CN106297254A - 一种gnss多维位移监测系统及其远程数据处理方法 - Google Patents

Abstract

公开一种GNSS多维位移监测系统，其适用于永久无人值守的野外现场监测，功耗较小，实现一体式集成，能够无线传输，能够实现高精度现场解算。其包括监测站设备部分和基站设备部分；监测站设备部分包括：监测站GNSS天线、监测站GNSS板卡、姿态传感单元、监测站中央逻辑单元、监测站区域无线模块、监测站广域无线模块、监测站差分解算单元、监测站电源管理模块、监测站电池；基站设备部分包括：基站GNSS天线、基站GNSS板卡、基站中央逻辑单元、基站区域无线模块、基站电源管理模块、基站电池。还有远程数据处理方法。

Description

一种GNSS多维位移监测系统及其远程数据处理方法

技术领域

本发明属于安全监测的技术领域，具体地涉及一种GNSS多维位移监测系统及其远程数据处理方法。

背景技术

在工程和地质灾害防灾减灾领域，对于潜在灾害体的表面位移变化监测处于十分重要的地位，如何能够实时的获取被测点的位移信息以及如何实现快速、有效预警是目前亟待解决的重大难题。

目前，用于自动化地表位移监测的设备主要有：拉线式地表位移监测仪、激光式地表位移监测仪、时域反射法、GPS监测系统等。拉线或激光式地表位移监测仪属于相对位移监测法，实时测量两点间距离变化，具有精度高、不受天气影响、低功耗的优点，但只能测量一维方向上的位移变化；时域反射法也属于一维测量，可测量出沿线任意一点的变形，这种方法技术上实现过于复杂，技术层面尚不十分成熟，应该很少；基于卫星定位的GNSS(Global Navigation Satellite System，全球导航卫星系统)是近几年迅速发展起来的新技术，已经越来越多的在地质、工程领域开始应用。就目前的应用方式和应用效果来看，主要存在以下不足：

(1)简单集成

目前，GNSS应用于安全监测，多是采用测绘领域的传统方法，结构上，天线、接收机、无线收发、电池均为分体式组合，造成大量应用时现场安装过于繁琐，成本过高。

(2)功耗过大

功能分散的结成结构，简单集成连接，无法很好的做到对各部分的统一协调控制。另一方面，由于是测绘行业产品，均未做永久监测的定时功率控制开发，导致野外永久监测过程中对电能的要求过高，而在地质灾害领域，一般无法实现大功率供电。

(3)网络传输不匹配

基于卫星的高精度坐标解算需要大量的卫星原始数据，才能够将米级的坐标精度提高到毫米级，需要将大量的原始数据进行无线传输发送，需要在现场布设足够带宽的无线网络系统，进而进行超远程传输到数据中心进行解算，这一网络需求显示在地灾现场很难满足。

(4)解算方法不合理

如图3所示，采用了大数据流+数据中心并行解算的方法。由于常规的高精度解算算法在计算机上完成，需要将现场原始数据通过各种技术手段传输到室内计算机上进行，这种方法占用了大量的网络资源，对网络的传输速率要求很高，这种现场采集原始数据、大量数据远程传输、数据中心计算机实时解算的方式不适用于网络不佳的地灾领域。

(5)监测变形量不全面

大多数基于GNSS的监测系统只能监测三维空间里的平移变形，而无法监测三维旋转变形。

(6)没有现场预警功能

目前，主流的基于GNSS原理的安全监测系统均是采用现场-无线网络-数据中心，再由数据中心通过网络向现场回发预警信息，实效性和人为因素较多，不能应对突发事件。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种GNSS多维位移监测系统，其适用于永久无人值守的野外现场监测，功耗较小，实现一体式集成，能够无线传输，能够实现高精度现场解算。

本发明的技术解决方案是：这种GNSS多维位移监测系统，其包括监测站设备部分和基站设备部分；

监测站设备部分包括：监测站GNSS天线、监测站GNSS板卡、姿态传感单元、监测站中央逻辑单元、监测站区域无线模块、监测站广域无线模块、监测站差分解算单元、监测站电源管理模块、监测站电池；监测站GNSS天线接收实时卫星信号，监测站GNSS板卡将卫星信号解析为星历数据；监测站中央逻辑单元接收来自监测站GNSS板卡的原始星历数据；监测站中央逻辑单元接收来自姿态传感单元的方位+俯仰+横滚数据；监测站中央逻辑单元读取监测站区域网模块接收到的基站发来的改正数数据；监测站中央逻辑单元将监测站GNSS板卡的原始星历数据和基站发来的改正数数据转送至监测站差分解算单元；监测站差分解算单元完成监测站的差分坐标解算；监测站中央逻辑单元读取监测站差分解算单元的解算结果，将解算结果与本监测站识别信息打包后转发至监测站广域网模块进行远程数据发送；

