¿Investigación sobre la aplicación del GPS en la inspección de puentes?
Con el rápido desarrollo de la economía social y la ciencia y la tecnología, la tecnología de construcción de puentes continúa mejorando y las estructuras de los puentes se vuelven gradualmente más ligeras y delgadas. Al mismo tiempo, la carga, la luz y el ancho del tablero de los puentes continúan aumentando, y los tipos estructurales también están cambiando. Los métodos tradicionales de monitoreo de deformaciones ya no pueden cumplir con los requisitos del monitoreo de deformaciones y se necesita urgentemente equipos más confiables para monitorear la deformación de los puentes. En la actualidad, a medida que la tecnología GPS continúa madurando, los sistemas de monitoreo automático GPS se han utilizado en puentes, construcción, terremotos, represas y otras industrias, y han logrado buenos resultados. Los instrumentos del sistema de seguimiento automático GPS han sido elogiados por los expertos por su excelente rendimiento.
1. El principio de funcionamiento y aplicación del GPS
1.1 El principio de funcionamiento del GPS
El Sistema de Posicionamiento Global (GPS) es un sistema de doble uso de nueva generación Sistema desarrollado por el sistema de posicionamiento y navegación por satélite del Departamento de Defensa de EE. UU. El sistema se desarrolló a principios de la década de 1970 y el gobierno de Estados Unidos anunció en abril de 1995 que ya estaba en funcionamiento. El Sistema de Posicionamiento Global (GPS) es otro enorme programa espacial de los Estados Unidos después del programa de alunizaje Apolo y el programa del transbordador espacial. Su aparición no sólo revolucionó la tecnología de navegación y la tecnología de posicionamiento, sino que también tuvo un enorme impacto en el transporte, la tecnología espacial, la investigación en geociencias, el ejército y todos los aspectos de la vida social.
La constelación de satélites GPS está diseñada para constar de 24 satélites (de hecho, actualmente se mantienen regularmente entre 27 y 32 satélites). Están distribuidos en 6 órbitas, espaciadas 60 grados, con una inclinación orbital de 55 grados, y 4 satélites distribuidos uniformemente en cada plano orbital. La altitud terrestre de este satélite es de 20.200 kilómetros. Una constelación de satélites distribuida de este tipo puede garantizar que el receptor pueda recibir más de 4 señales de satélite en cualquier momento y en cualquier ubicación para realizar observaciones de posicionamiento instantáneas.
La diferencia es el posicionamiento relativo entre dos o más estaciones de observación, como se muestra en la Figura 1, si dos puntos A y B observan el mismo grupo de satélites (al menos 4) al mismo tiempo. Además, A es un punto conocido. Transmitiendo información de corrección sin procesar al punto B a través de algún enlace de datos, se puede determinar la ubicación del punto B.
El receptor GPS recibe señales (ondas electromagnéticas) de al menos cuatro satélites aéreos de posicionamiento GPS en tierra. Según la diferencia horaria entre la señal de posicionamiento y el receptor GPS, el receptor GPS puede calcular su distancia precisa al satélite. Debido a que se conoce la posición del satélite de posicionamiento GPS en el cielo, la posición del receptor GPS en el suelo (latitud, longitud, altitud, etc.) se puede calcular a partir de esta posición y la distancia obtenida mediante la fórmula de ahora.
1.2 La necesidad de implementar monitoreo por GPS
El monitoreo de deformaciones es un elemento clave en el sistema de monitoreo de seguridad del puente. El sistema tradicional de monitoreo de deformación juega un papel importante para garantizar el funcionamiento normal del proyecto, pero tiene las siguientes deficiencias:
(1) Se utiliza una gran cantidad de métodos manuales de recopilación de datos y pocas mediciones automáticas. puntos, bajo grado de automatización y carga de trabajo Las observaciones grandes se ven fácilmente afectadas por condiciones externas como el clima, y las señales importantes y peligrosas se pasan por alto fácilmente;
(2) La deformación de cada punto de monitoreo no está sincronizada en el tiempo;
(3) En Recopilar datos de desplazamiento plano y desplazamiento vertical en diferentes puntos de medición y en diferentes momentos;
(4) Longitud de la línea de la red de nivelación de precisión.
