CN102538742B - 卫星定位与加速度计紧集成变形测量及预警系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种卫星定位与加速度计紧集成变形测量及预警系统与方法，该系统包括加速度计模块，GPS接收机模块，控制板模块，上位机和远程终端。加速度计模块用于输出测站的加速度信息，GPS接收机模块用于输出测站的测量信息、卫星星历和卫星健康状态，控制板用于为GPS_OEM板和加速度计模块供电及用于上述加速度计模块和GPS接收机模块输出的数字信号的时间同步，上位机用于控制系统工作状态并接收控制板输出的已同步的数字信号，通过卡尔曼滤波计算进行数据融合，并采用累积和算法进行预警，实时显示相关信息并进行传输，远程终端模块用于接收上位机传输的数据和警告信息。用于矿区井筒、高层建筑物等各类动态变形的监测及预警，并能保证预警的完备性。

Description

卫星定位与加速度计紧集成变形测量及预警系统与方法

技术领域

本发明属于工程变形监测及预警系统与方法，具体涉及一种卫星定位与加速度计紧集成变形测量及预警系统与方法。

背景技术

    全球定位系统（Global Positioning System–GPS）是20世纪70年代由美国陆海空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统，GPS系统通过接收分布在空中的24颗导航卫星发送的无线信号进行定位，具有全球性，全能性（陆地、海洋、航空和航天）、全天候性等优点，可为用户提供精确的导航定位、定时、测速信息，用户可以在全球范围内实现全天候、连续、实时的三维导航定位和测速。另外，利用该系统，用户还能够进行高精度的时间传递和高精度的精密定位。但GPS工作性能受环境条件、无线电干扰的影响，会对定位精度产生影响，而且GPS的单点定位精度不高，尤其是高程方向，并且GPS接收机的采样频率不够高，在加上多路径等误差的影响，在需要较高精度的变形监测，尤其是实时动态变形监测时有一定的不足,仅靠GPS系统很难获得较高精度定位精度。

加速度计是一种能够监测物体加速度的元件，能够检测常规结构的高频振动，它能够输出与加速度成正比的模拟电压信号，不仅可测量静态加速度，还可以测量动态加速度，不受环境、无线电干扰的影响，它具有低功耗、高频率的特点。但加速度计输出的数据没有时间标记，将其用于变形监测时，通过积分可以得出监测区域的相对变形情况，但随着时间累积，监测点的位置信息的误差随之累积，当建筑物及变形区域偏移速度较慢时，加速度计很难准确的得出结构的整体振动。

发明内容

     本发明的目的是要提供一种卫星定位与加速度计紧集成变形测量及预警系统与方法，解决单点GPS定位、尤其是高程方向定位精度差及加速度计积分得到的变形监测数据随时间延续不断增大的问题。

本发明的技术方案是：该预警系统包括加速度计模块，GPS接收机模块，控制板模块，上位机模块及远程终端模块，其中：加速度计模块的输出端与控制板模块相连，GPS接收机模块的输出端与控制板模块相连，控制板模块的输出端与上位机模块相连，上位机模块的输出信息通过Internet或LAN同步传输到远程终端模块。

所述的加速度计模块包括：加速度计测量单元、转换电路和A/D转换模块，加速度计测量单元、转换电路和A/D转换模块顺序连接，A/D转换模块的输出端与控制板模块连接；

所述的GPS接收机模块包括：双频GPE_OEM板和GPS天线，GPS天线与双频GPE_OEM板连接，双频GPE_OEM板与控制模块连接；

所述的控制板模块包括：电源模块和数据时间同步模块，电源模块和数据时间同步模块连接，所述的数据时间同步模块用于加速度计模块和GPS接收机模块输出的数字信号的时刻配准；

所述的加速度计模块包括加速度计测量单元和数字电路；加速度计模块用于输出测站的加速度信息，加速度计模块的测量单元为三轴正交的加速度计，数字电路包括转换电路和A/D转换模块，所述转换电路用于将加速度计输出的信号传送到A/D转换模块，所述A/D转换模块用于将加速度计的信号转换为数字信息；