基站设备部分包括：基站GNSS天线、基站GNSS板卡、基站中央逻辑单元、基站区域无线模块、基站电源管理模块、基站电池；基站GNSS天线接收实时卫星信号，基站GNSS板卡将卫星信号解析为星历数据；基站中央逻辑单元接收来自基站GNSS板卡的原始星历数据，控制基站差分解算单元完成实时改正数计算；基站中央逻辑单元读取解算出的改正数控制基站区域网模块进行区域广播发送。

还提供了这种GNSS多维位移监测系统的远程数据处理方法，该方法包括以下步骤：

(1)监测站设备发送数据包，该数据包为：监测点位识别码+设备工作状态数据+GNSS三维坐标数据+三维姿态数据+扩展通道数据+CRC校验；

(2)数据接收模块将接收到的数据包进行解析处理，并根据数据库内已有的点位和项目数据信息检索出测点名称和所属项目名称；解析出设备工作状态和各通道数据；根据内置坐标转换算法实现三维全球坐标到大地坐标系统的解算。

本发明在中央逻辑单元的控制下完成设备内部各功能模块的切换，采用现场解算，使功耗较大的广域无线模块只发送少量数据，在大部分时间处于断电关机状态，因此适用于永久无人值守的野外现场监测，功耗较小；通过将监测站GNSS天线、监测站GNSS板卡、监测站中央逻辑单元、监测站区域无线模块、监测站广域无线模块、监测站差分解算单元、监测站电源管理模块、监测站电池放在一起，将基站GNSS天线、基站GNSS板卡、基站中央逻辑单元、基站区域无线模块、基站差分解算单元、基站电源管理模块、基站电池放在一起，实现一体式集成；通过监测站区域无线模块、监测站广域无线模块、基站区域无线模块能够无线传输；通过监测站差分解算单元能够实现高精度现场解算。

附图说明

图1示出了根据本发明的GNSS多维位移监测系统的结构示意图。

图2示出了根据本发明的监测站设备部分的结构示意图。

图3示出了现有技术中监测数据的传输方式。

图4示出了根据本发明的监测数据的传输方式。

具体实施方式

如图1、2、4所示，这种GNSS多维位移监测系统，其包括监测站设备部分和基站设备部分；

监测站设备部分包括：监测站GNSS天线、监测站GNSS板卡、姿态传感单元、监测站中央逻辑单元、监测站区域无线模块、监测站广域无线模块、监测站差分解算单元、监测站电源管理模块、监测站电池；监测站GNSS天线接收实时卫星信号，监测站GNSS板卡将卫星信号解析为星历数据；监测站中央逻辑单元接收来自监测站GNSS板卡的原始星历数据；监测站中央逻辑单元接收来自姿态传感单元的方位+俯仰+横滚数据；监测站中央逻辑单元读取监测站区域网模块接收到的基站发来的改正数数据；监测站中央逻辑单元将监测站GNSS板卡的原始星历数据和基站发来的改正数数据转送至监测站差分解算单元；监测站差分解算单元完成监测站的差分坐标解算；监测站中央逻辑单元读取监测站差分解算单元的解算结果，将解算结果与本监测站识别信息打包后转发至监测站广域网模块进行远程数据发送；

基站设备部分包括：基站GNSS天线、基站GNSS板卡、基站中央逻辑单元、基站区域无线模块、基站电源管理模块、基站电池；基站GNSS天线接收实时卫星信号，基站GNSS板卡将卫星信号解析为星历数据；基站中央逻辑单元接收来自基站GNSS板卡的原始星历数据，控制基站差分解算单元完成实时改正数计算；基站中央逻辑单元读取解算出的改正数控制基站区域网模块进行区域广播发送。

图2中各个标号的零件名称如下：

立柱1，GPS测量仪2，螺钉3，避雷针组件4，天线安装座5，电柜6，太阳能电池板7，水泥台8。

本发明在中央逻辑单元的控制下完成设备内部各功能模块的切换，采用现场解算，使功耗较大的广域无线模块只发送少量数据，在大部分时间处于断电关机状态，因此适用于永久无人值守的野外现场监测，功耗较小；通过将监测站GNSS天线、监测站GNSS板卡、监测站中央逻辑单元、监测站区域无线模块、监测站广域无线模块、监测站差分解算单元、监测站电源管理模块、监测站电池放在一起，将基站GNSS天线、基站GNSS板卡、基站中央逻辑单元、基站区域无线模块、基站差分解算单元、基站电源管理模块、基站电池放在一起，实现一体式集成；通过监测站区域无线模块、监测站广域无线模块、基站区域无线模块能够无线传输；通过监测站差分解算单元能够实现高精度现场解算。

