外文翻譯1240302108朱丹英

1、譯 文 學(xué) 院： 電信 專 業(yè)： 電子信息工程 學(xué) 號(hào)： 1240302108 姓 名： 朱丹英 指導(dǎo)教師： 章飛 江 蘇 科 技 大 學(xué)2016年 6 月 4 日基于全球定位系統(tǒng)監(jiān)控高層建筑的動(dòng)態(tài)響應(yīng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和全面部署T. Kijewski-Correa, M.ASCE; A. Kareem, M.ASCE; and M. Kochly, S.M.ASCE摘要：長(zhǎng)期以來(lái)，土木工程界都需要精確的全球位移測(cè)量方法用于工程建設(shè)和結(jié)構(gòu)的安全監(jiān)測(cè)。隨著可用的跟蹤采樣率和分辨率的快速進(jìn)步，全球定位系統(tǒng)GPS為這一挑戰(zhàn)提供了一個(gè)解決方法。然而，在全面應(yīng)用之前，GPS作為一種較新的動(dòng)態(tài)傳感技術(shù)，它的性能必

2、須進(jìn)行全面的測(cè)驗(yàn)。本文詳細(xì)介紹了實(shí)現(xiàn)這一目的的一個(gè)實(shí)驗(yàn)程序，記錄了一個(gè)高精度GPS性能，為了檢測(cè)它的背景噪聲和動(dòng)態(tài)跟蹤能力，同時(shí)提供了符合全面跟蹤要求的位置精度。鑒于研究中觀測(cè)到的性能，提供了全面部署的注意事項(xiàng)，并對(duì)芝加哥的一個(gè)高層建筑的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)全面監(jiān)測(cè)項(xiàng)目監(jiān)測(cè)進(jìn)行評(píng)估。DOI：10.1061/ ASCE 0733-9445 2006 132:8 1242關(guān)鍵字：位移；測(cè)量；結(jié)構(gòu)可靠性；全球定位系統(tǒng)；高層建筑；動(dòng)態(tài)響應(yīng)測(cè)區(qū)簡(jiǎn)介 隨著土木工程項(xiàng)目的復(fù)雜性和成本的增加，工程項(xiàng)目要確保投資獲得重大利益，需要在以下兩方面著力落實(shí)，第一是在工程的安全運(yùn)行和維護(hù)下，確保使用壽命長(zhǎng)；第二是要與現(xiàn)代設(shè)計(jì)實(shí)踐的

3、高效率結(jié)合。無(wú)論是在全球范圍內(nèi)利用遙感觀測(cè)，還是在一個(gè)地區(qū)利用應(yīng)變傳感元件，想要滿足這兩方面要求，都可以借助儀器的功能和結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)的方法。雖然通過(guò)建立全球感應(yīng)器對(duì)響應(yīng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，也只能提供諧振響應(yīng)數(shù)據(jù)，但不能捕捉靜態(tài)和準(zhǔn)靜態(tài)行為。在安全監(jiān)測(cè)中，熱膨脹，及永久性損傷的一些意外事件還是可能發(fā)生的。特別是，由于感應(yīng)器的使用缺陷對(duì)于比較高的，柔性的建筑結(jié)構(gòu)，這些靜態(tài)與準(zhǔn)靜態(tài)響應(yīng)對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響是顯著的，很少能觀察到滿量程的結(jié)果。為了解決上述問(wèn)題，專家提出了一些全球位移傳感方法。其中的技術(shù)包括地面定位系統(tǒng)，激光位移傳感器，照片/視頻成像技術(shù)，這些技術(shù)最近都受到了不同的關(guān)注。但在大氣惡劣的條件下，要實(shí)行連續(xù)的

4、，無(wú)人值守的長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)，這些技術(shù)還不能進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)。除此之外，軍用級(jí)的全球位置定位系統(tǒng)GPS逐步過(guò)渡到私營(yíng)部門，并在硬件和軟件方面得到迅速發(fā)展。GPS理論雖然太空中不會(huì)允許GPS的粗放式的發(fā)展，一些基本的傳感要素揭示了主要的誤差來(lái)源。國(guó)防部確立了GPS衛(wèi)星陣列，通常GPS衛(wèi)星陣列對(duì)于大多數(shù)用戶被組織成6-8顆衛(wèi)星，但是他們提供一個(gè)至少有4-5顆衛(wèi)星在地平線上的任何位置在任何時(shí)候都有15°的6個(gè)軌道平面。GPS位置使用三角測(cè)量的概念，使用已知的數(shù)據(jù)計(jì)算位置，計(jì)算天上的GPS衛(wèi)星以確定接收器/天線在地球的位置。 每顆衛(wèi)星連續(xù)發(fā)送當(dāng)前的原子鐘保持的時(shí)間，以及其當(dāng)前的位置坐標(biāo)x，y，z，和所

5、在的軌道信息路徑，或傾斜范圍內(nèi)的距離Si，第i個(gè)衛(wèi)星的未知位置在地球上的x，y，z是移動(dòng)時(shí)確定的，所發(fā)送的電磁信號(hào)的速率為29萬(wàn)公里/秒。此位置（x，y，z）的定義運(yùn)用的是世界大地測(cè)量系統(tǒng)1984 （WGS84）坐標(biāo)系統(tǒng)，它提供了在笛卡爾橢球坐標(biāo)系下所表述的地球表面上的位置，圖1 GPS坐標(biāo)圖如在Leica（1999a）中的描述。這可以被投射到預(yù)先設(shè)置的美國(guó)每一個(gè)地區(qū)的局部坐標(biāo)系統(tǒng)。對(duì)于星座NSAT衛(wèi)星，一系列的傾斜范圍可以定義為 i=1，2，. (1)經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，最少需要有三個(gè)衛(wèi)星的位置估值才能確定其他衛(wèi)星的位置，但是，這需要非常精確的納秒級(jí)精度的計(jì)時(shí)機(jī)制，精度越高，民用GPS接收機(jī)就越昂貴。