所述的GPS接收机模块由双频GPS_OEM板和GPS天线组成，GPS接收机模块用于并输出测站的测量信息、卫星星历数据和卫星健康状态数据；

所述的控制板模块，为GPS_OEM板和加速度计模块供电以及用于加速度计模块和GPS接收机模块输出的数字信号的时间同步；

所述上位机模块，控制系统工作状态并接收控制板模块输出的已同步的GPS和加速度信号，通过卡尔曼滤波计算进行数据融合，并采用累积和算法进行预警，实时显示相关信息并进行传输；

所述远程终端模块，接收上位机传输的数据和警告信息；

具体的方法步骤为：

       A、控制板模块上电后，系统首先进行自检，并开始初始化；

B、系统正常后，加速度计模块中的加速度计测量单元开始感知测站的加速度，并通过转换电路和A/D转换模块转换成数字信息，同时将其传输给控制板模块；

C、与b同时，GPS接收模块开始工作，GPS接收天线接收GPS信号，通过双频GPS_OEM板实时处理，可以得到测站的定位信息及相关星历数据和卫星状态信息，同时将得到的测站位置信息传输给控制板模块；

D、控制板模块同步接收来自加速度计模块的加速度信息和来自GPS模块的位置信息，通过时间同步模块得到同一时间标记的加速度信息和位置信息，并传输给上位机模块；

E、上位机模块接收来自控制板模块的数据，通过卡尔曼滤波器计算进行数据融合，获取较高精度的位置变化信息，并将位置信息和加速度信息作为输入，采用累积和算法进行预警，同步显示相关数据和图形信息，同时将相关数据和必要的警告信息传给远程终端；

F、远程终端接收来自上位机的信息，并根据实际情况做出决策。

有益效果，由于采用了上述方案，卫星定位与加速度计紧集成变形测量及预警系统与方法是通过将GPS数据和加速度数据进行融合，通过卡尔曼滤波计算，得到高精度的变形监测数据，并利用累积和算法对得到的数据进行分析，进而建立实时预警系统；增加了系统的可靠性和效率，卫星定位与加速度计紧集成变形测量及预警系统与方法在变形监测上的应用有较强的实际意义，提高了精度、降低了成本，能够全天时、全天候、实时动态、变形监测。

加速度计模块用于输出测站的加速度信息，获取结构的振动特性，GPS接收机模块用于输出测站的测量信息、卫星星历和卫星健康状态，控制板模块为GPS_OEM板和单片机供电以及用于加速度计模块和GPS接收机模块输出的数字信号的时间同步，上位机模块控制系统工作状态并接收控制板输出的已同步的GPS和加速度信号，通过卡尔曼滤波计算进行数据融合，并采用累积和算法进行变形预警，可以实时显示信息，远程终端能够接收来自上位机的数据和警告信息。

所述加速度计测量单元是一个三轴正交安装的加速度计，能够监测到结构及变形区域的振动情况，它是用于测量系统的加速度变化信息。所述数字电路单元包括转换电路和A/D转换模块，所述转换电路用于将加速度计测量单元输出信号放大滤波并传送到A/D转换模块，A/D转换模块用于将转换电路传出的信号转换为数字信息。

所述GPS接收机模块包括双频GPS_OEM板和GPS接收天线。

所述的控制板模块包含电源模块和数据同步模块，电源模块用于为单片机和GPS_OEM板供电，数据同步模块用于将GPS数据和加速度计数据的时间同步，并输出带同一时间标记的数据。

所述上位机模块用于处理控制板模块输出的同步数据，通过卡尔曼滤波计算得到精确的位置变化信息，再通过累积和算法进行预警并显示输出，并可通过网络同步传输相关信息。

所述远程终端模块，用于接收上位机传输的数据和警告信息。

解决了单点GPS定位、尤其是高程方向定位精度差及加速度计积分得到的变形监测数据随时间延续不断增大的问题，达到本发明的目的。

    优点：

1、卫星定位与加速度计紧集成变形测量及预警系统与方法将GPS定位技术与加速度计的功能紧密结合，利用GPS快速定位、全天时、全天候的特点与加速度计采集的高频、高精度的加速度数据的特点，利用现代单片机技术，将GPS数据和加速度计数据进行时间同步，并通过卡尔曼滤波计算得到高精度的变形监测数据，并以此通过累积和算法对获得的数据进行处理进而进行变形预警，并利用现代通信技术进行数据传输，实现远程实时监控。