而且，采用定时启动的工作模式，在大部分时间使设备处于断电状态。差分解算关键一点是要保证基准站与监测站同时工作，定时启动的时间要统一且准确，本发明中，中央逻辑单元部分增加了带有中断功能的实时时钟模块，利用卫星时间对设备时钟进行精确校对，使每台独立的监测设备具有绝对同步的内部时钟，根据预定时间参数设置时钟模块的中断时间点，时间达到时由时钟中断来触发中央逻辑单元的电源开关，再由中央逻辑单元启动其它功能模块，实现了长时间无人值守、精准定时启动的功能，节省了电能消耗。

整个设备在中央逻辑单元控制下工作。工作模式分为实时在线和定时上线，用于永久性野外位移监测时通常使用定时上线的工作模式。

要完成高精度坐标解算，需要使用静态实时差分算法，具体过程为将一台设备安装于已知坐标点处，通过接收卫星数据解算出观测坐标，观测坐标与已知坐标存在偏差，这个偏差称之为定位误差，基站将本区域实时的定位误差发送到位移监测点处的监测设备，监测点处的设备根据实时定位误差和实时接收到的卫星定位误差进行误差消除解算，获取高精度的坐标数据，这种坐标解算方法称之为差分算法。以往的做法是：基站和监测站分别将原始卫星数据通过无线网络远程传输到数据中心，数据中心进行差分解算，因为卫星原始数据包的数据量大，这种方法要求监测设备到数据中心具有良好且足够带宽的超远程无线网络的支持。

就目前的实际情况来看，设备的安装地点(滑坡、泥石流或其它工程现场)通常达不到上述网络要求，目前，可以利用的超远程无线网络中，我国一代网络GSM覆盖范围最广，但一代网络主要实现通话和短消息，不具备传输大数据流的能力，二代GPRS网络覆盖接近一代网络，实际传输带宽可基本满足需求，但在偏远地区及山区，信号质量也很难实时保障，3G和4G网络目前只存在于中大型城市以及人员密集地区，大部分地质灾害点没有3G或4G网络。在突发重大自然灾害时，上述无线网络可能中断，使监测数据无法传输，故本发明的监测设备内部还集成有基于直接卫星通讯的北斗报文网络模块，北斗报文不依赖于地面信号基站，通讯设备直接与北斗卫星通行通讯，经由卫星完成数据转发，完成数据的点到点远程传输，北斗报文带宽很小，类似于一代手机网络GSM，可进行小数据包发送。

本发明在数据解算处理及已有网络的利用方面进行了大胆创新，将数据量传输巨大的差分解算过程在监测现场完成，通过每台设备内部集成的区域化射频网络进行基站-监测站的大数据交互，每台监测设备经由内部的差分解算模块单元进行自身高精度坐标解算，解算出的结果是简单的点位识别信息和三维坐标值，这种简单的数据包可使用设备自带的任意一种无线网络进行远程传输(GSM、GPRS、北斗报文)。极大的简化了数据远传的数据量和服务器的实时多点解算工作量，增加了设备稳定性和数据的可靠传输，也使基于GNSS的三维位移监测设备的应用范围得到最大限度的扩展。设备在中央逻辑控制器的控制下以现场最优的网络进行数据包发送，优先级为：GPRS、GSM、北斗报文，GPRS具有最为经济的实现优势，可消耗极低的流量费用实现将数据直接发送到接收服务器上的过程，GSM和北斗报文则需要接收端的接收模块硬件设备的支持，需要增加接收端硬件费用。当需要发送一组数据时，中央逻辑控制单元探测已有网络及信号质量，选择最可靠的网络进行数据发送。

GNSS天线可同时接收三个卫星系统(美国GPS、中国北斗、俄罗斯格洛纳斯)的定位及时钟信号(数据)，天线与板卡连接，GNSS板卡负责将卫星信号转换为原始定位数据输出。基于卫星的全球定位系统以同一时刻到不少于三颗卫星的实时距离作为坐标计算的必要数据，同一时刻接收到的数据越多(卫星数越多)则解算精度越高，故三系统的卫星定位系统较以往单系统定位系统具有更高的观测精度。

