS 接收机及数据处理中心四部分协同构成，共同实现对桥梁结构的高精度形变监测。卫星星座持续发射多频段信号，为系统提供稳定观测源；地面控制站通过对卫星轨道与钟差的精密定轨，确保定位基准的准确性。GNSS 接收机部署于桥梁关键部位，实时捕获卫星观测数据，并完成原始观测值的预处理与存储。数据处理中心通过通信网络远程获取各监测点的观测信息，结合精密单点定位（PPP）或实时动态定位（RTK）算法，解算出各测点的三维坐标序列，进而反演出桥梁结构的动态位移与形变特征。系统具备高频率采样能力，可捕捉桥梁在不同环境荷载作用下的瞬时响应，并基于阈值设定实现形变超限预警，为桥梁结构的安全评估提供技术支撑。

2 高精度GNSS 定位技术在大型桥梁健康监测中的应用

2.1 桥梁位移监测

桥梁在运营过程中受车辆荷载、风荷载及温度梯度等环境因素的耦合作用，结构体系将产生动态响应与长期累积变形。高精度 GNSS 定位系统通过多基准站协同观测和载波相位差分技术，可实现毫米级乃至亚毫米级的三维空间坐标解算，适用于对桥梁关键受力部位如主梁跨中、塔顶及伸缩缝区域进行实时形变监测。系统以高频率采样捕捉结构瞬态位移特征，并结合时间序列分析方法提取周期性与非周期性变形成分，构建位移场的空间分布模型。通过对多维度位移数据的统计分析与力学反演，可识别结构刚度退化趋势及其边界条件变化特征，为桥梁结构安全性评估提供定量依据。实际工程应用表明，该技术不仅能够有效监测静态沉降与横向偏移等长期变形行为，还可揭示温度梯度引起的结构热胀冷缩效应以及风致振动等瞬时动力响应特征。

2.2 结构状态评估

高精度 GNSS 定位技术所获取的位移数据，能够为桥梁结构状态评估提供关键参数。基于结构动力学原理建立的有限元模型，可对桥梁在典型荷载作用下的位移响应进行理论预测。将 GNSS 观测数据与模型输出结果进行多尺度比对，可识别结构实际刚度与设计参数之间的偏差水平。当实测位移持续超过模型置信区间时，反映出结构承载性能的异常变化，可能由局部损伤、支座失稳或基础沉降等病害引发。通过对位移时间序列进行滑动窗口分析，可提取位移增量的二阶导数特征，进而判断结构刚度退化的速率与方向。若位移曲率呈现非线性增长趋势，则表明结构损伤处于扩展阶段，需结合应力重分布效应评估其安全性阈值。利用主成分分析方法可分离环境温湿度、风荷载等因素对位移的影响，从而提高结构自身状态识别的准确性。该方法已在多座大跨度斜拉桥和悬索桥的健康监测系统中得到验证，能够有效支撑结构损伤识别与维护决策。

3 高精度GNSS 定位技术应用的优势与挑战

3.1 优势

高精度 GNSS 定位技术在大型桥梁健康监测中展现出显著的技术优势。其毫米级的定位精度能够有效捕捉结构物在外部荷载作用下的细微变形，包括静态沉降、横向偏移及动态振动等典型位移特征，为结构安全评估提供高时空分辨率的基础数据。该技术依托卫星导航系统实现连续观测，具备全天时、全天候的工作能力，不受雾雨雪等气象因素影响，保障了监测系统的持续稳定运行。GNSS 系统集成现代通信与计算技术，可实现数据采集、传输与处理的自动化流程，大幅降低人工干预需求，提升监测效率与响应速度。同时，基于多频段信号融合与抗干扰算法的不断优化，系统在复杂电磁环境中的稳定性显著增强，进一步提升了观测结果的可靠性。这些特性使高精度 GNSS 定位技术成为现代桥梁结构健康监测体系中的关键支撑手段。

3.2 挑战

高精度 GNSS 定位技术在实际应用中仍面临多方面的技术挑战。卫星信号在传播过程中易受到外部环境的干扰，尤其在城市密集区或复杂地形条件下，高层建筑、山体及桥梁自身结构可能对信号形成遮挡，造成观测数据的中断或精度衰减。此类遮挡效应不仅降低了可见卫星数量，还可能引发多路径误差，进一步影响定位结果的稳定性与可靠性。与此同时，GNSS 接收机在动态监测过程中需应对复杂的噪声干扰和系统偏差，这对数据采集的连续性和一致性提出了更高要求。针对桥梁结构位移响应具有非线性、时变性等特征，传统数据处理方法难以满足其高精度解算需求，亟需引入基于人工智能或机器学习的数据融合算法，以提升变形信息的识别能力与抗干扰水平。此外，GNSS 观测数据的质量还受大气延迟、电离层扰动等因素影响，需结合多源辅助信息进行修正，确保监测结果的科学性与时效性。因此，在工程实践中应综合考虑观测环境、设备布设与数据处理策略，构建适应性强、鲁棒性高的 GNSS 监测体系，以支撑桥梁结构健康监测的精准实施。

结论

高精度 GNSS 定位技术在大型桥梁健康监测中具有重要的应用价值。它能够实时、准确地获取桥梁的位移信息，为桥梁的结构状态评估和安全预警提供有力支持。虽然该技术在应用过程中面临一些挑战，但随着技术的不断发展和完善，这些问题将逐步得到解决。未来，高精度 GNSS 定位技术有望在大型桥梁健康监测领域发挥更大的作用，为保障桥梁的安全运营提供更加可靠的技术手段。

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