El uso del sistema de monitoreo GPS para monitorear la deformación del puente puede superar las deficiencias de los sistemas de monitoreo tradicionales y la precisión puede cumplir con los requisitos de las especificaciones. Además, puede comprender de manera integral los cambios del puente en varios períodos, incluso cambios instantáneos, y realizar observación continua y procesamiento automático de datos. Puede comprender eficazmente el estado operativo del puente, detectar problemas a tiempo, garantizar la seguridad del puente y proporcionar datos de monitoreo de seguridad más confiables para el puente.
1.3GPS: el método de observación principal de la tecnología RTK
Se puede ver a partir de investigaciones y aplicaciones nacionales y extranjeras que el GPS es una tecnología de monitoreo de puentes muy eficaz que combina el GPS con otros sensores. Combinar el monitoreo del estado de los puentes se ha convertido en una tendencia.
Sus métodos de observación se dividen principalmente en dos escuelas principales: modo RTK de estación base única y modo de cálculo unificado en tiempo real del centro de control. En la actualidad, la precisión común de los métodos de monitoreo GPS en el modo RTK de estación base única en el monitoreo de puentes es de 1 a 3 cm, y la frecuencia de muestreo de datos es generalmente de 1 Hz.
La tecnología de medición RTK integra posicionamiento satelital GPS, cálculo rápido, transmisión de datos inalámbrica, seguimiento rápido y otras tecnologías avanzadas. Se usa ampliamente en ferrocarriles, carreteras, construcción, conservación de agua, petróleo y otros campos. Se debe a que su método de medición, velocidad de medición y precisión han cambiado mucho en comparación con los métodos de medición anteriores.
(1) Descripción general de RTK
La tecnología RTK (Real Time Kinematic) es la abreviatura de diferencia de fase de portadora en tiempo real GPS. Se trata de una tecnología que combina GPS con tecnología de transmisión de datos, calcula y procesa datos en tiempo real y obtiene información de ubicación de alta precisión en 1 a 2 segundos.
(2) Principio de funcionamiento de RTK
El sistema de posicionamiento dinámico en tiempo real consta de una estación de referencia y un móvil. Establecer una comunicación de datos inalámbrica es una garantía para las mediciones dinámicas en tiempo real. El principio es utilizar el primer punto de control con alta precisión como punto de referencia, colocar un receptor como estación base y observar continuamente el satélite. Mientras recibe señales de satélite, el receptor del rover recibe datos de observación de la estación de referencia a través de un equipo de transmisión de radio. La computadora aleatoria calcula y muestra las coordenadas tridimensionales y la precisión de las mediciones del rover en tiempo real basándose en el principio de posicionamiento relativo. De esta manera, la calidad de la observación de los datos del punto a medir y la convergencia de los resultados del cálculo de la línea base se pueden monitorear en tiempo real, el tiempo de observación se puede determinar en función del índice de precisión del punto a medir y se pueden realizar observaciones redundantes. reducirse y mejorar la eficiencia del trabajo. (La aplicación del sistema VRS mejora la eficiencia del trabajo
El posicionamiento GPS cinemático en tiempo real (RTK) de alta precisión ha traído enormes cambios a los campos de la topografía y la ingeniería, brindando una eficiencia sin precedentes. Pero hasta ahora, el uso El sistema RTK realiza operaciones de medición de alta precisión, lo que también significa que primero debe establecer un punto de control cerca del área de medición y luego establecer una estación de referencia en el punto de control. Sin embargo, con la madurez y mejora de la tecnología, el. Nace el sistema VRS de estación de referencia virtual, que permite iniciar mediciones GPS en cualquier punto del área de medición sin configurar una estación de referencia.
Este nuevo método de posicionamiento RTK mejora fundamentalmente la eficiencia del trabajo y la calidad de las mediciones. Ya no es necesario establecer una estación de referencia, lo que ahorra tiempo de medición y el costo de comprar otro receptor de estación de referencia. En la red VRS, los puntos de control comunes ya están establecidos, por lo que no hay necesidad de preocuparse por la propagación de errores debido a puntos de control inexactos. y la inicialización del receptor será más rápida y puede estar seguro de que todos los datos se han verificado estrictamente antes de obtener los resultados. Se puede decir que la generación del sistema VRS facilita enormemente la medición de la deformación del puente. >2.GPS se aplica a la detección dinámica de puentes.