另外，如图2所示，所述监测站设备部分安装于一个立柱1的顶端，在中央逻辑单元内部集成有姿态传感单元，姿态传感单元为双轴倾斜传感器，双轴倾斜传感器配置来测量方位+俯仰+横滚数据。比传统的GNSS监测增加了两个角度监测(横滚和俯仰)。

另外，在中央逻辑单元内部集成有电子罗盘芯片，其配置来实时监测水平旋转角度和方位的变化。

另外，所述监测站设备部分还安装有预警信息无线广播设备，广播发送无线音频和预警信息数据，在有效区域内设置用于接收无线音频和预警信息数据并进行声光预警发布的预警接收站。

另外，所述监测站电池、基站电池均采用内置蓄电池和外放太阳能板。地质、工程领域永久自动化监测的重要特点是现场的电力供应不便，本监测设备采用内置蓄电池+外部太阳能的供电方案。电源管理模块可根据不同的电池特点进行不同充电阶段的电池充电管理，最大限度延长电池寿命、提高充电效率。

另外，所述监测站设备部分预留有数字扩展接口RS485和模块量接口(电流、电压各1路)，在进行GNSS三维位移监测同时采集多种附加连接传感器，完成监测量可扩展的综合监测功能。

另外，所述监测站GNSS天线、基站GNSS天线均为同时接收美国GPS、中国北斗、俄罗斯格洛纳斯三个卫星系统的定位及时钟信号的天线。

另外，所述监测站设备部分还包括声光预警单元，其与监测站中央逻辑单元连接；监测站在进行数据远程发送的同时将数据进行本地存储，并检索历史数据进行对比，当达到用户预设的最大位移量或最大位移速率时，在监测站中央逻辑单元的控制下打开声光预警单元，实现现场预警音频广播及预警灯光闪烁的现场预警动作。安全监测的目的之一是突发变形时进行预警信息发布，减少人员和财产损失。目前基于GNSS的监测设备均不具备现场直接预警功能，全部采用了由数据中心来处理分析监测数据，再由数据中心向现场发布的环形信息传递方式，信息环节过多，实效性差。本发明设备内部集成有声光预警驱动电路及预警算法，在保留原有预警方式(途径)同时实现了最为直接的预警方式-现场预警。

另外，所述监测站区域无线模块、基站区域无线模块均为射频433MHz模块，所述监测站广域无线模块、监测站广域无线模块均为带GSM、GPRS、北斗报文功能的无线模块。

另外，所述监测站设备部分包括监测站接口，所述基站设备部分包括基站接口。

如图4所示，本发明现场分布解算+小数据包发送的方法。提供了这种GNSS多维位移监测系统的远程数据处理方法，该方法包括以下步骤：

(1)监测站设备发送数据包，该数据包为：监测点位识别码+设备工作状态数据+GNSS三维坐标数据+三维姿态数据+扩展通道数据+CRC校验；

(2)数据接收模块将接收到的数据包进行解析处理，并根据数据库内已有的点位和项目数据信息检索出测点名称和所属项目名称；解析出设备工作状态和各通道数据；根据内置坐标转换算法实现三维全球坐标到大地坐标系统的解算。

本发明采用SQL数据库为数据存储载体，配合网络通讯技术、坐标处理技术，实现了网络数据接收、数据管理、测点管理、项目管理、数据发布等功能。

数据接收：

接收设备、接收端口管理，数据接收解析及前处理。

管理GSM短消息通讯模块和北斗报文接收模块，设备的添加、修改、删除等操作，连接接收设备。管理GPRS数据接收TCP端口。实现GNSS数据包的接收，实现远程控制监测设备工作参数修改。GNSS远程数据包的发送方式及接收处理流程如下：

监测站设备发送数据包：监测点位识别码+设备工作状态数据+GNSS三维坐标数据+扩展通道数据+CRC校验。

数据接收模块将接收到的数据进行解析处理，并根据数据库内已有的点位和项目数据信息检索出测点名称和所属项目名称；解析出设备工作状态和各通道数据；根据内置坐标转换算法实现三维全球坐标(经纬度和高程)到大地坐标系统的解算；

数据管理：

将解析出的数据按所属项目和测点分别存储到原始数据表、解析数据表、大地坐标数据表、增量数据表、全量数据表；与对应的历史数据进行比较，根据预置的预警规则发布预警信息；需要预警时，根据预警规则发布预警信息(本地声光预警、短信预警等)。

