CN108981559A - 基于北斗地基增强系统的实时变形监测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于北斗地基增强系统的实时变形监测方法，包括设置在目标检测物周围的至少一个北斗地基增强站和至少一个变形监测站，该方法包括以下步骤：步骤1，实时获取每个变形监测站采集的原始建筑变形数据和每个北斗地基增强站采集的原始观测数据；步骤2，对所述原始建筑变形数据和所述原始观测数据进行预处理；步骤3，依次计算各个变形监测站与北斗地基增强站构成的基线向量；步骤4，根据步骤3得到的基线向量进行基线向量网平差计算，以获得每个变形监测站的坐标；步骤5，将当前历元变形监测站的坐标与上一历元的变形监测站坐标进行对比，如果形变量超过预设的阈值则告警。本发明还提供一种实时变形监测系统。

Description

基于北斗地基增强系统的实时变形监测方法及系统

技术领域

本发明涉及变形监测领域，具体的说，涉及了一种基于北斗地基增强系统的实时变形监测方法及系统。

背景技术

随着我国经济的迅猛发展，变形监测技术对保障人民生命财产安全、社会平稳发展有着重要意义，北斗地基增强系统是我国自主研制的北斗卫星导航定位系统服务体系的重要组成部分，近年来在交通、农业、渔业等各行各业得到了大力应用。基于北斗地基增强系统的实时变形监测方法不需要建设变形监测基准站，依托已有的北斗地基增强站，在保证现有GNSS实时变形监测技术的精度前提下，大幅度降低了GNSS变形监测技术的成本。

现有的GNSS实时变形监测方法有以下两种。一是新建GNSS变形监测基准站(专利CN105444726A)：在建筑结构的被测量点上安装监测基站，并在建筑结构附近的相对无沉降区设置有基准站，所述的监测基站与基准站通过无线信号发射系统将定位信号传输给终端服务系统。该方法的缺点在于：需要建设GNSS变形监测基准站，成本过高，且选取的GNSS形变监测基准站稳定性、坐标精确性不高。

二是在监测点接收增强信息进而得到形变信息(专利CN106959461A):导航接收机在监测点接收卫星电文信号及低轨卫星导航定位辅助增强系统信号或共生导航定位及变形监测定位辅助增强系统信号。该方法的缺点在于：受限于GNSS增强系统自身定位算法的局限性，变形点的实时精度不高。以网络RTK中VRS算法为例，实时点位精度仅为5cm左右，而GNSS实时变形监测精度一般在1～2cm左右。

为了解决以上存在的问题，人们一直在寻求一种理想的技术解决方案。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，从而提供了一种基于北斗地基增强系统的实时变形监测方法及系统。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种基于北斗地基增强系统的实时变形监测方法，包括设置在目标检测物周围的至少一个北斗地基增强站和至少一个变形监测站，该方法包括以下步骤：

步骤1，实时获取每个变形监测站采集的原始建筑变形数据和每个北斗地基增强站采集的原始观测数据；

步骤2，对所述原始建筑变形数据和所述原始观测数据进行预处理；

步骤3，依次计算各个变形监测站与北斗地基增强站构成的基线向量；

步骤4，根据步骤3得到的基线向量进行基线向量网平差计算，以获得每个变形监测站的坐标；

步骤5，将当前历元变形监测站的坐标与上一历元的变形监测站坐标进行对比，如果形变量超过预设的阈值则告警。

基于上述，每个变形监测站与其周围的任意三个北斗地基增强站组成基线向量。

基于上述，步骤3中基线求解的过程为：

(1)读取原始数据文件，进行卫星坐标计算；

(2)进行伪距双差定位，生成双差观测值，并利用MW组合进行周跳探测；

所述MW组合的公式为：

其中，宽巷组合观测量Φ_W＝Φ₁-Φ₂，宽巷组合的波长宽巷整周模糊度N_W＝N₁-N₂，f₁和f₂分别为两个载波频率，P₁和P₂分别为两个载波频率上的伪距观测值，Φ₁和Φ₂的单位为长度单位，Φ_W和N_W的单位为周，该组合消除了电离层延迟、卫星钟差、接收机钟差以及卫星至接收机之间的几何距离；