2、卫星定位与加速度计紧集成变形测量及预警系统可以很方便的安置在任何建筑或地点，能够快速获取及更新数据，受环境条件影响小，只需可见天空即可。

3、卫星定位与加速度计紧集成变形测量及预警系统可以同自动全站仪、倾斜传感器、测斜仪等整合使用，以适应不同精度或监测要求。

4、卫星定位与加速度计紧集成变形测量及预警系统使用低成本、中等精度的硬件，组合成具有较高精度的测量系统，能够在建筑物、桥梁、大坝、矿山等领域的变形监测中得以应用。

5、能够应用在滑坡或倾斜等地形复杂区域，而常规手段很难到达，也很难维护、只能提供不定期观测。

6、提供移动向量的决定性信息，能提供连续数据，具有较强的实时性、数据处理能力和通讯能力。

7、实时动态处理结果以简单的图形人机交互形式表达，免去费时低效的人工数据处理。

8、提供低成本高效率监测的同时还可以为其他监测手段提供多余观测量。

用于矿区井筒、高层建筑物、桥梁等各类动态变形安全的监测及预警，并能保证预警的完备性、系统优化，具有广泛的实用性。

附图说明

图1为本发明的卫星定位与加速度计紧集成变形测量及预警系统的结构示意图。

图2为本发明的控制板模块GPS数据和加速度计数据时间同步原理图。

图3为本发明的上位机数据融合及预警示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进一步详细说明：

实施例1：该预警系统包括加速度计模块，GPS接收机模块，控制板模块，上位机模块及远程终端模块，其中：加速度计模块的输出端与控制板模块相连，GPS接收机模块的输出端与控制板模块相连，控制板模块的输出端与上位机模块相连，上位机模块的输出信息通过Internet或LAN同步传输到远程终端模块。

所述的加速度计模块为电容式硅微加速度计，包括：加速度计测量单元、转换电路和A/D转换模块，加速度计测量单元、转换电路和A/D转换模块顺序连接，A/D转换模块的输出端与控制板模块连接；

所述的GPS接收机模块包括：双频GPE_OEM板和GPS天线，GPS天线与双频GPE_OEM板连接，双频GPE_OEM板与控制模块连接；

所述的控制板模块包括：电源模块和数据时间同步模块，电源模块和数据时间同步模块连接，所述的数据时间同步模块用于加速度计模块和GPS接收机模块输出的数字信号的时刻配准；

所述的加速度计模块包括加速度计测量单元和数字电路；加速度计模块用于输出测站的加速度信息，加速度计模块的测量单元为三轴正交的加速度计，数字电路包括转换电路和A/D转换模块，所述转换电路用于将加速度计输出的信号传送到A/D转换模块，所述A/D转换模块用于将加速度计的信号转换为数字信息；

所述的GPS接收机模块由双频GPS_OEM板和GPS天线组成，GPS接收机模块用于并输出测站的测量信息、卫星星历数据和卫星健康状态数据；

所述的控制板模块，为GPS_OEM板和加速度计模块供电以及用于加速度计模块和GPS接收机模块输出的数字信号的时间同步；

所述上位机模块，控制系统工作状态并接收控制板模块输出的已同步的GPS和加速度信号，通过卡尔曼滤波计算进行数据融合，并采用累积和算法进行预警，实时显示相关信息并进行传输；

所述远程终端模块，接收上位机传输的数据和警告信息；

具体的方法步骤为：

       A、控制板模块上电后，系统首先进行自检，并开始初始化；

B、系统正常后，加速度计模块中的加速度计测量单元开始感知测站的加速度，并通过转换电路和A/D转换模块转换成数字信息，同时将其传输给控制板模块；

C、与b同时，GPS接收模块开始工作，GPS接收天线接收GPS信号，通过双频GPS_OEM板实时处理，可以得到测站的定位信息及相关星历数据和卫星状态信息，同时将得到的测站位置信息传输给控制板模块；