测点管理：

测点基本信息维护，包括测点的添加、修改、删除等，基本信息包括：测点识别码、测点名称、测点类型、所属项目、预警规则等。

项目管理：

项目基本信息维护，包括项目的添加、修改、删除，项目基本信息包括：项目编号、项目名称、所属区域、预警规则等。

数据发布：

本发明采用C/S与B/S相结合的架构，可实现功能丰富的服务器、客户端以及便捷的服务器、浏览器的数据发布功能。包括了用户管理、权限管理、报表汇总打印等模块。通过分布式的客户端或浏览器，配合以用户权限管理，实现远程调用服务器功能模块，设备管理、数据查看下载、报表生成打印等功能。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案的保护范围。

Claims (9)

1.一种GNSS多维位移监测系统，其特征在于：其包括监测站设备部分和基站设备部分；

监测站设备部分包括：监测站GNSS天线、监测站GNSS板卡、姿态传感单元、监测站中央逻辑单元、监测站区域无线模块、监测站广域无线模块、监测站差分解算单元、监测站电源管理模块、监测站电池；监测站GNSS天线接收实时卫星信号，监测站GNSS板卡将卫星信号解析为星历数据；监测站中央逻辑单元接收来自监测站GNSS板卡的原始星历数据；监测站中央逻辑单元接收来自姿态传感单元的方位+俯仰+横滚数据；监测站中央逻辑单元读取监测站区域网模块接收到的基站发来的改正数数据；监测站中央逻辑单元将监测站GNSS板卡的原始星历数据和基站发来的改正数数据转送至监测站差分解算单元；监测站差分解算单元完成监测站的差分坐标解算；监测站中央逻辑单元读取监测站差分解算单元的解算结果，将解算结果与本监测站识别信息打包后转发至监测站广域网模块进行远程数据发送；

基站设备部分包括：基站GNSS天线、基站GNSS板卡、基站中央逻辑单元、基站区域无线模块、基站电源管理模块、基站电池；基站GNSS天线接收实时卫星信号，基站GNSS板卡将卫星信号解析为星历数据；基站中央逻辑单元接收来自基站GNSS板卡的原始星历数据，控制基站差分解算单元完成实时改正数计算；基站中央逻辑单元读取解算出的改正数控制基站区域网模块进行区域广播发送。

2.根据权利要求1所述的GNSS多维位移监测系统，其特征在于：所述监测站设备部分安装于一个立柱的顶端，在中央逻辑单元内部集成有姿态传感单元，姿态传感单元为双轴倾斜传感器，双轴倾斜传感器配置来测量方位+俯仰+横滚数据。

3.根据权利要求2所述的GNSS多维位移监测系统，其特征在于：在中央逻辑单元内部集成有电子罗盘芯片，其配置来实时监测水平旋转角度和方位的变化。

4.根据权利要求1所述的GNSS多维位移监测系统，其特征在于：所述监测站设备部分还安装有预警信息无线广播设备，广播发送无线音频和预警信息数据，在有效区域内设置用于接收无线音频和预警信息数据并进行声光预警发布的预警接收站。

5.根据权利要求1所述的GNSS多维位移监测系统，其特征在于：所述监测站设备部分预留有数字扩展接口RS485和模块量接口，在进行GNSS三维位移监测同时采集多种附加连接传感器。

6.根据权利要求1所述的GNSS多维位移监测系统，其特征在于：所述监测站电池、基站电池均采用内置蓄电池和外放太阳能板。

7.根据权利要求1所述的GNSS多维位移监测系统，其特征在于：所述监测站GNSS天线、基站GNSS天线均为同时接收美国GPS、中国北斗、俄罗斯格洛纳斯三个卫星系统的定位及时钟信号的天线。

8.根据权利要求7所述的GNSS多维位移监测系统，其特征在于：所述监测站区域无线模块、基站区域无线模块均为射频433MHz模块，所述监测站广域无线模块、监测站广域无线模块均为带GSM、GPRS、北斗报文功能的无线模块。

9.一种根据权利要求1所述的GNSS多维位移监测系统的远程数据处理方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

(1)监测站设备发送数据包，该数据包为：监测点位识别码+设备工作状态数据+GNSS三维坐标数据+三维姿态数据+扩展通道数据+CRC校验；

(2)数据接收模块将接收到的数据包进行解析处理，并根据数据库内已有的点位和项目数据信息检索出测点名称和所属项目名称；解析出设备工作状态和各通道数据；根据内置坐标转换算法实现三维全球坐标到大地坐标系统的解算。