毕业论文外文翻译GPS数据的处理方法在结构变形监测的应用.docx
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毕业论文外文翻译GPS数据的处理方法在结构变形监测的应用
GPS数据的处理方法在结构变形监测的应用
W.S.Chan·Y.L.Xu·X.L.Ding·W.J.Dai
Received:
9November2005/Accepted:
11August2006/Publishedonline:
7September2006
摘要：
全球定位系统（GPS）现在正积极应用静态和动态位移法在有风的情况下对大型土木工程结构进行监测。
然而,多路径效应和低采样频率的精度影响GPS位移测量。
另一方面,加速度计静态和低频不能有效的措施结构反应,但可以精确测量高频结构的反应。
因此,本文仅探讨GPS与测量结合的可能性，信号提高对测量准确度的（静态加上动态）一个结构的位移响应。
集成数据处理技巧,利用两个经验模式分解（EMD）和自适应滤波的方法。
一系列的运动模拟台试验，然后根据站点使用三个GPS接收器,一个加速度、“桌子”和一个运动仿真可以模拟各种类型的运动定义为输入，在波时间历程一个预先定义的静态的位置。
该数据处理技术应用：
记录的GPS和加速度计数据，发现两者都有静态和动态位移。
这些结果通过实测位移运动产生运动仿真的“桌子”。
比较结果表明,该技术能显著提高测量准确度。
关键词：
GPS变形监测、结构、加速度计；综合数据处理、静态和动态位移法、EDM的经典分解模式；自适应滤波器。
1、介绍：
结构位移是评估一个大型土木工程结构的完整和安全关键参数。
如高楼大厦或一个长桥在风力影响下的情况。
风影响这样一个大型结构主要是由加速度计监测,然后采用动态位移响应表达式，用双重整合的测量加速度响应。
一个加速度计是可以做到提取加速度响应，自然频率达1000赫兹,因为它具有极高的取样频率。
（罗伯茨丁晓萍.2004）
然而,加速度计不敏感加速度的变化。
速度和位移集成加速度随着时间的推移,信号将漂移，由于未知集成常量,以及一个高通滤波器，用于处理中引入低频漂移一体化进程。
因此,认识到一个加速度计是无法测量静态和低频动态位移。
全球定位系统（GPS）正积极地应用静态和动态位移测量。
反应大土木工程结构在全球风力范围和连续工作的气象条件下的变形。
然而,GPS位移测量的准确性取决于许多因素,包括卫星覆盖,大气的影响,多路径,GPS数据处理方法。
奈奎斯特频率的现代化GPS接收器20赫兹的双采样率10赫兹,这是足以侦测自然频率民用工程结构。
然而,关于结构动力位移监测、量化的准确性结构的动力位移是很重要的。
这就要求采样率大大高于感兴趣的频率成分的连续构造变形的信号。
例如,当考虑一个10赫兹正弦波的存在每秒20样品取样时,只有两个样品为每一个获得正弦波周期,这是肯定的没有足够的重建这个正弦波。
为了评估表现最好的GPS（莱卡GX1230GPS接收器）。
在动态位移测量、校准试验用的是一个运动仿真表进行开放地区采访。
结果表明,GPS可以测量动态位移正确≤1赫兹。
如果测站略被改变了，这个结果可能改变。
显然,GPS测量性能与加速度计互补。
本文从而进一步GPS-measured结合的可能性accelerometer-measured的信号提高，测量准确度（静态优先动态）位移响应的大型土木工程结构。
集信号的概念GPS和加速度计结构变形监测。
提出融合算法的罗伯茨丁晓萍。
（2004）从一个加速度计测量信号被过滤，由传统的滤波器来去除高频噪声,微小的GPS信号被过滤，自适应滤波降低了多路径。
单一集成加速度信号然后从加速度计进行找到速度信号。
由GPS数据，速度、加速度计信号，利用速度不断被重新计算。
这些校准速度信号获得位移信号集成,位移信号,与全球定位系统。
最后重置获得际的位移协调的结构。
他们的研究结果显示,用该集成计划,millimeter-accurate定位可以保持在几十秒钟。
这位移方法所获得的实际上是早些时候动力位移而已。
李丁晓萍。
（2005）在大风影响下，进一步孤立的静态和静态位移组件由GPS数据和增加了他们的动力学特性得到总变形位移。
大型土木工程结构通常是非常好,因此他们的低频反应,是很难精确测量加速度计。
此外,除了风致动力位移、风致静力位移、GPS测量结构中可能的污染还要很多路径。
因此,很难适用现有的集成方案预测总位移与大型土木工程结构的反应。
在这方面,提出了不同的综合GPS，加速度计数据处理技术,为基础的在经验模态分解（EMD）和一个自适应滤波算法,提高了测量精度（静态加上动态）的位移响应大型土木工程结构。
这是一个数据处理工具,能分解任何复杂的数据集少量的固有模态函数（IMF）和一个最后residualIn。
该方法已成功应用，从提取时变平均风速。
自适应滤波技术是信息信号提取的兴趣从污染信号采用互相关系参考和主要的时间序列之间（Ge丁晓萍。
2000年,罗伯特丁晓萍2002）。
在认识到,多路径在每一天是可以重复的恒星。
评估的有效性集成数据处理技术,一系列的运动仿真，根据表测试站点使用三个GPS接收器,一个加速度计,和一个运动仿真桌子上。
静力试验,用GPS天线安装在运动模拟表,在固定的条件,首先表现在测试网站的估计多径的数量。
运动模拟桌子上,然后用产生不同类型的动态在一个预先定义的静态位移响应位置。
GPS和加速度计测量数据记录在同一时期为静态的测试第二恒星的一天。
该数据处理技术然后被用于记录GPS和加速度计静态数据找出动态位移。