6、考慮到時(shí)鐘所帶來(lái)的誤差，時(shí)間偏差b引入方程1中，其中傾斜的范圍是更換適當(dāng)?shù)膫尉郣i，導(dǎo)致 i=1，2，. (2)至少需要四個(gè)衛(wèi)星的位置估值才能計(jì)算出所有的未知系統(tǒng)的衛(wèi)星的位置。雖然每顆衛(wèi)星都有其自己的原子時(shí)鐘時(shí)間偏差。所有的時(shí)間偏置是相同的，因?yàn)樗窍鄬?duì)于相同的接收器定義時(shí)鐘。通常情況下，四個(gè)以上的可用衛(wèi)星，一個(gè)超靜定方程組可以利用方程（2）生成，從而獲得更準(zhǔn)確的接收機(jī)位置。GPS信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳輸造成了容易產(chǎn)生各種誤差的問(wèn)題，會(huì)減緩傳輸速率和引入錯(cuò)誤的偽估計(jì)值。這些主要是受到電離層和對(duì)流層低層大氣的干擾。電離層與信號(hào)的頻率成比例的速率減慢，可以通過(guò)跟蹤在導(dǎo)航GPS載波發(fā)送的信息L-波段頻率1.

7、57542GHz的（L1）和1.22760 GHz（L2）的波段頻率載波上發(fā)送的GPS導(dǎo)航信息計(jì)算延遲，也就是所謂的雙頻GPS單元。對(duì)流層的延遲與當(dāng)?shù)靥鞖獠▌?dòng)的影響，影響了GPS接收器的位置精度。然而，通過(guò)建立一個(gè)固定的檢查點(diǎn)或用于位置跟蹤的參考接收器（稱為流動(dòng)站），這些對(duì)流層折射誤差可以被消除。在實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)RTK的配置下，這些參考位置的修正會(huì)連續(xù)發(fā)送無(wú)線電信號(hào)或高速互聯(lián)網(wǎng)鏈接。在改良之后，GPS的精度跟蹤提高不僅取決于可見衛(wèi)星的數(shù)量位置，還依賴于測(cè)量之后的處理方法。位置跟蹤時(shí)使用的衛(wèi)星增強(qiáng)方程式（2）是隔開的，即理想情況下三個(gè)衛(wèi)星間隔120°，在平面上的第四個(gè)衛(wèi)星直接架空。例如，位置

8、跟蹤的DOP的高精度PDOP應(yīng)控制在3以內(nèi)。除了衛(wèi)星的位置跟蹤質(zhì)量的劣化，其他的初始GPS跟蹤要特別關(guān)注，特別是在城市地區(qū)，如多徑效應(yīng)。這些錯(cuò)誤的衛(wèi)星信號(hào)被反射出去，并具有一個(gè)較長(zhǎng)的路徑，有些會(huì)輕微延遲到達(dá)接收機(jī)。上述經(jīng)過(guò)處理的信號(hào)與直接接收到的版本信息，每一個(gè)恒星日（23小時(shí)，56分鐘）都在重復(fù)，用于衛(wèi)星的重復(fù)運(yùn)行軌道。這是由Lovse等（1995）首次應(yīng)用GPS，在卡爾加里塔監(jiān)控高大、柔性組織結(jié)構(gòu)中實(shí)施，扼流環(huán)天線的使用，離線濾波和嵌入式接收器算法，這些都會(huì)抵消一些不利因素的影響。全面監(jiān)測(cè)建筑物的GPS在對(duì)陸地，水壩，橋梁的監(jiān)測(cè)，在靜態(tài)中運(yùn)動(dòng)和偽靜態(tài)運(yùn)動(dòng)中，GPS調(diào)查和監(jiān)測(cè)是相當(dāng)廣泛的，這

9、里就不詳述了。這項(xiàng)技術(shù)是在城市中監(jiān)測(cè)建筑結(jié)構(gòu)中杰出的技術(shù)，下面會(huì)概括一些應(yīng)用程序。除了這里介紹的應(yīng)用程序，該GPS在中層或者高層建筑都有廣泛應(yīng)用，包括2000年在加利福尼亞州切萊比34 - 44層的建筑，共和國(guó)廣場(chǎng)280米，（2003年新加坡Brownjohn），和2004年在韓國(guó)的Park等人建設(shè)的66層建筑。1.校準(zhǔn)程序上述大規(guī)模部署的GPS在此之前沒有詳細(xì)的校準(zhǔn)研究。然而，由于這項(xiàng)技術(shù)相對(duì)處于起步階段，在2002年筆者展開了大規(guī)模的校準(zhǔn)程序，這里介紹傳感器的記錄功能，建立在早期的驗(yàn)證工作，2000年的切萊比和Tamura等人使用柔性檢測(cè)，2002年，進(jìn)行正弦標(biāo)定螺柱學(xué)習(xí)研究機(jī)械搖動(dòng)器。最

