导语：

北斗系统和美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧盟的Galileo，并称为全球卫星导航四大系统，是一个融合了通信技术、计算机技术、热力控制技术、电力控制技术、太阳能技术、数据传输和处理技术、系统技术、管理技术等跨领域、跨学科的综合集成系统。北斗系统建设及其产业化是国家保障国土安全与经济安全的重要举措，也是带动国民经济发展与提高国民生活水平的重要手段。2012年12月27日，北斗系统正式商用，促使中国北斗卫星导航产业迎来了突飞猛进的发展。从系统设计、产品设计、制造到应用服务，卫星导航系统与交通、电力、通信、娱乐、机械等行业紧密结合，创造了新的市场需求，延长了传统产业的生命周期。卫星导航技术在市场需求的拉动下，应用涵盖海、陆、空、天四个层面，涉及航空、航海、军事、测量、测绘、授时、机械控制、环境监测、气象等领域，使传统的工作方式发生了根本的改变，开拓了个人移动位置服务等新兴的信息服务领域。

基于卫星导航领域的高精度定位技术，笔者撰写了一系列应用文章：《基于高精度北斗定位的桥梁形变监控》，侧重描述高精度卫星接收机数据格式及数据处理方法；《基于高精度北斗定位的地质沉降监控》，侧重描述卫星接收机原理、地质沉降监测内容和通信模式选择；《基于高精度北斗定位的大坝形变监控》，侧重描述数据采集、数据采集传感器以及定位误差改正模型；《基于高精度北斗定位的尾矿库安全监控》，侧重描述高精度定位实现尾矿库安全监控的方法，以及北斗短报文实现数据传输的方法。希望这些文章可以起到抛砖引玉的作用，吸引更多的学者、专家和工程师朋友关注北斗，为北斗在我国的飞速发展贡献绵薄之力。

引言

桥梁这个重要交通基础设施在人们的经济生活中发挥着巨大的作用。但近年来，我国桥梁结构多次出现重大事故，造成了很大的经济损失与不良社会影响。为确保特大型桥梁安全运营，必须采用有效的技术手段对这些桥梁的运行状态进行监测。然而，采用常规的人工借助光学仪器的方法进行大型桥梁的形变监测，存在观测条件受天气条件影响大、测量精度不高、观测点不同步、测站到辅助目标的距离受限等问题。北斗高精度桥梁形变监控具有全天候、全自动、高精度、延迟短、实时性强、测试点与基准站间不需要通视的显著优势，北斗高精度定位技术更加广泛地运用到桥梁形变监测。

1 北斗桥梁形变监测系统组成及内容

1.1 北斗桥梁形变监测系统组成

北斗桥梁形变监测系统主要由北斗桥梁形变监测站、北斗卫星接收基准站、通信网络、数据分析处理中心、远程监控平台等组成。

1.2 桥梁形变监测组网方式

桥梁形变监控要求数据实时解算，对数据传输的实时性要求高，数据采集的频次也高，采集北斗卫星数据高达5次/s，甚至高达10次/s，传输数据量较大，因此基准站、监测站和数据处理中心的通信方式不适宜采用无线GPRS等方式，采用光纤等有线通信比较合适。基准站、监测站如图1所示。

图1 北斗桥梁监测系统基准站、监测站

1.3 桥梁形变监测内容

根据桥的类型不同，监测内容略有差别，基本桥梁形变监测的主要内容包括:桥梁墩台沉降观测、桥面线形与挠度观测、主梁横向水平位移观测、高塔柱摆动观测。同时，建立相应的水平位移基准、沉降基准[1]。

2 高精度北斗卫星接收机基本特性

普通的北斗单频接收机只能接收B1载波信号，测定载波相位观测值进行定位。由于不能有效消除电离层延迟影响，单频接收机的定位精度比较低。 北斗双频接收机可以同时接收B1、B2载波信号。利用双频对电离层延迟的不同，可以消除电离层对电磁波信号的延迟的影响[2]，因此双频接收机可以实现更高的定位精度。桥梁形变监控系统大多采用高精度双系统四频北斗/GPS卫星接收机，主要指标如表1所列。

表1 高精度北斗/GPS卫星接收机指标

3 高精度北斗/GPS卫星接收机的数据格式

高精度北斗/GPS卫星接收机的数据有卫星原始数据和星历数据。一般高精度北斗/GPS模块支持ASCII和Binary两种数据输出模式，具有桥梁载荷变化大、易振动和瞬时形变的特点，要求数据采样频次高、处理周期短。鉴于ASCII数据格式数据量较大，不利于数据快速传输和形变实时计算，在桥梁形变监测中采用Binary数据输出格式。

下面以我公司高精度北斗/GPS卫星接收机为例分析其数据格式。

3.1 原始数据(Message ID=43)

3.1.1 数据包整体结构

桥梁形变卫星数据输出周期设置为1/10～1/5 s。

3.1.2 数据包包头结构

数据包包头结构如下：

3.1.3 卫星观测数据包结构

卫星观测数据包结构如下：

3.2 星历数据

星历是各星随时间而变的精确三维位置，它是时间的函数。指各星在不同时间的坐标位置表，PRN卫星编号:GPS为1～32，BD2为161～197。

3.2.1 数据包整体结构(桥梁形变监测采用Binary格式)