有效的最后通过评估综合方法进行比较综合结果与原运动模拟运动产生的桌子。
2、经验模式分解和自适应滤波器的
这个EDM被用于这项研究，是为了分解GPS测量结构位移与星历表，使他成为一系列IMF组件和筛选残留过程。
x（t）=cj（t）+r（t）Ne
这里Ne是大量IMF的组件；（t）Ne是最后的残余。
这最后的残余的结构位移与响应时间的历史,用GPS的一个单调函数,可以定义为位移的结构的意思。
作为这个分解的概念是基于直接提取法、能源消耗的不同内在时间尺度的时间历史本身,模式的混合筛选过程中是不可能的。
一个标准,虽然被检查,因此黄丁晓萍建议分离不同的波浪时间模式基础上成不同时期长度。
在这项研究中,还是有止回阀和截止频率c是用来处理
加速度时程来衡量一加速度计以获得高频动态响应频率成分比截止频率。
提出了一种自适应滤波器,作为一个信号,运作从两个测量的信息输入具有相同的长度：
（1）主要测量p（k）期望信号包含的利息（k）的污染噪音n（k）,
（2）参考测量r（k）的噪音信号n（k）。
为了提取满意信号s（k）从污染的主要测量p（k）利用自适应滤波技术,两个条件满足了:
（1）所要求的信号s（k）和噪声n（k）primarymeasurement彼此之间不存在;噪音n
（2）（k）测量振荡器的参考所需的信号s（k）,但相关与噪声成分n（k）的初选信号。
当多径测量由运动接收机类似于被测静止接收器，在我们之间试验基地的恒星天。
自适应滤波技术可以应用tomitigate多径。
位移测量和GPS一个移动的天线作为主要的测量p（k）,其中包括预期的结构位移s（k）和多路径效应n（k）。
测量信号的GPS天线与固定在同一时间期间动态测量,但在未来或以前的恒星天,作为参考的测量r（k）=n（k）。
只有假设理想的结构位移是与多径而振荡器的参考测量和结构位移之间,但在某种程度上与相关的多径效果,因此应用自适应滤波研究。
除了多径缓解,该研究也采用自适应滤波技术来提取低频动态从GPS-measured位移响应数据运用高频动力位移响应作为一个参考的加速度计测量。
AnintegratedGPS–accelerometerdataprocessingtechnique
forstructuraldeformationmonitoring
W.S.Chan·Y.L.Xu·X.L.Ding·W.J.Dai
Received:
9November2005/Accepted:
11August2006/Publishedonline:
7September2006
©Springer-Verlag2006
AbstractGlobalPositioningSystem（GPS）isbeingactivelyappliedtomeasurestaticanddynamicdisplacementresponsesoflargecivilengineeringstructuresunderwinds.However,multipatheffectsandlowsamplingfrequenciesaffecttheaccuracyofGPSfordisplacementmeasurement.Ontheotherhand,accelerometerscannotreliablymeasurestaticandlow-frequencystructuralresponses,butcanaccuratelymeasurehighfrequencystructuralresponses.Therefore,thispaperexploresthepossibilityofintegratingGPS-measuredsignalswithaccelerometer-measuredsignalstoenhancethemeasurementaccuracyoftotal（staticplusdynamic）displacementresponseofastructure.Integrateddataprocessingtechniquesusingbothempiricalmodedecomposition（EMD）andanadaptivefilterarepresented.AseriesofmotionsimulationtabletestsarethenperformedatasiteusingthreeGPSreceivers,oneaccelerometer,andonemotionsimulationtablethatcansimulatevarioustypesofmotiondefinedbyinputwavetimehistoriesaroundapre-definedstaticposition.TheproposeddataprocessingtechniquesareappliedtotherecordedGPSandaccelerometerdatatofindbothstaticanddynamicdisplacements.Theseresultsarecomparedwiththeactualdisplacementmotionsgeneratedbythemotionsimulationtable.Thecomparativeresultsdemonstratethattheproposedtechniquecansignificantlyenhancethemeasurementaccuracyofthetotaldisplacementofastructure.