10、近又有了新進(jìn)展，Park等人已經(jīng)通過(guò)脈沖響應(yīng)測(cè)試撓性模型。 2004年和2005年Chan等人進(jìn)行雙軸運(yùn)動(dòng)模擬器校準(zhǔn)。同樣，讀者可以參考2002年Kijewski和賈巴爾和2003年的Kijewski科雷亞的研究，更詳細(xì)的介紹校準(zhǔn)程序和GPS硬件和軟件設(shè)置。表1 精度等級(jí)為徠卡MC500 DGPS的配置動(dòng)態(tài)精度5.00mm+2.00 ppm靜態(tài)精度3.00mm+ 0.50 ppm注：ppm百萬(wàn)分之一，確定基線的距離除以1,000,000。2.GPS組件在DGPS校正程序使用中的組件包括一對(duì)徠卡MC 500雙頻率，12通道的接收器，最大采樣速率為10 Hz，再加上國(guó)際GPS服務(wù)，金陽(yáng)極氧化扼流圈

11、天線與保護(hù)雷達(dá)天線罩。天線為4電抗器同心環(huán)，以盡量減少低海拔的反射多路徑信號(hào)的接收。如上所述，表1列出了徠卡所報(bào)告的DGPS系統(tǒng)的硬件的精度水平。眾所周知，每一代的GPS接收器，跟蹤精度和內(nèi)部設(shè)計(jì)已經(jīng)有相當(dāng)大的改善，可以使采樣率超過(guò)20赫茲。這方面的進(jìn)步，加上預(yù)期成本的降低，使本次監(jiān)測(cè)技術(shù)可行性越來(lái)越高。雖然選擇的GPS硬件有充足的RTK功能，由于無(wú)線通信的弊端會(huì)影響驗(yàn)證傳感器功能的準(zhǔn)確性，造成潛在的數(shù)據(jù)丟失。因此，在后期定位數(shù)據(jù)的情況下，兩個(gè)地區(qū)參考站和流動(dòng)站裝置的數(shù)據(jù)被直接記錄在96 MB個(gè)人電腦PC卡和接收器環(huán)形緩沖區(qū)，然后轉(zhuǎn)移到現(xiàn)場(chǎng)的筆記本電腦上運(yùn)行徠卡v.4.2軟件，提供必要的遠(yuǎn)程控

12、制，通信門戶。 圖2中基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)來(lái)自參考文件和流動(dòng)站現(xiàn)場(chǎng)的電腦，然后可以通過(guò)電話或下載以太網(wǎng)到現(xiàn)場(chǎng)后處理PC運(yùn)行徠卡SKI-PRO軟件，以確定最終的估計(jì)位置，為流動(dòng)站關(guān)閉線路。此配置還允許用戶在不斷變化的靈活設(shè)置下處理接收，例如，電離層模型，隨機(jī)模型和對(duì)流層模型，如果數(shù)據(jù)是實(shí)時(shí)處理，不能設(shè)置重新接收。 SKI-Pro的輸出，通過(guò)全球WGS84坐標(biāo)系橫軸進(jìn)行墨卡托投影，然后轉(zhuǎn)換成一個(gè)局部坐標(biāo)系統(tǒng)（徠卡1999A）的，允許位移從南北（NS）和東西（EW）組成。這個(gè)需處理內(nèi)容還包括二階切比雪夫低通濾波去除高頻噪聲。一個(gè)APC備用電池500 VA（不間斷電源）也被加入到系統(tǒng)中，在臨時(shí)支撐系統(tǒng)中增加了功

13、率損耗。還請(qǐng)注意在圖 2配備LMR 400同軸電纜連接的GPS接收機(jī)和天線線路防雷接地氣膠囊（HUBER + SUHNER 3402.17.K）。3.測(cè)試配置為了檢測(cè)可行的最佳性能的系統(tǒng)，所以在空曠的位置進(jìn)行校準(zhǔn)測(cè)試。通過(guò)未知來(lái)源的多徑誤差和視圖中可能會(huì)被隱藏的較低的高程衛(wèi)星來(lái)進(jìn)行校準(zhǔn)測(cè)試。進(jìn)行了一系列的測(cè)試來(lái)驗(yàn)證GPS性能，通過(guò)靜態(tài)背景噪聲和精度定量動(dòng)態(tài)測(cè)試，流動(dòng)站天線的位移由便攜式運(yùn)動(dòng)模擬器模擬。GPS天線安裝在木制平臺(tái)上，以避免在測(cè)試過(guò)程中的堵塞，由2.5米基線分離，并互相對(duì)應(yīng)。圖2 GPS的組件配置示意圖 所以模擬器的運(yùn)動(dòng)將沿南北方向，如圖3。在這個(gè)測(cè)試程序中，滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)的位移控制運(yùn)

14、動(dòng)模擬器的物理旋轉(zhuǎn)被視為天線或安裝組件的實(shí)際位移，由10 Hz流動(dòng)站GPS單元跟蹤。每一天的測(cè)試前，每個(gè)接收器自我建立一個(gè)基線調(diào)查流程，被設(shè)置進(jìn)行約40次測(cè)試使用動(dòng)態(tài)跟蹤能力，調(diào)查背景噪音，串聯(lián)浪涌保護(hù)及安裝的影響，動(dòng)態(tài)和方向修正（表2）。Kijewski-Correa（2003）指出，雖然測(cè)試中很注重細(xì)節(jié)，這些所有的測(cè)試都無(wú)關(guān)緊要的，在這里本文只討論前兩個(gè)測(cè)試系列。在這些試驗(yàn)中，相對(duì)運(yùn)動(dòng)沿N-S軸被定義為N和其他沿EW軸被定義為E。 圖3.基準(zhǔn)站和流動(dòng)站天線方向的校準(zhǔn)測(cè)試示意圖表2 進(jìn)行校準(zhǔn)測(cè)試總結(jié)測(cè)試說(shuō)明用途測(cè)試項(xiàng)目描述用途1a-d靜態(tài)背景噪聲，影響DOP2a-w正弦波：±0.5