D、控制板模块同步接收来自加速度计模块的加速度信息和来自GPS模块的位置信息，通过时间同步模块得到同一时间标记的加速度信息和位置信息，并传输给上位机模块；

E、上位机模块接收来自控制板模块的数据，通过卡尔曼滤波器计算进行数据融合，获取较高精度的位置变化信息，并将位置信息和加速度信息作为输入，采用累积和算法进行预警，同步显示信息，同时将相关数据和必要的警告信息传给远程终端；

F、远程终端接收来自上位机的信息，并根据实际情况做出决策。

在图1中，本发明包括加速度计模块1，GPS接收机模块2，控制板模块3，上位机4以及远程终端5。

加速度计模块1包括：加速度计测量单元11，转换电路12和A/D转换模块13。所述加速度计测量单元11用于测量监测点的线性加速度；转换电路12包含差动放大，交流放大，相敏解调，低通滤波，反馈环节。差动电容的变化通过激励信号进行调制，经过放大、解调和滤波等处理后，再反馈回电容器的极板上，使电容器动极板始终处于平衡位置，反馈信号同时作为输出，输出信号表征了输入加速度的大小。A/D转换模块13用于将采样得到加速度计信号转换成数字量，作为后续处理模块的输入。

GPS接收机模块2包括GPS天线21和双频GPS_OEM板22，主要用来捕获、跟踪卫星，接收、放大、解调来自GPS卫星的信号，还原出GPS卫星发送的导航电文，并获得位置、速度、时间等数据，给GPS数据/加速度计数据时间同步模块提供1Hz的位置、时间信息。

控制板模块3包含电源模块和数据同步模块，电源模块用于为单片机和GPS_OEM板供电；在图2中，为具体时间同步原理图，数据同步模块用于将GPS数据和加速度计数据的时间同步，并输出带同一时间标记的一组数据。

上位机模块4用于接收已进行时间同步的GPS数据和加速度计数据，在图3中，为具体上位机数据融合及预警示意图，通过卡尔曼滤波计算，输出较高精度的位置数据，并通过累积和预警算法对卡尔曼滤波估计输出的数据进行处理，并发出警告信息。

远程终端5用于接收来自上位机的数据和警告信息。

整个系统具体工作过程如下：控制板模块上电后，系统首先进行自检，并开始初始化，系统正常后，加速度计模块中加速度计感知测站加速度变化并通过转换电路和A/D转换模块高频输出三个轴的加速度（                                               ，，），进入控制板模块中数据时间同步模块。同时GPS接收机模块接收GPS天线的信号，经过变频、放大、滤波、计算等一系列处理得到测站的位置（X，Y，Z），同时接收机内部时钟源生成秒脉冲信号1pps，输入到控制板模块中的数据时间同步模块。控制板模块中的时间同步模块接收加速度数据和GPS数据，当1pp信号到达时，单片机晶振触发，进行计数，并通过脉冲发出时的GPS时和寄存器中的数值给加速度脉冲信号打上时间标记，并输出GPS数据和与之相同时刻或相距最近时刻的加速度数据。同时上位机通过RS232接口接收时间同步后的GPS数据和加速度数据，将加速度计信号和GPS信号一起输入一个共同的卡尔曼滤波器，进行组合处理，这种方式无量测输入相关问题，组合紧凑，更适合实时应用。进行卡尔曼滤波处理，将GPS数据和加速度数据作为卡尔曼滤波量测方程的输入，以Ｘ方向为例，状态变量为。卡尔曼滤波基本方程见(1)式：

                        （1）

    通过卡尔曼滤波我们得到具有较高精度的位置数据和加速度数据，去除了相关噪声。同时利用得到的位置数据和加速度数据，作为随机变量，进行假设检验，如式（2）：

                   （2）

通过累积和预警算法进行处理，双边累积和的预警准则为（3）式：

                       （3）

其中为比值对数累积和概率密度，通过式（4）计算：

                             （4）

    通过双边累积和算法，以位置数据和加速度数据作为输入，得到累积和统计量分布图。其中位置数据的输入可以得到预警时刻，加速度数据输入可以看出变形变化情况。

    然后通过Internet或LAN将相关数据及警告信息传输到远程终端，实现同步输出并做出相关决策。

    以上通过实施例详细描述了本发明的GPS接收机与加速度计联合的动态变形监测装置及预警系统。

Claims (2)

