CN103471544B - 一种基于北斗的高精度位移形变监测应用*** - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于北斗的高精度位移形变监测应用***，包括卫星导航***、位移形变监测终端、位移形变监测中心服务站；卫星导航***包括北斗卫星导航***和GPS导航***；位移形变监测终端包括位移传感器和GPRS无线通信模块I，GPRS无线通信模块与位移传感器相连接，并将位移传感器传输过来的数据发送给位移形变监测中心服务站；位移形变监测中心服务站包括数据处理中心、数据库服务器和数据接收机；数据接收机包括GPRS无线通信模块II、GPS芯片和北斗芯片。该应用***精度高、安全可靠性高、降低了对GPS的依赖性，且不受气候的影响，可以全天候自动测量，能够实时提供定给结果（RTK），并实现各测点的时间同步。

Description

一种基于北斗的高精度位移形变监测应用***

技术领域

本发明涉及了一种大型结构或建筑的位移形变监测装置，具体涉及了一种基于北斗的高精度位移形变监测应用***。

背景技术

水利工程、大型建筑、矿山、桥梁等是国民经济的基础结构，作为国家电力、交通网络、能源供应的重要联接，在经济建设中发挥着不可忽视的作用。由于正常的以及非正常的荷载导致了许多水利工程、桥梁或者矿区、地质出现了不同程度的变形或损坏，因此，水利工程、桥梁、矿区的健康监测已经成为了水利、桥梁、矿产正常运营及管理阶段的主要任务。随着国民经济的发展，为了满足日益增加的电力、资源应用及交通运营需求，需要建设越来越多的水利设备、大型桥梁和矿产。因而，它们的安全将成为各界面临的非常重要的问题，这都对高精度的位移或形变监测提高了更新、更高的要求。

水利工程和桥梁状态的数据可以被用来检测其潜在的形变、位移及损坏以及帮助今后工程的设计。采集大量的、实时的以及精确的工程运营状态数据（如工程及桥梁的几何形状的变形，水利工程在巨大水压的形变，桥梁在变化的载荷下实时的或者接近实时的动态响应等）对于水利工程及桥梁的相关机构来说是相当有意义的。

工程、桥梁、地质等常常有两种特征的变形及位移，如由于基础沉降、工程面或桥梁的断裂以及索力的松弛等造成长期（永久）的变形或位移；另一种是由于地壳的运动、风、温度、潮汐、地震、人为以及交通等引起短期的变形或位移。长期的变形或位移是不可恢复的，而短期的变形或位移在外力消失时候是可以恢复的，而短期的变形在外力消失的时候工程、桥梁是可以恢复到施加外力以前状态的。

目前，传统的监测工具有位移传感器、加速度计、倾斜传感器、激光干涉仪、全站仪、精密水准仪等，这些方法都有一定的成效但也存在许多不足之处。例如，加速度计对于高频动态的测定较为准确然而对于工程、桥梁、地质由于温度变化等因素引起的位移以及大风影响下的大位移就无能为力；倾斜传感器必须与其他方法配合使用，这就带来了不同传感器的数据融合和时间同步的问题；激光干涉仪、全站仪和精密水准仪受气候的影响较为严重而采样率也很难达到动态测量的要求；除此之外，以下监测手段都存在着各测点之间很难做到时间同步问题，从而给后续工程、桥梁、地质的特性的分析带来困难。

近年来，虽然GPS在形变、位移监测也进行了一些研究和探索，但由于GPS的自主权掌握在美国手中，仍无法保障其安全性及有效性。在我国，随着北斗二号组网正式运行，尤其是RTK技术，其接收机的采样率已普遍达到10－20HZ，这使其应用于形变及位移监测成为可能。然而，就发明人调查，市场上还未出现有比较成熟的基于北斗的位移形变监测的产品。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种安全可靠性高、降低对国外GPS依赖性、能够高精度定位的基于北斗的位移监测应用***。该***不受气候的影响，可以全天候自动测量，能够实时提供定给结果（RTK），而且可以方便地实现各测点的时间同步。