15、±3.0厘米，0.11赫茲在不同的振幅，頻率跟蹤能力3a正弦能夠跟蹤復(fù)雜的信號(hào)3b隨機(jī)噪聲能夠跟蹤復(fù)雜的信號(hào)3c-f模擬結(jié)構(gòu)響應(yīng)能夠跟蹤實(shí)際的建筑運(yùn)動(dòng)4a-c靜氣膠囊確定的行氣膠囊的影響5正弦波：±2.0厘米，0.2赫茲驗(yàn)證現(xiàn)場(chǎng)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換6a-b靜態(tài)確定天線安裝動(dòng)力學(xué)的影響4.通過(guò)靜態(tài)試驗(yàn)驗(yàn)證背景噪聲靜態(tài)試驗(yàn)（運(yùn)動(dòng)模擬器保持固定）是把系統(tǒng)中背景噪聲進(jìn)行量化，即水平運(yùn)動(dòng)時(shí)流動(dòng)站錯(cuò)誤檢測(cè)有一段時(shí)間是靜止的。全天進(jìn)行這些測(cè)試， DOP的背景噪音也可以進(jìn)行調(diào)查。如圖4所示，測(cè)試1A和1D展示了經(jīng)典的圓形的形狀，表示在兩個(gè)方向上的等效的精度水平。1B和1C測(cè)試的橢圓形的形狀表示在GP

16、S數(shù)據(jù)的低頻趨勢(shì)所產(chǎn)生的偏差。這些數(shù)字也表示所觀察到的試驗(yàn)對(duì)比的標(biāo)準(zhǔn)偏差，制造商反復(fù)強(qiáng)調(diào)，即使在最嘈雜的三個(gè)測(cè)試（測(cè)試1C），背景噪聲的均方根誤差也在制造商定義的精度范圍內(nèi)。除了這些靜態(tài)的測(cè)試，所有其他測(cè)試列在表2中，靜態(tài)的單軸運(yùn)動(dòng)模擬器基本上沿東西方向的軸線運(yùn)動(dòng)，在表3中總結(jié)了整個(gè)測(cè)試程序的背景噪聲電平沿的EW軸的平均統(tǒng)計(jì)特性的確認(rèn)單元的性能始終大于制造商的期望值。如圖5所示，以背景噪聲的光譜和概率特性來(lái)舉例，可以證明一般寬帶特性的GPS的背景噪音的低頻趨勢(shì)如前所述。背景噪聲的概率密度函數(shù)揭示了非高斯的的性質(zhì)，盡管它可以表明，在尾部區(qū)域，高斯伊恩分布提供了背景噪聲傳播的一個(gè)保守測(cè)量，捕捉大部

17、分的噪聲在99.7的置信區(qū)間內(nèi)（見表4）。由于這兩種極端是最相關(guān)GPS的性能十分相關(guān)，它可以假定高斯描述提供了一種保守的忽略背景的噪音模型。如這里介紹的背景噪音水平研究，很容易量化觀察“靜態(tài)”GPS的回應(yīng)。圖4.靜態(tài)測(cè)試和觀察到的RMS之間的比較結(jié)果表3 從校準(zhǔn)測(cè)試2和3中靜態(tài)元器件性能E的概要范圍±0.71 cm平均值0.00 cmRMS0.22 cm在全面部署下，一般的雙向軸向運(yùn)動(dòng)不存在靜態(tài)響應(yīng)分量量化噪聲電平。然而，在后期處理中，GPS的準(zhǔn)確度的統(tǒng)計(jì)測(cè)量計(jì)算出每個(gè)時(shí)刻北面和東面的位移。在靜態(tài)測(cè)試的情況下，它表明，在使用保守的假設(shè)的一個(gè)高斯分布中，超過(guò)99的背景噪聲下降三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差

18、?，F(xiàn)建議使用標(biāo)準(zhǔn)差估計(jì)N和E位置，在每個(gè)時(shí)刻提供的背景噪聲有效值的估計(jì)，是以在滿量程下提供一種隨時(shí)間變化的傳感器的精度估計(jì)。為了驗(yàn)證這個(gè)假設(shè)的適當(dāng)性，Kijewski-Correa(2003) 比較了在RMS的運(yùn)行背景下這些標(biāo)準(zhǔn)相應(yīng)的平均每個(gè)測(cè)試的噪聲GPS解決方案中N和E的偏離。作者進(jìn)一步驗(yàn)證，N和E上的運(yùn)動(dòng)并沒有依賴于由全球定位系統(tǒng)所制定的運(yùn)動(dòng)，并表現(xiàn)出光譜和統(tǒng)計(jì)相似性的靜態(tài)測(cè)試數(shù)據(jù)。表5中的靜態(tài)測(cè)試總結(jié)出，GPS位置的標(biāo)準(zhǔn)偏差的估計(jì)提供了一個(gè)合理的近似的RMS靜態(tài)測(cè)試中觀察到地面的噪音水平。由于這項(xiàng)統(tǒng)計(jì)模型中N和E可在每個(gè)時(shí)刻獲得，他們使用這個(gè)統(tǒng)計(jì)模型會(huì)產(chǎn)生一個(gè)隨時(shí)間變化的噪聲閾值，作者