1.一种卫星定位与加速度计紧集成变形测量及预警系统，其特征在于：该预警系统包括加速度计模块，GPS接收机模块，控制板模块，上位机模块及远程终端模块，其中：加速度计模块的输出端与控制板模块相连，GPS接收机模块的输出端与控制板模块相连，控制板模块的输出端与上位机模块相连，上位机模块的输出信息通过Internet或LAN同步传输到远程终端模块；

所述的加速度计模块包括：加速度计测量单元、转换电路和A/D转换模块，加速度计测量单元、转换电路和A/D转换模块顺序连接，A/D转换模块的输出端与控制板模块连接；所述加速度计测量单元用于测量监测点的线性加速度；转换电路包含差动放大，交流放大，相敏解调，低通滤波，反馈环节；差动电容的变化通过激励信号进行调制，经过放大、解调和滤波处理后，再反馈回电容器的极板上，使电容器动极板始终处于平衡位置，反馈信号同时作为输出，输出信号表征了输入加速度的大小；A/D转换模块13用于将采样得到加速度计信号转换成数字量，作为后续处理模块的输入；

所述的GPS接收机模块包括：双频GPE_OEM板和GPS天线，GPS天线与双频GPE_OEM板连接，双频GPE_OEM板与控制模块连接；GPS接收机模块用来捕获、跟踪卫星，接收、放大、解调来自GPS卫星的信号，还原出GPS卫星发送的导航电文，并获得位置、速度、时间数据，给GPS数据/加速度计数据时间同步模块提供1Hz的位置、时间信息；

所述的控制板模块包括：电源模块和数据时间同步模块，电源模块和数据时间同步模块连接，所述的数据时间同步模块用于加速度计模块和GPS接收机模块输出的数字信号的时刻配准；电源模块用于为单片机和GPS_OEM板供电；数据同步模块用于将GPS数据和加速度计数据的时间同步，并输出带同一时间标记的一组数据。

2.一种使用权利要求1所述系统的卫星定位与加速度计紧集成变形测量及预警方法，其特征在于：

所述的加速度计模块包括加速度计测量单元和数字电路；加速度计模块用于输出测站的加速度信息，加速度计模块的测量单元为三轴正交的加速度计，数字电路包括转换电路和A/D转换模块，所述转换电路用于将加速度计输出的信号传送到A/D转换模块，所述A/D转换模块用于将加速度计的信号转换为数字信息；

所述的GPS接收机模块由双频GPS_OEM板和GPS天线组成，GPS接收机模块用于并输出测站的测量信息、卫星星历数据和卫星健康状态数据；

所述的控制板模块，为GPS_OEM板和加速度计模块供电以及用于加速度计模块和GPS接收机模块输出的数字信号的时间同步；

所述上位机模块，控制系统工作状态并接收控制板模块输出的已同步的GPS和加速度信号，通过卡尔曼滤波计算进行数据融合，并采用累积和算法进行预警，实时显示相关信息并进行传输；

所述远程终端模块，接收上位机传输的数据和警告信息；

具体的方法步骤为：

A、控制板模块上电后，系统首先进行自检，并开始初始化；

B、系统正常后，加速度计模块中的加速度计测量单元开始感知测站的加速度，并通过转换电路和A/D转换模块转换成高频输出三个轴的加速度，即a_x，a_y，a_z，进入控制板模块中数据时间同步模块，同时将其传输给控制板模块；

C、与b同时，GPS接收模块开始工作，GPS接收天线接收GPS信号，通过双频GPS_OEM板实时处理，经过变频、放大、滤波、计算处理得到测站的位置(X，Y，Z)，可以得到测站的定位信息及相关星历数据和卫星状态信息，同时接收机内部时钟源生成秒脉冲信号1pps，输入到控制板模块中的数据时间同步模块，将得到的测站位置信息传输给控制板模块；

D、控制板模块中的时间同步模块同步接收来自加速度计模块的加速度信息和来自GPS模块的位置信息，当1pp信号到达时，单片机晶振触发，进行计数，并通过脉冲发出时的GPS时和寄存器中的数值给加速度脉冲信号打上时间标记，输出GPS数据和与之相同时刻或相距最近时刻的加速度数据，通过时间同步模块得到同一时间标记的加速度信息和位置信息，并传输给上位机模块；