(3)生成共视列表文件，计算基线向量浮点解，并提取待固定的模糊度参数实数解及对应协因数阵信息；

(4)利用LAMBDA算法结合已知基线信息共同固定双差模糊度；

(5)代入固定的双差模糊度信息计算基线固定解；

(6)输出基线固定解保存固定的双差模糊度参数信息；

(7)进行基线向量质量评价及精度评价。

基于上述，基线向量网平差计算流程如下：

(1)获取先验单位权方差值和一个已知点坐标，变形监测站与其周围的任意三个北斗地基增强站的基线向量、基线向量方差协方差阵以及所有观测点的初始坐标；

(2)根据先验单位权方差值和基线向量方差协方差阵构建基线向量观测值权阵，根据已知点坐标构建三维无约束平差起算基准，根据基线向量和观测点初始坐标构建间接平差方程式；

(3)在CGCS2000坐标系下进行三维无约束平差解算，输出相邻点距离精度、相邻点距离的相对精度以及基线分量改正数，并根据基线向量改正数的大小进行基线分量改正数的校验，若校验未通过，则剔除含有粗差的基线并返回执行步骤(2)；否则执行步骤(4)；

(4)进行单位权方差估值卡方检验，若检验未通过，则调整方差协方差阵，并返回执行步骤(2)；否则继续执行步骤(5)；

(5)根据单位权方差值、调整后的基线向量方差协方差阵构建基线向量观测值权阵，根据三个已知点坐标的空间直角坐标系构建三维约束平差起算基准，根据调整后的基线向量和观测点初始坐标构建间接平差方程式；

(6)在CGCS2000坐标系下进行三维约束平差解算，并与步骤(3)中获得的无约束平差后的基线分量改正数进行比较，以进行基线分量改正数的校验，若校验未通过，则剔除含有粗差的基线并返回执行步骤(5)；否则执行步骤(7)；

(7)进行单位权方差估值卡方检验，输出基线向量、方差协方差阵和观测点点位坐标。

基于上述，由于在三维无约束平差中所采用的观测值为基线向量，因此对于每一条基线向量，其观测方程如下：

若在北斗监测网中共有n个点，共有m条基线向量，假定第m₁条基线两个端点分别为第n₁点(起点)和第n₂点(终点),则可将总的观测方程写为如下形式：

式中，

其中， 本矩阵由m×n个3×3的子块所构成，式中给出了第m₁个行块的具体内容，其中，

与此相对应的方差协方差阵和权阵分别为：

σ₀为先验的单位权中误差。

基于上述，步骤(2)中起算基准的计算方法为：

以北斗监测网中的一个点的地心坐标作为起算的位置基准，即可有一个基准方程：

式中，G由n个3×3的子阵组成，除了第k个子阵外，其余均为零矩阵。

基于上述，步骤(3)中，根据所述观测方程和基准方程，按照最小二乘原理进行平差解算，得到平差结果：

式中，N_bb＝B^TD^-1B,N_gg＝GG^T,W＝B^TD^-1L,

待定点坐标参数估值：

观测值的单位权中误差：

其中，n为组成北斗监测网的基线数，m为总点数。

基于上述，GNSS基线网平差完成后，需要进行单位权方差估值的卡方检验，检验方法如下：采用χ²检验以判断单位权方差与平差的先验单位权是否一致，若一致，则检验通过，反之检验未通过。