19、稱之為位置質(zhì)量閾值（PQT），量化的GPS估計(jì)的可靠性， (3)量化的可靠性噪音or 取決于被分析的方向。利用公式3，PQT除了幾個(gè)尖峰外，它保守地定義了后臺(tái)系統(tǒng)噪聲的上限和下限，從而提供一個(gè)系統(tǒng)的固有噪聲區(qū)域，可以擴(kuò)展到全面的應(yīng)用程序。這也意味著，這些閾值可以被用來(lái)為系統(tǒng)確定有效的信噪比。表4 對(duì)照百分比99.7th 置信GPS與高斯分布的背景噪音測(cè)試項(xiàng)目ActualGaussianActualGaussian1a（0.46， 0.40）（-0.47，0.47）（-0.52，0.56）（-0.58，0.58）1b（-0.51，0.51）（-0.56，0.56）（-0.56，0.58）（-0.

20、62，0.62）1c（-0.58，0.59）（-0.62，0.62）（-0.57，0.66）（-9）5.在動(dòng)態(tài)跟蹤中驗(yàn)證振幅/頻率靈敏度為了量化的頻率和振幅，可以通過(guò)GPS設(shè)置模擬正弦運(yùn)動(dòng)的振幅范圍從±0.5到±3厘米與頻率在0.1, 0.125，0.15，0.2，1和2 Hz的頻率范圍內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)，并且成功進(jìn)行跟蹤。以低頻信號(hào)為主要焦點(diǎn)是有意為之的，因?yàn)樗麄儽贿x中代表建筑物中常見的基本的搖擺頻率，所以這個(gè)系統(tǒng)被設(shè)計(jì)用來(lái)監(jiān)視?？紤]在振幅和頻率的上限受到運(yùn)動(dòng)模擬器硬件的限制。正如前面所討論的，將GPS測(cè)量的位移和運(yùn)動(dòng)模擬器滾珠絲杠的物理位移相比較。表6列出了運(yùn)動(dòng)

21、模擬器信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)偏差和峰值(每個(gè)分組中的第二行)，并和GPS測(cè)量位移(每個(gè)分組中的第一行)相比較，只列出為0.1，1和2 Hz的正弦信號(hào)的結(jié)果。需要注意的是，由于硬件的限制，運(yùn)動(dòng)不能在頻率為2 Hz的振幅2和3厘米的正弦波來(lái)模擬。估計(jì)誤差在各組中的第三行所示。對(duì)式（3）中定義的時(shí)變量PQT的另一種理解是，是表格中峰值位移和形成有效的峰值信噪比的比值。這項(xiàng)措施，是用于確定被跟蹤的信號(hào)與系統(tǒng)中的背景噪聲的電平相比是否有足夠大的振幅。由于空間不能提供所有模擬正弦波進(jìn)行測(cè)試跟蹤質(zhì)量的圖形證據(jù)，部分結(jié)果顯示在圖7的結(jié)果矩陣中。這些全部結(jié)果都已被Kijewski-Correa (2003)驗(yàn)證。正如預(yù)期的

22、那樣，作為模擬信號(hào)的振幅在下方疊加，跟蹤能力減弱。還要注意的是GPS的表現(xiàn)出一種高頻失真，次失真可以通過(guò)額外的低通濾波去除。盡管對(duì)GPS無(wú)法重復(fù)捕捉峰值位移的精度，但GPS位移的均方根值與實(shí)際表格內(nèi)RMS幾乎一致（10%以內(nèi)）。當(dāng)信噪比超過(guò)200%，這相當(dāng)于大約1厘米以上±運(yùn)動(dòng)。這里提出的調(diào)查結(jié)果和2003年科雷亞在Kijewsk上的表述一樣，即捕獲峰值能力的增加量作為振幅增加的幅度，當(dāng)振幅是±2厘米以上時(shí)，連續(xù)的錯(cuò)誤只有10或更少。這些結(jié)果是在Tamura等人的結(jié)果上的改進(jìn)（2002），他們使用了上一代徠卡MC1000單位。還應(yīng)當(dāng)指出的是DOP誤差是作為本試驗(yàn)順序進(jìn)行的固

23、有波動(dòng)，這將也影響質(zhì)量跟蹤。還應(yīng)注意的是，所有這些校準(zhǔn)研究只進(jìn)行了短時(shí)間的測(cè)試。用GPS構(gòu)建自身的模型來(lái)校正大氣電離層延遲，精度提高，所以收集數(shù)據(jù)時(shí)間長(zhǎng)（45分鐘或更多）。6. 跟蹤現(xiàn)實(shí)建筑運(yùn)動(dòng)的驗(yàn)證 2003年Kijewski科雷亞使用隨機(jī)和啁啾的信號(hào)，通過(guò)進(jìn)行額外的測(cè)試，現(xiàn)在提出最新的測(cè)試結(jié)果：在用高斯白噪聲來(lái)模擬柔性建筑的風(fēng)振響應(yīng)的前提下，檢驗(yàn)GPS跟蹤一個(gè)多自由度模擬的振蕩器零均值的能力。兩棟建筑組被設(shè)定為一個(gè)建筑的基波頻率fn為0.53赫茲，另一個(gè)基波頻率為0.12赫茲。臨界阻尼比假定為臨界值的1。模擬的時(shí)間為5分鐘。通過(guò)改變系統(tǒng)的輸入，產(chǎn)生兩個(gè)不同級(jí)別的響應(yīng)，每個(gè)建筑的響應(yīng)結(jié)果如下