为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种基于北斗的高精度位移形变监测应用***，包括卫星导航***、位移形变监测终端、位移形变监测中心服务站；其中：

所述的卫星导航***包括北斗卫星导航***和GPS导航***；

所述的位移形变监测终端包括位移传感器和GPRS无线通信模块I，所述的GPRS无线通信模块与位移传感器相连接，并将位移传感器传输过来的数据发送给位移形变监测中心服务站；

所述的位移形变监测中心服务站包括数据处理中心、以及分别与数据处理中心相连接的数据库服务器和数据接收机；所述的数据接收机包括GPRS无线通信模块II、GPS芯片和北斗芯片，所述GPRS无线通信模块II与位移形变监测终端的GPRS无线通信模块I进行移动数据无线传输；所述GPS芯片接收GPS导航***发出的卫星信息数据I，所述北斗芯片接收北斗卫星导航***发出的卫星信息数据II，所述的卫星数据信息I和卫星数据信息II均包括每观测历元输出伪距、载波相位观测值和卫星星历参数；所述的数据处理中心接收到GPS芯片和北斗芯片传输过来的卫星信息数据后，采用载波相位差分方程计算出整周模糊度参数，再结合位移传感器采集到的数据进行分析处理，实现高精度定位，对地质位移形变情况进行监测；数据处理中心同时将位移传感器采集到的数据、卫星数据信息I、卫星数据信息II和分析处理之后得到的结果数据传输给数据库服务器进行存储。

作为本发明的进一步补充说明，以上所述的载波相位差分方程为载波相位双差分观察方程式中，是两测站两卫星间双差整周模糊度参数，是两测站两卫星间双差载波相位，是两测站两卫星间双差星站距离，ε为测量噪声，f为信号频率，c为真空中的光速。

本发明中，在数据处理中心采用载波相位差分方程计算出整周模糊度参数的具体为：

首先设定基线两端点中的其中一个作为参考站，另一个端点作为待定站。参考站也称为固定站，其三维坐标在定位方程中作已知值出现；待定站也称为流动站，其三维坐标作为未知数出现。求解出的待定站坐标的绝对数值是相对以固定站而言的。测站用下标1表示。卫星用上标i来表示。对于测站1卫星I的载波相位观测方程：

${\mathrm{\Φ}}_1^i=N_1^i+\frac{f}{c}{\mathrm{\ρ}}_1^i+f{\mathrm{\δt}}_1+{\mathrm{f\δt}}^i+\frac{f}{c}{\mathrm{\ρ}}_{1\mathrm{trop}}^i+\frac{f}{c}{\mathrm{\ρ}}_{1\mathrm{ion}}^i+\mathrm{\ϵ}$

${\mathrm{\ρ}}_1^i=\sqrt{{(x^i-x_1)}^2+{(y^i-y_1)}^2+{(z^i-z_1)}^2}$

式中，φ为载波相位观测值，N为整周模糊度，为信号通过对流层和电离层的延迟改正；[xⁱ,yⁱ,zⁱ]为卫星I的瞬时地心坐标，可由卫星星历电文中求出；[x₁,y₁,z₁]为接收机天线的地心坐标，是未知量；ε为测量噪声。

定向差分相对定位起码要两个测站，假定在1、2两个测站上分别安置接收机进行同时观测，则两载波相位观测方程分别为：

${\mathrm{\Φ}}_1^i=N_1^i+\frac{f}{c}{\mathrm{\ρ}}_2^i+f{\mathrm{\δt}}_1+{\mathrm{f\δt}}^i+\frac{f}{c}{\mathrm{\ρ}}_{1\mathrm{trop}}^i+\frac{f}{c}{\mathrm{\ρ}}_{1\mathrm{ion}}^i+\mathrm{\ϵ}$

