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北京華盛恒輝科技有限公司
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橋梁健康監測系統解決方案
圖為東海大橋(2006年開始運行華測橋梁健康監測系統)
背景
GNSS自八十年代中期投入民用后，已廣泛地在導航、定位等各領域應用，尤其在測量界的控制測量中起了劃時代的作用。正因為是它在靜態相對定位中的高精度、高效益、全天候、不需通視等優點，使人們普遍采用其來代替(逐漸地)常規的三角、三邊、邊角等方法，并在理論、實踐中取得了可喜的成果。在精密工程形變監測中也逐步得到廣泛的應用。
隨著社會經濟和科學技術的快速發展，造橋技術不斷進步，橋梁結構逐步向輕巧、纖細方面發展。與此同時橋梁的載重、跨徑和橋面寬度不斷增長，結構型式不斷變化。傳統的形變監測手段越來越不能滿足形變監測要求，這就迫切需要性能更可靠的橋梁健康監測系統。目前，隨著GNSS技術的不斷成熟，GNSS自動化監測系統已經在橋梁、建筑、地震、大壩等行業中應用并取得很好的效益。GNSS自動化監測系統儀器以其的性能受到專家的好評。
目前，采用GNSS技術用于橋梁等工程形變監測的手段已經被廣泛的應用于世界各地。例如：英國Humber橋的GNSS監測系統、日本明石海峽大橋的GNSS監測系統、虎門大橋GNSS監測系統、青馬大橋、汲水門大橋和汀九大橋的GNSS監測系統。
HCMonitor的系統結構
軟件結構
HCMonitor軟件通過網絡或串口(RS232，或者CAN總線)獲得GNSS的原始數據(載波相位和偽距)，對其進行差分處理和濾波，并根據系統設置，實現圖形顯示、記錄、報警、輸出、分析。輸出的各監測點三維坐標的格式我們會依據客戶的要求做相應修改，保證客戶端軟件正常讀取數據。
另外軟件還提供了一個遠程組件，方便用戶的二次開發。
軟硬件平臺
硬件平臺：至強服務器 2CPU，4G內存(GNSS)
軟件平臺：Windows2008
數據庫平臺：SQL
網絡平臺：十兆或百兆以太網;
GNSS所有的應用軟件均部署在上述的硬件平臺上。必須保證軟件在正常工作時CPU的平均使用率不超過60%。
基本功能和指標
1) 可對GNSS原始數據進行實時差分處理，數據更新率可達1Hz、5Hz、10Hz、20Hz;
2) 可根據系統參數設置，對不同的監測站的實時差分結果進行Kalman濾波，達到不同的動態要求和精度要求;
3) 多可同時處理多個基站和32個監測站的數據;
4) 輸入接口協議：RS232、CAN、TCP/IP;
5) 輸出接口協議：TCP/IP;
6) 實時顯示基線的變化情況，點位的移動情況等，軟件包括如下視圖：實時數據視圖、實時網圖、趨勢圖、衛星視圖、三維視圖、數據管理。
7) 原始數據、解算結果的自動保存功能，可根據用戶需求進行設置;
8) 對監測站、基站接收機的遠程設置功能，軟件上有各個GNSS接收機的獨立監控模塊，可以向GNSS接收機發送用戶更改參數的命令(如采樣間隔、高度截止角等);
9) 系統完備性監測功能，可對整個系統的健康狀況進行監測，包括軟件和硬件，比如，一旦某個監測站出現死機現象，軟件馬上會通過數據信號觸發的方式實現接收機自動重啟;
10)每個監控站的監控范圍可根據用戶設置，相應的精度可從2毫米到1厘米(具體精度還與所使用的GNSS接收機及其天線有關)。
11)回放功能。回放功能分為兩個層次：原始數據層，軟件記錄原始數據后，可以任意截取其中部分數據，并根據原始數據重新解算并回放的功能;歷史狀態層，即根據所選擇的時段，對系統的實際工作狀態進行回放。