24、：0.53Hz的系統(tǒng)RMS響應(yīng)為0.66和1.12厘米。0.12 Hz的系統(tǒng)RMS響應(yīng)為1.01和1.19厘米，這些測(cè)試的結(jié)果在表7可見，格式與表6類似。需要注意的是，如果預(yù)期的峰值信噪比超過(guò)200%，GPS能夠捕捉到峰值和有效值的響應(yīng)在10%的誤差內(nèi)。如圖8所示，系統(tǒng)跟蹤較低幅度的模擬反應(yīng)時(shí)，它提供了0.12赫茲模擬響應(yīng)的截圖。為了方便起見，就提供四個(gè)測(cè)試全部視圖作比較。這些測(cè)試與正弦測(cè)試序列的30秒相比，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，在5分鐘以上。持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的測(cè)試提供了更多的數(shù)據(jù)，在大氣建模的后期處理中一般會(huì)產(chǎn)生更高質(zhì)量的結(jié)果。鑒于這些結(jié)果顯示，在較長(zhǎng)的監(jiān)測(cè)期周期下，只要峰值信號(hào)幅度大于兩倍的PQT,標(biāo)

25、準(zhǔn)差的平均值以及峰值測(cè)量，可以準(zhǔn)確地捕獲在10%的誤差之內(nèi)。其結(jié)果是，該技術(shù)似乎非常適合于跟蹤高大柔性結(jié)構(gòu)的風(fēng)振反應(yīng)。7.全面部署 芝加哥全面監(jiān)測(cè)方案(Kareem and Kijewski-Correa 2002)建立系統(tǒng)驗(yàn)證在高樓大廈設(shè)計(jì)中使用的工具和程序，通過(guò)比較在現(xiàn)場(chǎng)的響應(yīng)值與預(yù)測(cè)的風(fēng)洞試驗(yàn)和有限元模型。這個(gè)程序的NatHaz模型正在由在Notre Dame大學(xué)實(shí)驗(yàn)室聯(lián)同加拿大西安大略大學(xué)邊界層風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室和在伊利諾伊州芝加哥的斯基德莫爾奧因斯和美林律師事務(wù)所建模，通過(guò)這種持續(xù)的監(jiān)測(cè)方案，在芝加哥市的三個(gè)高大的建筑已經(jīng)安裝多年的陣列數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，對(duì)高靈敏度的力平衡加速度計(jì)和超聲波風(fēng)速計(jì)進(jìn)

26、行數(shù)據(jù)采集。雖然加速度計(jì)提供了主要的儀器設(shè)備，可以捕捉這些建筑物搖擺和扭轉(zhuǎn)共振響應(yīng)，他們無(wú)法提供風(fēng)振響應(yīng)的均值和背景的資料。正是這個(gè)基礎(chǔ)的因素，推動(dòng)了全球定位系統(tǒng)的原型設(shè)計(jì)和校準(zhǔn)，在這項(xiàng)研究中，系統(tǒng)的部署計(jì)劃是一個(gè)關(guān)于裝有儀器的高層建筑的計(jì)劃。請(qǐng)注意，對(duì)于房屋所有權(quán)的要求，此時(shí)必須保持裝有儀器的建筑的身份匿名。響應(yīng)傳感器陣列，包括GPS和感應(yīng)器。8.鑒定參考網(wǎng)址前面校準(zhǔn)所討論的研究，作者進(jìn)行了一項(xiàng)研究，芝加哥市中心區(qū)域是可行的參考點(diǎn)，適宜設(shè)置達(dá)到毫米級(jí)跟蹤DGPS配置。應(yīng)提及的事實(shí)是，作為到流動(dòng)站，為了將表1討論的誤差降到最低，排除了使用傳統(tǒng)的固定到地面的參考物，因?yàn)閰⒖嘉飳⒈恢ゼ痈缡兄車母?/p>

27、層建筑包圍，從而使衛(wèi)星跟蹤傳輸完全屏蔽。在這樣的人口密集的城市區(qū)，GPS參考站常常必須建立在一個(gè)足夠高的固定結(jié)構(gòu)上，以提供GPS天線充足的高度，但需盡量靠近流動(dòng)站。常見的做法是忽略低海拔的衛(wèi)星，通過(guò)使用掩模角度15°以上的地平線，避免造成固有噪聲。因此GPS安裝理想候選地點(diǎn)必須要有能見度從15到90度的海拔，一般低于其自身運(yùn)動(dòng)的GPS傳感器的分辨率的限制（見表1）的中低層建筑。研究者們能夠成功地分離出一個(gè)參考的建筑，位于約0.8英里（1.29公里）監(jiān)測(cè)流動(dòng)站站點(diǎn)，根據(jù)表1中的表達(dá)產(chǎn)生預(yù)期的動(dòng)態(tài)跟蹤精度為7.58毫米。雖然明顯短于它周圍的建筑，從而造成一定的屏蔽問(wèn)題，所選擇的參考建筑提

