Μέτρηση υψίσυχνων ταλαντώσεων με GPS δειγματοληψίας 100Hz

Abstract

The possibility of the newly introduced GNSS receivers, with sampling rate up to 100Hz, for broadening the limits of application of GPS technology toward measuring the displacements of stiff (high-frequency) Civil Engineering Structures was studied in the present thesis. The new generation GPS receivers present a great challenge for various applications since they offer a sampling rate similar to the sampling rate of traditional instruments used in vibration measurement/monitoring like accelerometers and seismometers.The noise characteristics of the 100Hz GPS measurements were studied on the basis of systematic “supervised learning” experiments where instantaneous coordinate time-series from stationary receivers or receivers performing motions with known characteristics permitted to study static and dynamic noise of several types including noise due to dynamic multipath. The last phenomenon has been identified during the measurements of the response of bridges due to excitation by passing vehicles.The study of noise characteristics indicated that the correlations and noise amplitude is highly dependent on the PLL (Phase-Locked Loop) bandwidth used by the GPS receiver. The use of a 100Hz PLL bandwidth ensures uncorrelated instantaneous coordinates but at the cost of high amplitude noise (standard deviation approximately 3mm and 6-7mm along the horizontal and vertical axes respectively). The noise spectrum is characterized by a power-law with colored noise affecting low frequencies up to approximately 0.5Hz and white noise affecting higher frequencies. A methodology for the reduction of noise of the instantaneous coordinate time-series using band-pass filtering has been designed on the basis of the results of the experimental data. Application of the methodology permits the identification of millimeter level dynamic displacements similar to the ones developed during structural vibrations.The methodology was applied on the measurements of the oscillations of a timber bridge in Patras, Greece. Oscillation amplitudes around 60-70mm and a fundamental natural frequency of 0.92Hz were identified along the lateral axis of the bridge on the basis of unfiltered GPS coordinates. The first natural frequency along the vertical axis was estimated at 6.5Hz. After the de-noising of the GPS coordinates vertical oscillation amplitudes of around 3mm were successfully identified.The main result from the experimental and analytical investigation carried out in the present thesis is that the newly introduced GPS receivers with sampling rate up to 100Hz provide the opportunity of more detailed measurement of the oscillations and extraction of the dynamic characteristics of relatively flexible structures as well as the broadening of the limits of applications of GPS toward the measurement of dynamic displacements of stiff (natural frequencies >5Hz) structures.

Στην παρούσα διατριβή διερευνήθηκε για πρώτη φορά η δυνατότητα επέκτασης του ορίου εφαρμογής της γεωδαιτικής μεθόδου μέτρησης μετακινήσεων σε πλέον άκαμπτες (υψίσυχνες) κατασκευές με τη χρήση οργάνων GPS δειγματοληψίας 100Hz. Τα όργανα αυτά αποτελούν πρόκληση για διάφορους τομείς καθώς έχουν δυνατότητα δειγματοληψίας σχεδόν ίδιας τάξης μεγέθους με όργανα που χρησιμοποιούνται παραδοσιακά για την καταγραφή δυναμικών κινήσεων όπως επιταχυνσιογράφοι, σεισμόμετρα κτλ.Στην παρούσα διατριβή μελετήθηκαν τα χαρακτηριστικά του θορύβου των οργάνων GPS-100Hz μέσα από συστηματικά πειράματα “supervised learning”, όπου στατικοί δέκτες ή δέκτες κινούμενοι σε γνωστές οριζόντιες και κατακόρυφες τροχιές, επέτρεπαν να καταγραφεί και να αναλυθεί ο στατικός και δυναμικός θόρυβος διαφόρων τύπων.Η περαιτέρω μελέτη του θορύβου έδειξε ότι οι συσχετίσεις και το εύρος του επηρεάζονται σημαντικά από το εύρος συχνοτήτων του βρόχου PLL (Phase-Locked Loop bandwidth) του δέκτη GPS. Η χρήση βρόχου PLL με εύρος συχνοτήτων (bandwidth) 100Hz εξασφαλίζει ασυσχέτιστες μετρήσεις αλλά αυξάνει σημαντικά το εύρος του θορύβου (τυπική απόκλιση περίπου 3mm στους οριζόντιους άξονες και περίπου 6-7mm στον κατακόρυφο). Το φάσμα συχνοτήτων του θορύβου των χρονοσειρών συντεταγμένων GPS-100Hz χαρακτηρίζεται από μη τυχαίο (χρωματισμένο) θόρυβο στις χαμηλές συχνότητες (μέχρι περίπου 0.5Hz) και πρακτικά τυχαίο θόρυβο για τις υψηλές συχνότητες. Επιπλέον λόγω της δυνατότητας υψηλού ρυθμού δειγματοληψίας των οργάνων GPS-100Hz, έγινε δυνατό να διερευνηθεί για πρώτη φορά το φαινόμενο της δυναμικής πολυανάκλασης του δορυφορικού σήματος από κινούμενες ανακλαστικές επιφάνειες (dynamic multipath) και η επίδρασή του στις χρονοσειρές στιγμιαίων συντεταγμένων GPS. Με βάση τα συμπεράσματα της ανάλυσης των πειραματικών δεδομένων αναπτύχθηκε μεθοδολογία απομείωσης του θορύβου των χρονοσειρών στιγμιαίων μετατοπίσεων κατασκευών ενδιαφέροντος Πολιτικού Μηχανικού με βάση ψηφιακά φίλτρα ζώνης. Η μεθοδολογία αυτή επιτρέπει να εκτιμηθούν οριζόντιες και κατακόρυφες μετακινήσεις της τάξης των λίγων χιλιοστών.Η παραπάνω μεθοδολογία εφαρμόστηκε στις καταγραφές των ταλαντώσεων μίας ξύλινης πεζογέφυρας στην περιοχή της Πάτρας. Από αφιλτράριστες μετρήσεις GPS-100Hz εκτιμήθηκε εύρος εγκάρσιας ταλάντωσης της τάξης των 60-70mm και συχνότητα ταλάντωσης 0.92Hz. Στον κατακόρυφο άξονα εκτιμήθηκε συχνότητα ταλάντωσης 6.5Hz ενώ μετά την απομάκρυνση του θορύβου των μετρήσεων εκτιμήθηκε εύρος κατακόρυφης ταλάντωσης της τάξης των 3mm. Η πειραματική και αναλυτική διερεύνηση δείχνουν ότι η υψηλή δειγματοληψία που παρέχουν τα νέα όργανα GPS-100Hz προσφέρει δυνατότητα καλύτερης εκτίμησης των χαρακτηριστικών ταλάντωσης (συχνότητα/εύρος) σχετικά εύκαμπτων κατασκευών αλλά και επέκτασης των ορίων εφαρμογής του GPS σε μέτρηση δυναμικών μετακινήσεων δύσκαμπτων κατασκευών (ιδιοσυχνότητα μεγαλύτερη των 5Hz) με εύρος μέχρι λίγα χιλιοστά.