12)實時的數據采集的延遲不大于1秒。
13)可以調整各個監測站的位置更新率;
14)連接數據庫，記錄用戶需要保留的各項信息;記錄的內容如下：
15)第三方軟件接口，用COM組件的方式實現，可實現遠程查詢、管理、報警;
16)報警功能，報警項可根據用戶要求設定，可通過短信、電子郵件等方式進行報警。
17)權限管理：一般用戶只能瀏覽數據，系統管理員才可能對一些參數進行設置。
18)數據分析功能：根據用戶要求，對監控點進行頻域和時域分析。
19)可靠性：7×24小時持續可靠工作。
實時顯示各監測點的點位信息
HCMonitor的特點(與RTK比較)
集成了RTK功能的HCMonitor軟件，除了也能采用RTK方法之外，采用其自身與RTK不同的算法后，還具有如下一些特點。
算法
相比RTK方法而言，HCMonitor的算法具有如下特點：
HCMonitor采用采用同時刻(在1微秒之內)的GNSS原始觀測值進行差分解算;而RTK方法不需要差分改正數和流動站的觀測數據保持同步，一般的參考站接收機差分改正數廣播更新率為1Hz，因此，一般情況下差分改正數會延遲0.5秒到2秒不等，在特別情況下，流動站能允許1分鐘之前的差分改正數參與解算;
HCMonitor可以采用擴展的動態非線性Kalman濾波算法(通過系統輸入輸出觀測數據，對系統狀態進行估計的算法)進行差分解算。
HCMonitor的算法對系統的硬件要求較高，在高性能計算機上運行，而RTK的算法總是由GNSS接收機生產廠商提供，固化在GNSS接收機內部。
精度
HCMonitor直接應用GNSS接收機的原始數據，參考站和流動站的觀測數據保持嚴格的同步，所以，大氣層延遲造成的公共誤差被程度地抵消，HCMonitor還采用濾波方法消除GNSS動態定位數據中的各種隨機誤差，是輸出的定位結果更符合真實的情況，所以HCMonitor根據采用的GNSS接收機和GNSS天線的不同，可以保證毫米級的定位精度，而通常的RTK接收機動態定位精度為厘米級。
在一個靜止點上，采用普通的雙頻GNSS接收機天線進行RTK進行定位，得到結果如下圖所示：
可見RTK的定位精度平面在2個厘米之內，高程在4個厘米之內。
采用同樣的GNSS接收機，在一個靜止的點上，觀測5個小時的數據，用HCMonitor軟件對其進行處理，得到結果如下圖所示：
可見HCMonitor能顯著提高GNSS的定位精度。上圖中，平面精度在5mm左右，高程精度在1厘米左右。如采用高精度雙頻GNSS天線，能更進一步提高其精度。
通訊
因為HCMonitor僅要求收到GNSS接收機的原始觀測數據，所以，原則上，應要求軟件(服務器)與GNSS接收機之間僅要求實現單向通訊。而通常的RTK方法，要求參考站和流動站之間進行通訊，又要求流動站和數據中心之間進行通訊。
在HCMonitor方式下，流動站的原始數據僅需要一次串口數據通訊和一次網絡數據通訊，就可以到達數據中心，參考站可以直接與數據中心服務器相連。
系統可靠性
RTK通常應用于測量、高精度導航等，對于RTK接收機而言，如GNSS信號發生失鎖那么接收機需要重新初始化，求解整周模糊度，從而造成短時間隔內不能正常輸出厘米級定位解。而HCMonitor專為形變監測而設計，適用于橋梁、大壩、礦區、滑坡等的形變監測，軟件能長時間持續可靠工作，諸如RTK經常需要重新初始化等缺點在HCMonitor里并不存在。HCMonitor軟件運行在數據中心的計算機上，整個計算功能可以設計成冗余模式，增加系統的可靠性，而RTK方法不能實現類似的功能
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