28、出了對(duì)70的象限的空間的明確意見。圖6.位置質(zhì)量閾值的實(shí)例虛線，試驗(yàn)1a厘米級(jí)GPS靜態(tài)位移疊加GPS裝置，2002年8月26日所有的電子和屋頂天線與剛性鍍鋅鋼支架被安裝在參考站點(diǎn)，第二天繼續(xù)在流動(dòng)站手動(dòng)觸發(fā)記錄高風(fēng)狀態(tài)下流動(dòng)站結(jié)構(gòu)中位移。圖9中的傳感器的位置和圖2中的電子結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)的電話線使用，在芝加哥市中心的一個(gè)當(dāng)?shù)氐慕煌屑~（kijewski等人。2003），如前面所述，該系統(tǒng)被遠(yuǎn)程操作,并且數(shù)據(jù)傳輸?shù)绞ツ复髮W(xué)進(jìn)行后期處理和分析。使用系統(tǒng)之前，必須建立一個(gè)基線位置，才可以確定流動(dòng)站的靜態(tài)偏移。田村（2002年）中所討論的是在平靜的夜晚，高質(zhì)量的DOP條件下，一直重復(fù)出發(fā)這個(gè)過(guò)程（最大限

29、度地減少由于風(fēng)和任何熱效應(yīng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)）。在這些條件下記錄的位置然后計(jì)算相對(duì)于局部坐標(biāo)系統(tǒng)的平均基線位置（,），所以可以計(jì)算出真正的差分位移，如圖10所示(Kijewski-Correa 2005).。表6中，摘要的GPS跟蹤Acccuracy為模擬正弦信號(hào) 圖7.繪制正弦運(yùn)動(dòng)的GPS位移（厘米）的的運(yùn)動(dòng)模擬器位移（厘米）比較，表示該測(cè)試平均位置質(zhì)量門檻圖8，按照 FN0.12 Hz的模擬多自由度系統(tǒng)的GPS位移9.滿量程性能驗(yàn)證為了證明充分的GPS傳感器的準(zhǔn)確性，通過(guò)其主要的儀器系統(tǒng)，與在流動(dòng)站記錄的加速度相比較。通過(guò)舉例論證，下面就以2003年11月24日發(fā)生的一個(gè)風(fēng)致事件為例。在這種情況下

30、，風(fēng)從西北方向接近（283-290°）在流動(dòng)站上產(chǎn)生NS軸上的順風(fēng)向響應(yīng)。NOAA的風(fēng)記錄儀表臺(tái)顯示密歇根湖（Lake Michigan）表面的風(fēng)速為14-16米/秒，估計(jì)屋頂風(fēng)速18.7-21.3米/秒（2005年kochly等）。通過(guò)帶通濾波器的使用，可以有效從根本上抑制建筑的沿南北和東西向軸線的搖擺響應(yīng)。 用雙差分方法將GPS位移轉(zhuǎn)化為加速度。如圖11在同一時(shí)間和頻率域下，將所測(cè)得的加速度與在滿量程的GPS中衍生的加速度相比較，顯示了傳感器之間良好的相關(guān)性，進(jìn)一步驗(yàn)證了表8中計(jì)算出的均方根加速度。在2006年，Kijewski科雷亞在其他風(fēng)致事件中，已另外進(jìn)行了GPS加速度計(jì)全

31、面的比較和討論。2005年Kochly和Kijewski科雷亞同時(shí)發(fā)現(xiàn)了用于捕獲共振響應(yīng)的兩個(gè)傳感器技術(shù)的更好的協(xié)議。通過(guò)kochly等人的后續(xù)工作和研究，然后擴(kuò)展的評(píng)價(jià)考慮的GPS測(cè)得的背景分量和預(yù)測(cè)的風(fēng)洞測(cè)試，強(qiáng)調(diào)預(yù)測(cè)反應(yīng)的變異和扭曲措施的多徑效應(yīng)的作用之間的相互關(guān)系。10.滿量程的位移數(shù)據(jù)現(xiàn)在分析在2003年11月24日發(fā)生的風(fēng)致事件的總位移。和之前在本文中提到的一樣，2005年Kochly等討論得出，多徑干擾的問(wèn)題仍然對(duì)GPS在非常多的城市區(qū)設(shè)施有影響。GPS監(jiān)控下這些殘余誤差源導(dǎo)致長(zhǎng)期扭曲計(jì)算的位移估計(jì)，、圖9.建設(shè)住房GPS流動(dòng)站在芝加哥全面監(jiān)測(cè)方案結(jié)合儀器的響應(yīng)示意圖，虛線表示的

32、屋頂安裝，實(shí)線表示安裝在最高的機(jī)械地板圖10.示意性表示定義的相對(duì)位移相對(duì)于在本地坐標(biāo)系統(tǒng)中的結(jié)構(gòu)基線會(huì)干擾準(zhǔn)確地確定背景的風(fēng)振響應(yīng)的能力。傳統(tǒng)的帶阻濾波去除（2005年kochly等）或基于小波變換的分解（2001年Chen等人）促進(jìn)一些實(shí)用的程序已經(jīng)研發(fā)，同時(shí)接收機(jī)硬件和軟件進(jìn)一步發(fā)展，獲得更大的成效，直接解決消除多徑失真GPS位移的問(wèn)題，然而，Kochly等人（2005）討論的過(guò)濾方法現(xiàn)在被應(yīng)用，從而導(dǎo)致在兩個(gè)在圖所示的二維建筑響應(yīng)如圖12。相關(guān)的背景下，圖13中的是諧振，總的響應(yīng)時(shí)間的量程，和總的響應(yīng)功率譜密度。正如預(yù)期的那樣，由于橫風(fēng)向運(yùn)動(dòng)占據(jù)主導(dǎo)地位，諧振響應(yīng)的NS軸分量是顯著大于