发送数据：串口命令要求输出Binary格式的星历数据。

接收数据如下：

北斗卫星星历数据包为264字节；GPS星历数据包为256字节。

3.2.2 数据包包头结构（数据包的包头28字节）

数据包包头结构如下：

3.2.3 数据包卫星观测记录结构

北斗卫星星历数据包为232字节；GPS星历数据包为224字节。

数据包卫星观测记录结构如下：

北斗高精度卫星接收机的星历数据包括由卫星编号、健康状态等组成的卫星特征、精度信息数据和广播星历数据，广播星历数据是卫星发播给导航用户用以计算卫星位置的一组下行导航数据。北斗使用的广播星历数据由16个参数组成，包括： 1个参考时刻Toe（8字节）,6个参考时刻开普勒根数（M0、e、a、Ω0、i0、ω）48字节，６个短周期调和改正项振幅(Cuc、Cus、Crc、Crs、Cic、Cis)，48字节，3个长期项改正数（Δn、i&、Ω&） [3],24字节。

M0为参考时刻平均近点角,M(t)=M0+n·（t-toe），其中n为平均角速度。

Δn为平均角速度改正值，平均角速度n0=GMa3=μ(a)3，μ为地球引力参数，n=n0+Δ。

A为轨道长半轴的平方根，toe为星历参考时刻，Ω0为参考时刻升交点赤经。

e为偏心率，E（t）=M(t)+e·sinE(t)，真近角点θ(t)=arctg1-e2sinE(t)cosE(t)-e。

i0为参考时刻轨道倾角，i(t)=i0+i··（t-toe）+δ; ω为近地点角距，未经改正的升交距交Φ(t)=θ(t)+ω。

Cuc、Cus为升交距角的余弦和正弦调和改正的振幅，Crc、Crs为轨道半径的余弦和正弦调和改正的振幅，Cic，Cis为轨道倾角的余弦和正弦调和改正的振幅。广播星历参数图如图2所示。

图2 广播星历参数图[4]

i&为轨道倾角变化率，Ω&为升交点赤经变化率。

4 北斗数据处理方法

北斗接收机采集记录的是北斗接收机天线至卫星的伪距、载波相位和卫星星历等数据。北斗数据处理从原始的观测值接收到最终的测量定位成果，数据处理过程大致分为北斗测量数据的预处理、基线向量解算及网平差等几个阶段。

4.1 预处理

北斗数据预处理的目的是：对数据进行平滑滤波检验，剔除粗差，统一数据文件格式并将各类数据文件加工成标准化文件（如北斗卫星轨道方程的标准化、卫星时钟钟差标准化、观测值文件标准化等），找出整周跳变点并修复观测值以及对观测值进行各种模型改正。

4.2 基线解算

基线向量是表示各测站间的一种位置关系，即测站与测站间的坐标增量。北斗基线向量是利用2台或2台以上北斗接收机所采集的同步观测数据形成的差分观测值。基线向量解算是指在卫星定位中，利用载波相位观测值或其差分观测值，求解两个同步观测的测站之间的基线向量坐标差的过程。基线解算可以按单基线解算，还可以取用一测段内所有非基星相对于基星的双差观测值联合解算全部基线的方法[5]。

基线向量的解算是一个复杂的参数估计过程。实际处理时要顾及时段中信号间断引起的数据剔除、劣质观测数据的发现及剔除、星座变化引起的整周未知参数的增加与减少，进一步消除传播延迟改正以及对接收机钟差重新评估等问题。

基线解算结果最主要的有两项，即基线向量估值及其验后方差——协方差阵。

4.3 网平差及形变解算

4.3.1 网平差分类

根据进行平差的空间可分为三维平差和二维平差。其中，三维平差在三维空间中进行，数学模型是严密的适用于任何网，特别是大规模的网，而二维平差在二维平面上进行，将平面坐标分量与高程分量分离，忽略了两者之间的相关性，数学模型进行了一定的近似，适用于小规模的网。

根据观测值和已知条件的情况可分为无约束平差、约束平差和联合平差。其中无约束平差指观测值全为北斗观测值，已知条件不使网产生由非观测量所引其的变形约束平差。约束平差指观测值全为北斗观测值，已知条件使网产生由非观测量所引其的变形。而联合平差指观测观测值除了北斗观测值以外，还包括其他常规几何观测值[6]。

4.3.2 网平差过程

北斗网平差基本观测量是基线向量及协方差。如图3所示，网平差大致可以分为4个过程。

图3 网平差流程图

① 前期的准备工作。进行坐标系的设置，输入已知点的经纬度、平面坐标、高程等，提取基线向量，构筑基线向量网。

② 网图的检验。要求选取的基线相互独立、构成闭合的几何图形,选取基线向量边长较短、能构成边数较少的异步环。

③ 网平差的实际进行，这是软件自动完成的。首先进行三维无约束平差，目的是发现和处理粗差基线、调整各基线观测值的权使之相互匹配。其次是进行约束平差/联合平差。

④ 质量分析与控制。这是用户分析处理的过程。根据基线向量的改正数的大小判断基线向量中是否含有粗差，删除重测或放弃含有粗差的基线。

北斗原始观测值通过以上数据处理步骤就可以得到精确的测量定位数据，从而对桥梁形变状况作出判断。

结语

随着国民经济的不断发展，越来越多的大型、特大型桥梁进入了人们的视野，桥梁结构逐步向轻巧、纤细方面发展，与此同时桥梁的载重、跨径和桥面宽度不断增长，结构形式不断变化。为确保特大型桥梁在使用寿命期的安全运营，必须对这些桥梁的运行状况进行监测。监测桥梁形变可以有效反映桥梁结构的工作情况，全面获取桥梁运营状况的信息，用以评估结构的安全性、耐久性、使用性，对桥梁养护和管理提供依据。因此，北斗桥梁形变监测具有很强的实用性。