Keywords：
GPSstructuraldeformationmonitoring・Accelerometer・Integrateddataprocessing・Staticanddynamicdisplacements・Empiricalmodedecomposition（EMD）・Adaptivefilter
1Introduction
Structuraldisplacementisakeyparametertoassesstheintegrityandsafetyofalargecivilengineeringstructure,suchasatallbuildingoralongcable-supportedbridge,underwinds.Wind-inducedresponsesofsuchalargestructurearemainlymonitoredbyaccelerometers,anddynamicdisplacementresponsesarethenobtainedoftenthroughadoubleintegrationofthemeasuredaccelerationresponses.Anaccelerometerisabletoextractaccelerationresponsesofastructurewithnaturalfrequencyupto1,000Hzbecauseofthehighsamplingfrequency（Robertsetal.2004）.
However,anaccelerometerisinsensitivetolowfrequencyaccelerationchanges.Thevelocityanddisplacementintegratedfromtheuncompensatedaccelerationsignalswilldriftovertimeduetounknownintegrationconstants,andahigh-passfiltershouldbeusedtocopewithlow-frequencydriftintroducedduringtheintegrationprocess.Itisthereforerecognizedthatanaccelerometerisincapableofmeasuringstaticandlow-frequencydynamicdisplacementresponsesofastructure.
GlobalPositioningSystem（GPS）isnowactivelyappliedtomeasurestaticanddynamicdisplacementresponsesofalargecivilengineeringstructureunderwindsduetoitsglobalcoverageandcontinuousoperationunderallmeteorologicalconditions.However,theaccuracyofGPSfordisplacementmeasurementdependsonmanyfactorssuchassatellitecoverage,atmosphericeffects,multipath,andtheGPSdataprocessingmethod.TheNyquistfrequencyofamoderndual-frequencyGPSreceiverof20Hzsamplingrateis10Hz,whichisgoodenoughtodetectnaturalfrequenciesofacivilengineeringstructure.
However,whenconcerningstructuraldynamicdisplacementmonitoring,theaccuracyofquantizationofthestructuraldynamicdisplacementisimportant.Thisrequiresthesamplingratetobemuchhigherthanthefrequencycomponentsofinterestinthecontinuoussignalofstructuraldeformation.Forinstance,whenconsideringa10cyclespersecondsinusoidalwavebeingsampledat20samplespersecond,only2samplescanbeobtainedforeachsinewavecycle,whichisdefinitely
notenoughtoreconstructthissinewave.
InordertoassessthebestperformanceofGPS（LeicaGX1230GPSreceiver）indynamicdisplacementmeasurements,calibrationtestsusingamotionsimulationtablewerecarriedoutinanopenareainHongKong（Chanetal.2005）.TheresultsshowedthattheGPScouldmeasuredynamicdisplacementsproperlyifthemotionfrequencywas≤1Hz.Thisresultmaychangeslightlyifthemeasurementsiteischanged.
Clearly,themeasurementperformanceofGPSiscomplementarytothatofanaccelerometer.ThispaperthusexploresthepossibilityofintegratingGPS-measuredsignalswithaccelerometer-measuredsignalstoenhancethemeasurementaccuracyoftotal（staticplusdynamic）displacementresponseoflargecivilengineeringstructures.TheconceptofintegratingsignalsfromGPSandaccelerometerforstructuraldeformationmonitoringwaspresentedbyRobertsetal.（2004）.andLietal.（2005）.
IntheintegrationalgorithmsproposedbyRobertsetal.（2004）,themeasurementsignalsfromanaccelerometerwerefilteredbyaconventionalfiltertoremovehigh-frequencynoise,andthemeasurementsignalsfromaGPSwerefilteredusinganadaptivefiltertoreducemultipath.Thesingleintegrationofaccelerationsignalsfromtheaccelerometerwasthenperformedtofindvelocitysignals.ThevelocitysignalsfromtheaccelerometerwereresetusingthevelocityconstantcalculatedfromtheGPSdata.Thesecalibratedvelocitysignalswereintegratedtoobtaindisplacementsignals,andthedisplacementsignalswerefinallyresetwiththeGPScoordinatestoobtaintheactualdisplacementofastructure.Theirresultsrevealedthat,withtheproposedintegrationscheme,millimeter-accuratepositioningcouldbemaintainedwithinseveraltensofseconds.Thedisplacementobtainedbytheearliermethodwasactuallydynamicdisplacementonly.Lietal.（2005）furtherisolatedthestaticandquasi-staticdisplacementcomponentsfromtheGPSdataandaddedthemtothedynamicdisplacementtoobtainthetotaldisplacementofastructureunderwinds.
Largecivilengineeringstructuresaretypicallyveryslenderandaccordinglytheirlow-frequencyresponsestowindsareverydifficulttoaccuratelymeasurewithaccelerometers.Furthermore,besideswind-induceddynamicdisplacement,wind-inducedstaticdisplacementofastructuremeasuredbyGPSislikelytobecontaminatedbymultipath.Hence,itisdifficulttoapplytheexistingintegrationschemetothetotaldisplacementresponseoflargecivilengineeringstructures.
Inthisregard,thispaperpresentsdifferentintegratedGPS/accelerometerdataprocessingtechniques,basedontheempiricalmodedecomposition（EMD）andanadaptivefil
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