${\mathrm{\Φ}}_2^i=N_2^i+\frac{f}{c}{\mathrm{\ρ}}_2^i+f{\mathrm{\δt}}_2+{\mathrm{f\δt}}^i+\frac{f}{c}{\mathrm{\ρ}}_{2\mathrm{trop}}^i+\frac{f}{c}{\mathrm{\ρ}}_{2\mathrm{ion}}^i+\mathrm{\ϵ}$

式中，上标为卫星号，下标为测站号。对于基线相对定位，为了消去我们不关心的未知参数。我们对上面两式作差分运算：

${\mathrm{\Δ\Φ}}_{12}^i={\mathrm{\ΔN}}_{12}^i+\frac{f}{c}\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ρ}}_{12}^i+f{\mathrm{\Δ\δt}}_{12}+\frac{f}{c}\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ρ}}_{12\mathrm{trop}}^i+\frac{f}{c}\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ρ}}_{12\mathrm{ion}}^i+\mathrm{\Δ\ϵ}$

式中为两接收机观测同一颗卫星i的载波相位观测值的差值：

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\Φ}}_{12}^i={\mathrm{\Φ}}_1^i-{\mathrm{\Φ}}_2^i$

两接收机观测同一颗卫星i的相位整周模糊度的差值：

$\mathrm{\Δ}{N}_{12}^i=N_1^i-N_2^i$

两接收机对同一颗卫星i的距离的差值：

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ρ}}_{12}^i={\mathrm{\ρ}}_1^i-{\mathrm{\ρ}}_2^i$

两个接收机的钟差的差值：

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\δt}}_{12}^i={\mathrm{\δt}}_1^i-{\mathrm{\δt}}_2^i$

两接收机对同一颗卫星i的对流层时延的差值：

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ρ}}_{12\mathrm{trop}}^i={\mathrm{\ρ}}_{1\mathrm{trop}}^i-{\mathrm{\ρ}}_{2\mathrm{trop}}^i$

两接收机对同一颗卫星i的电离层时延的差值：

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ρ}}_{12\mathrm{ion}}^i={\mathrm{\ρ}}_{1\mathrm{ion}}^i-{\mathrm{\ρ}}_{2\mathrm{ion}}^i$

对于远在36000km外的卫星而言，如果两测站相距不远，卫星信号到达两测站所通过的路径基本相同。这就是说，同一卫星信号到达两接收机的电离层和对流层延迟是基本相同的。相对基线测量中，将两个测站同一时刻的观测量相减，就可以大部分消除掉电离层和对流层延迟带来的误差，同时在差分方程中卫星钟差也消除了。由于轨道精度不高带来的误差也大大消弱。

在单差观测方程中，除了3个坐标分量外，如果观测到n个卫星就有n个载波相位整周模糊度未知数。整周模糊度以差分形式出现。但个数并没有增加。还有一个接收机钟差未知数也以差分形式出现。

接收机所采用的时钟为一般的晶体振荡器，在单差分观测方程中接收机钟差以差分形式出现。每个观测历元钟差必须引入一个未知数来估计。为了在数据处理中把接收机钟差消除掉。为此，将同一时刻观测的两颗不同卫星i,j的单差方程式求差，得到双差观测方程。

对卫星i的单差方程：

${\mathrm{\Δ\Φ}}_{12}^i={\mathrm{\ΔN}}_{12}^i+\frac{f}{c}\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ρ}}_{12}^i+f{\mathrm{\Δ\δt}}_{12}+\frac{f}{c}\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ρ}}_{12\mathrm{trop}}^i+\frac{f}{c}\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ρ}}_{12\mathrm{ion}}^i+\mathrm{\Δ\ϵ}$