E、上位机模块通过RS232接口接收时间同步后的GPS数据和加速度数据，接收来自控制板模块的数据，通过卡尔曼滤波器计算进行数据融合，获取较高精度的位置变化信息，并将位置信息和加速度信息作为输入，采用累积和算法进行预警，同步显示信息，同时将相关数据和必要的警告信息传给远程终端；

加速度计信号和GPS信号一起输入一个共同的卡尔曼滤波器，进行组合处理，这种方式无量测输入相关问题，组合紧凑，更适合实时应用；进行卡尔曼滤波处理，将GPS数据和加速度数据作为卡尔曼滤波量测方程的输入，以X方向为例，状态变量为X＝[x,v_X,a_X]，卡尔曼滤波基本方程见(1)式：

$\left.\begin{array}{c}{\left[\begin{array}{c}x\\ v_X\\ a_X\end{array}\right]}_k=\left[\begin{array}{ccc}1& \mathrm{\Δt}& \frac{1}{2}\mathrm{\Δ}{t}^2\\ 0& 1& \mathrm{\Δt}\\ 0& 0& 1\\ & & \end{array}\right]{\left[\begin{array}{c}x\\ v_X\\ a_X\end{array}\right]}_{k-1}+W_{k-1}\\ {\left[\begin{array}{c}x\\ a_x\end{array}\right]}_k=\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& 1\end{array}\right]{\left[\begin{array}{c}x\\ a_x\end{array}\right]}_k+V_k\end{array}\right\}---\left(1\right)$

通过卡尔曼滤波得到具有较高精度的位置数据和加速度数据，去除了相关噪声；同时利用得到的位置数据和加速度数据，作为随机变量，进行假设检验，如式(2)：

$f_j\left(y\right)=\left\{\begin{array}{cc}{f}_0\left(y\right)=f(y/H_0)=\frac{1}{\mathrm{\σ}\sqrt{2\mathrm{\π}}}\exp (-\frac{{(y-{\mathrm{\μ}}_0)}^2}{{2\mathrm{\σ}}^2})& H_0\mathrm{is\; true}\\ f_1\left(y\right)=f(y/H_1)=\frac{1}{\mathrm{\σ}\sqrt{2\mathrm{\π}}}\exp (-\frac{(y-{\mathrm{\μ}}_1)}{{2\mathrm{\σ}}^2})& H_1\mathrm{is\; true}\end{array}\right\}---\left(2\right)$

通过累积和预警算法进行处理，双边累积和的预警准则为(3)式：

$\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\&lambda;}}^{-}\left(t\right)-\underset{0\&le;i\&le;t}{\min }\left\{{\mathrm{\&lambda;}}^{-}\left(i\right)\right\}\&GreaterEqual;h^{-},& \mathrm{\&delta;\&mu;}={\mathrm{\&mu;}}_1-{\mathrm{\&mu;}}_0<0\\ {\mathrm{\&lambda;}}^{+}\left(t\right)-\underset{0\&le;i\&le;t}{\min }\left\{{\mathrm{\&lambda;}}^{+}\left(i\right)\right\}\&GreaterEqual;h^{+},& \mathrm{\&delta;\&mu;}={\mathrm{\&mu;}}_1-{\mathrm{\&mu;}}_0>0\end{array}\right.---\left(3\right)$

其中λ(t)为比值对数累积和概率密度，通过式(4)计算：

$\begin{array}{c}\mathrm{\&lambda;}\left(t\right)=\mathrm{In}\frac{f_1\left(y_1\right)}{f_0\left(y_1\right)}+\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;+\mathrm{In}\frac{f_1\left(y_t\right)}{f_0\left(y_t\right)}\\ =z_1+z_2+\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;z_t\end{array}---\left(4\right)$

通过双边累积和算法，以位置数据和加速度数据作为输入，得到累积和统计量分布图；其中位置数据的输入可以得到预警时刻，加速度数据输入可以看出变形变化情况；

F、远程终端接收来自上位机的信息，然后通过Internet或LAN将相关数据及警告信息传输到远程终端，实现同步输出并根据实际情况做出决策。