33、的EW。同時(shí)，盡管東西向軸線在順風(fēng)向響應(yīng)的方向，又由于沿這兩個(gè)建筑軸線的不成比例的剛度，這通常會(huì)有更大的背景響應(yīng)分量，橫風(fēng)向響應(yīng)的背景分量仍然較大。11.滿量程的績(jī)效評(píng)估 GPS對(duì)原型研究校準(zhǔn)已運(yùn)行多年，現(xiàn)在可以對(duì)此進(jìn)行全面評(píng)估了。移動(dòng)到密集的城市環(huán)境中，無(wú)線電頻率（射頻）干擾，和其他噪聲源的問(wèn)題一直沒有得到解決。迄今為止，由于跟蹤能力受到的射頻干擾，有時(shí)不能令人滿意地實(shí)現(xiàn)用于GPS位移的解決方法，導(dǎo)致在較矮的參考建筑下，位移預(yù)測(cè)的可靠性由于DOP水平升高而降低，視圖中有時(shí)只有4-5個(gè)衛(wèi)星。圖11.變焦之上的GPS衍生加速度與功率譜密度圖12. 2003年11月24日二維圖的GPS位移在風(fēng)的情

34、況下，平均風(fēng)向箭頭指示在較高的流動(dòng)站相比之下，在一個(gè)給定的時(shí)間內(nèi)可同時(shí)跟蹤8個(gè)或8個(gè)以上的衛(wèi)星。當(dāng)參考網(wǎng)站的星座在進(jìn)一步降低到少于四顆衛(wèi)星，GPS位置不能被通過(guò)式（2）確定和跟蹤，直到重新在海拔較高的衛(wèi)星配置填充。Kijewski科雷亞和賈巴爾（2003年）證明了滿量程的測(cè)量退化的根本原因是衛(wèi)星虧損和使用PQT診斷。全面部署的持續(xù)性能可以合理地增強(qiáng)，只需通過(guò)移動(dòng)參考點(diǎn)到一個(gè)較低的城市西側(cè)的屏蔽位置，目前正在與徠卡測(cè)量系統(tǒng)相結(jié)合共同探索這個(gè)方法。通過(guò)校準(zhǔn)研究觀察到的PQTs大范圍地升高，是由于加長(zhǎng)的基線和增加的干擾源（科雷亞和賈巴爾2003）。盡管這一發(fā)現(xiàn)并不令人擔(dān)憂，但這種情況確實(shí)需要在城市西

35、側(cè)的建筑物的運(yùn)動(dòng)以幾厘米之內(nèi)，以可靠地跟蹤峰值響應(yīng)。但是很顯然，在城市地區(qū)部署全球定位系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)，多徑效應(yīng)的問(wèn)題仍然是最突出的錯(cuò)誤源，其影響已經(jīng)通過(guò)大量的研究指出，例如，lovse等人（1995），陳等人。（2001），和kochly等人（2005），并特意引入一個(gè)新的程序，包括一系列控制的多路徑測(cè)試，以確定有效地消除這些系統(tǒng)的錯(cuò)誤，通過(guò)時(shí)間序列的方式，更好地維護(hù)背景響應(yīng)。結(jié)論本課題討論了使用高精度的全球定位系統(tǒng)，用于監(jiān)測(cè)在風(fēng)振作用下的高層建筑的位移，為監(jiān)測(cè)傳感器無(wú)法恢復(fù)的風(fēng)致響應(yīng)和背景成分提供了可能性。此前在芝加哥市部署了一套GPS系統(tǒng)，作為一個(gè)大規(guī)模的監(jiān)測(cè)方案的一小部分，進(jìn)行了全面的現(xiàn)

36、場(chǎng)校準(zhǔn)和研究部署。在此校準(zhǔn)程序的情況下，推出PQTS新概念，提供給終端用戶，作為一種GPS全面測(cè)量背景噪聲水平的方法。一般對(duì)于1厘米以上正負(fù)運(yùn)動(dòng)，這些利用PQTS來(lái)計(jì)算。圖13 2003年11月24日，總位移功率譜密度 校準(zhǔn)程序還表明，在足夠大的振幅下，全球定位系統(tǒng)的性能呈現(xiàn)出獨(dú)立的動(dòng)態(tài)的頻率，但是對(duì)于低幅度的運(yùn)動(dòng)，在較低的頻率之下跟蹤效果會(huì)更好，進(jìn)一步促進(jìn)其應(yīng)用到靈活的土木結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)之中。這進(jìn)一步證明在風(fēng)力的作用下，跟蹤模擬運(yùn)動(dòng)的高層建筑，GPS性能產(chǎn)生的跟蹤誤差小于10。作者證明了在芝加哥全面部署的GPS系統(tǒng)在高層建筑之間的動(dòng)態(tài)響應(yīng)跟蹤和加速度計(jì)算上顯示了良好的關(guān)聯(lián)性。鑒于在這項(xiàng)計(jì)劃中的數(shù)據(jù)

37、分析和第二階段多徑檢測(cè)以及清除，這項(xiàng)研究充分證明GPS作為一個(gè)高度可靠的傳感器，可用于監(jiān)控因?yàn)轱L(fēng)力作用，熱膨脹或永久偏移造成損壞的總體結(jié)構(gòu)的位移。在未來(lái)幾年內(nèi)，這需要技術(shù)的提高和硬軟件的進(jìn)步，并且隨著越來(lái)越多可用的GPS衛(wèi)星，開展與其他國(guó)際衛(wèi)星系統(tǒng)的合作，會(huì)進(jìn)一步到減少DOP的錯(cuò)誤。參考文獻(xiàn)1Axelrad, P., Comp, C. J., and Macdoran, P. E.(1996). “SNR-based multipath error correction for GPS differential phase.” IEEE Trans. Aerosp. Electron. Sys

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