对卫星j的单差方程：

${\mathrm{\Δ\Φ}}_{12}^j={\mathrm{\ΔN}}_{12}^j+\frac{f}{c}\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ρ}}_{12}^j+f{\mathrm{\Δ\δt}}_{12}+\frac{f}{c}\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ρ}}_{12\mathrm{trop}}^j+\frac{f}{c}\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ρ}}_{12\mathrm{ion}}^j+\mathrm{\Δ\ϵ}$

上面两式作差分运算，对卫星i，j的双差方程：

$\▿{\mathrm{\Δ\Φ}}_{12}^{\mathrm{ij}}={\▿\mathrm{\ΔN}}_{12}^{\mathrm{ij}}+\frac{f}{c}\▿\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ρ}}_{12}^{\mathrm{ij}}+\frac{f}{c}\▿\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ρ}}_{12\mathrm{trop}}^{\mathrm{ij}}+\frac{f}{c}\▿\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ρ}}_{12\mathrm{ion}}^{\mathrm{ij}}+\mathrm{\Δ\ϵ}$

式中两测站两卫星间双差载波相位：

$\▿\mathrm{\Δ}{\mathrm{\Φ}}_{12}^{\mathrm{ij}}={\mathrm{\Δ\Φ}}_{12}^i-{\mathrm{\Δ\Φ}}_{12}^j$

两测站两卫星间双差整周模糊度:

$\▿\mathrm{\Δ}{N}_{12}^{\mathrm{ij}}={\mathrm{\ΔN}}_{12}^i-{\mathrm{\ΔN}}_{12}^j$

两测站两卫星间双差星站距离:

$\▿\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ρ}}_{12}^{\mathrm{ij}}={\mathrm{\Δ\ρ}}_{12}^i-{\mathrm{\Δ\ρ}}_{12}^j$

两测站两卫星间双差对流层时延:

$\▿\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ρ}}_{12\mathrm{trop}}^{\mathrm{ij}}={\mathrm{\Δ\ρ}}_{12\mathrm{trop}}^i-{\mathrm{\Δ\ρ}}_{12\mathrm{trop}}^j$

两测站两卫星间双差对流层时延:

$\▿\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ρ}}_{12\mathrm{ion}}^{\mathrm{ij}}={\mathrm{\Δ\ρ}}_{12\mathrm{ion}}^i-{\mathrm{\Δ\ρ}}_{12\mathrm{ion}}^j$

双差方程在单差方程的基础上，两个不同卫星之间再作差分运算。一般我们选择卫星高度角最高的卫星作为基准星，其他卫星同基准星之间作差分运算。在载波相位双差观测方程中，接收机钟差项由于在不同卫星之间求差被消去了。未知数除了3个坐标分量外，还有载波相位整周模糊度，整周模糊度以双差分形式出现。如果观测到t+1个卫星，双差分整周模糊度未知数只有t个。

从上面差分方程分析来看，如果依靠目前三个北斗一代卫星，仅仅得到两个双差方程，在整周模糊度不知道的情况下，无法解算三个坐标未知数，如果已知整周模糊度，还要已知基线距离，才能确定两个基线方向角未知数。如果北斗和GPS卫星组合起来，组合卫星数目有可能大于8颗卫星，通过长时间观测，得到足够多的观测方程，可以把整周模糊度未知数确定下来。

本发明的优点：

1.精度高、安全可靠性高、降低了对GPS的依赖性。本发明采用了具有自主知识产权的北斗卫星导航***，不受国外卫星导航***的限制，能够进行持续有效的建筑健康检查，尤其是在恶劣自然环境及政治环境下，不会造成监测的中断；而由于采用载波相位差分方程计算出整周模糊度参数，为了进一步提高定位精度，本发明还结合使用了GPS。

2.功能更加全面；在遇到紧急情况时，北斗卫星导航***可以以短报文形式将相关信息发送给数据处理中心指定的指挥控制终端，以便相关人员能够及时有效地进行指挥决策，从而避免重大灾害造成的人员伤亡等破坏。