2.1 Detección dinámica de deformaciones de puentes basada en GPS
Al diseñar un puente, es necesario considerar la capacidad de resistencia. Fuerzas externas, como el viento, el tráfico, la temperatura, la marea y algunas cargas impredecibles, como terremotos, inundaciones, tifones, etc. Estos factores externos son los principales factores que deben considerarse en las etapas de diseño y operación del puente. El asentamiento de la base del puente es fácil de medir con instrumentos de medición convencionales, las características de deformación dinámica o la deformación por deflexión del puente son difíciles de medir con instrumentos generales. Buen efecto de medición, que es el principal contenido de monitoreo de las deformaciones dinámicas típicas de grandes puentes. Los puentes flexibles incluyen vibraciones laterales causadas por el viento y movimientos verticales causados por el tráfico o los cambios de temperatura ambiente.
En los últimos años, muchos puentes grandes han sufrido daños debido al uso excesivo del puente y al aumento del tráfico. El volumen en las últimas décadas son las principales razones. Según la Administración Federal de Carreteras (FHWA), casi la mitad de los puentes han sufrido daños estructurales o funcionalmente abandonados y dañados. , especialmente los puentes colgantes, requieren pruebas necesarias para reducir la tasa de accidentes de los puentes. Este requisito de ingeniería también genera la necesidad de proporcionar nuevos sistemas y métodos de monitoreo para garantizar la operación segura del puente. Detección y análisis de deformaciones de puentes basado en GPS, con el objetivo de estudiar el alcance de aplicación, los métodos y las tecnologías relacionadas de los SIG en la medición de ingeniería.
Factores ambientales que afectan a los puentes y la importancia de los sistemas de detección GPS
.En términos generales, el entorno externo que afecta a los puentes es muy duro, lo que hace que mantener la seguridad de los puentes sea una tarea muy compleja.
Los principales factores ambientales que afectan a los puentes incluyen: (1) mareas y vientos de alta velocidad; (2) posible colisión con barcos en movimiento; (3) daños por corrosión en los puentes causados por la humedad del aire y la salinidad (4) la proximidad al borde de zonas sísmicas; (5) Cargas de tráfico de alta densidad; (6) Daños estructurales causados por fatiga del material y tiempo. En la actualidad, las herramientas tradicionales de monitorización incluyen sensores de desplazamiento, acelerómetros, sensores de inclinación, interferómetros láser, estaciones totales, niveles de precisión, etc. Estos métodos han logrado ciertos resultados, pero también existen muchas deficiencias. Por ejemplo, los acelerómetros son impotentes contra los lentos desplazamientos de puentes causados por cambios de temperatura y otros factores y los grandes desplazamientos bajo la influencia de fuertes vientos; los interferómetros láser, las estaciones totales y los niveles de precisión se ven gravemente afectados por el clima, y la frecuencia de muestreo no puede cumplir con los requisitos. de medidas dinámicas. En los últimos años, debido al continuo desarrollo de la tecnología GPS, especialmente la tecnología RTK, la frecuencia de muestreo de sus receptores generalmente ha alcanzado decenas de Hz y la precisión de posicionamiento ha alcanzado niveles de centímetros o incluso milímetros, lo que hace posible su uso para puentes. escucha. La aplicación del GPS en el monitoreo de puentes no se ve afectada por el clima. Puede medir automáticamente en cualquier momento, proporcionar resultados determinados (IK) en tiempo real y lograr fácilmente la sincronización horaria de cada punto de medición. Por lo tanto, es de gran valor llevar a cabo la detección de puentes basada en GPS en proyectos actuales.
La aplicación de la tecnología GPS en la inspección de puentes tiene las ventajas de una alta precisión, sin restricciones en el entorno operativo y la distancia, y un alto grado de automatización. Reduce en gran medida la intensidad de la mano de obra, reduce la carga de trabajo de campo y mejora enormemente el trabajo. eficiencia y la calidad de los resultados, lo que ha traído grandes cambios al modo de operación tradicional de monitoreo de deformación de puentes y ha mejorado significativamente el nivel de detección de puentes.
Además, la mayoría de los sistemas de monitoreo de puentes actuales realizan transmisión automática de datos, cálculo y procesamiento automáticos, resultados de medición casi en tiempo real y visualización gráfica de los resultados de las mediciones. Aunque es difícil utilizar el método de monitoreo del modo de solución unificada en tiempo real del centro de control, su precisión es buena. Este método de seguimiento será la dirección de futuras investigaciones.
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