附图说明

图1是本发明应用***的结构框架图。

图2是本发明中位移形变监测中心服务站的结构框架图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明。

实施例：

如附图1、2所示，一种基于北斗的高精度位移形变监测应用***，包括卫星导航***、位移形变监测终端、位移形变监测中心服务站；其中，

所述的卫星导航***包括北斗卫星导航***和GPS导航***；

所述的位移形变监测终端包括位移传感器和GPRS无线通信模块I，所述的GPRS无线通信模块与位移传感器相连接，并将位移传感器传输过来的数据发送给位移形变监测中心服务站；

所述的位移形变监测中心服务站包括数据处理中心、以及分别与数据处理中心相连接的数据库服务器和数据接收机；所述的数据接收机包括GPRS无线通信模块II、GPS芯片和北斗芯片，所述GPRS无线通信模块II与位移形变监测终端的GPRS无线通信模块I进行移动数据无线传输；所述GPS芯片接收GPS导航***发出的卫星信息数据I，所述北斗芯片接收北斗卫星导航***发出的卫星信息数据II，所述的卫星数据信息I和卫星数据信息II均包括每观测历元输出伪距、载波相位观测值和卫星星历参数；所述的数据处理中心接收到GPS芯片和北斗芯片传输过来的卫星信息数据后，采用载波相位差分方程计算出整周模糊度参数，再结合位移传感器采集到的数据进行分析处理，实现高精度定位，对地质位移形变情况进行监测；数据处理中心同时将位移传感器采集到的数据、卫星数据信息I、卫星数据信息II和分析处理之后得到的结果数据传输给数据库服务器进行存储。

上述载波相位差分方程为载波相位双差分观察方程式中，是两测站两卫星间双差整周模糊度参数，是两测站两卫星间双差载波相位，是两测站两卫星间双差星站距离，ε为测量噪声，f为信号频率，c为真空中的光速。

Claims (1)

1.一种基于北斗的高精度位移形变监测应用***，包括卫星导航***、位移形变监测终端、位移形变监测中心服务站；其特征在于：

所述的卫星导航***包括北斗卫星导航***和GPS导航***；

所述的位移形变监测终端包括位移传感器和GPRS无线通信模块I，所述的GPRS无线通信模块与位移传感器相连接，并将位移传感器传输过来的数据发送给位移形变监测中心服务站；

所述的位移形变监测中心服务站包括数据处理中心、以及分别与数据处理中心相连接的数据库服务器和数据接收机；所述的数据接收机包括GPRS无线通信模块II、GPS芯片和北斗芯片，所述GPRS无线通信模块II与位移形变监测终端的GPRS无线通信模块I进行移动数据无线传输；所述GPS芯片接收GPS导航***发出的卫星信息数据I，所述北斗芯片接收北斗卫星导航***发出的卫星信息数据II，所述的卫星数据信息I和卫星数据信息II均包括每观测历元输出伪距、载波相位观测值和卫星星历参数；所述的数据处理中心接收到GPS芯片和北斗芯片传输过来的卫星信息数据后，采用载波相位差分方程计算出整周模糊度参数，再结合位移传感器采集到的数据进行分析处理，实现高精度定位，对地质位移形变情况进行监测；数据处理中心同时将位移传感器采集到的数据、卫星数据信息I、卫星数据信息II和分析处理之后得到的结果数据传输给数据库服务器进行存储；

所述的载波相位差分方程为载波相位双差分观察方程 $\▿{\mathrm{\Δ\Φ}}_{12}^{ij}\left(t\right)=\frac{f}{c}\▿{\mathrm{\Δ\ρ}}_{12}^{ij}\left(t\right)+\▿{\mathrm{\ΔN}}_{12}^{ij}+\mathrm{\ϵ},$ 式中，是两测站两卫星间双差整周模糊度参数，是两测站两卫星间双差载波相位，是两测站两卫星间双差星站距离，ε为测量噪声，f为信号频率，c为真空中的光速。