基于上述，步骤5中，在t_i时间观测历元，形变量Δl_ti表示如下：

若且则变形监测点当前历元形变量正常；

若且则变形监测点累积形变量超限；

若且则变形监测点当前历元形变量过大，预警；

若且则变形监测点当前历元形变量过大且累积形变量过大，预警；其中，Δl为单历元形变量阈值，ΔL为累积形变量阈值。

本发明还提供一种基于北斗地基增强系统的实时变形监测系统，其包括实时变形监测系统数据中心、北斗地基增强系统、以及设置在目标检测物周围的至少一个北斗地基增强站和至少一个变形监测站，所述实时变形监测系统数据中心分别连接所述北斗地基增强系统和所述变形监测站，所述北斗地基增强系统还连接所述北斗地基增强站，

每个变形监测站采集原始建筑变形数据上传至所述实时变形监测系统数据服务中心；每个北斗地基增强站实时采集原始观测数据并通过所述北斗地基增强系统发送至实时变形监测系统数据中心；

所述实时变形监测系统数据中心对所述原始建筑变形数据和所述原始观测数据进行预处理，依次求解各个变形监测站与北斗地基增强站构成的基线，根据获得的基线向量进行网平差进而得到变形监测站的坐标，将当前历元变形监测站的坐标与上一历元的变形监测站坐标进行对比，并在形变量超过预设的阈值时发出告警。

本发明相对现有技术具有突出的实质性特点和显著的进步，具体的说，本发明提出一种基于北斗地基增强系统的实时变形监测新方法，不需要在形变区域外的稳定区域新建GNSS变形监测基准站，只需同时接收变形监测站与所在区域的北斗地基增强站的实时观测数据，将变形监测站与所在区域的各个北斗地基增强站构成基线，并构成GNSS监测网，进而通过解基线及网平差流程，最终得到变形监测站的实时高精度坐标。该发明可以在保证现有GNSS实时变形监测的精度前提下，大幅度减少GNSS实时变形监测的成本。

附图说明

图1是本发明所述方法的流程示意图。

图2是本发明所述方法的结构及数据传输流程示意图。

图3是本发明所述方法的基线组网。

图4是本发明所述方法中的基线解算的流程示意图

图5是步骤4中GNSS网平差流程图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

如图1和图2所示，一种基于北斗地基增强系统的实时变形监测方法，包括设置在目标检测物周围的至少一个北斗地基增强站和至少一个变形监测站，该方法包括以下步骤：

步骤1，实时获取每个变形监测站采集的原始建筑变形数据和每个北斗地基增强站采集的原始观测数据；

步骤2，对所述原始建筑变形数据和所述原始观测数据进行预处理；

步骤3，依次计算各个变形监测站与北斗地基增强站构成的基线向量；

如图3所示，在某地区有北斗地基增强A、B、C、D，变形监测站E、F，每个变形监测站均可以与其周围的任意三个北斗地基增强站组成基线向量，例如针对点E，有基线向量AE、BE、DE，基线向量AB、BD、AD可作为已知值用来约束未知基线向量的解算；

针对点F，有基线向量BF、CF、DF，基线向量BD、CD、BD可作为已知值用来约束未知基线向量的解算；

步骤4，根据步骤3得到的基线向量进行基线向量网平差计算，以获得每个变形监测站的坐标；

步骤5，将当前历元变形监测站的坐标与上一历元的变形监测站坐标进行对比，如果形变量超过预设的阈值则告警。

步骤5中，在t_i时间观测历元，形变量Δl_ti表示如下：

若且则变形监测点当前历元形变量正常；

若且则变形监测点累积形变量超限；

若且则变形监测点当前历元形变量过大，预警；

若且则变形监测点当前历元形变量过大且累积形变量过大，预警；其中，Δl为单历元形变量阈值，ΔL为累积形变量阈值。

具体的，如图4所示，步骤3中基线求解的过程为：

(1)读取原始数据文件，进行卫星坐标计算；

(2)进行伪距双差定位，生成双差观测值，并利用MW组合进行周跳探测；

所述MW组合的公式为：

其中，宽巷组合观测量Φ_W＝Φ₁-Φ₂，宽巷组合的波长宽巷整周模糊度N_W＝N₁-N₂，f₁和f₂分别为两个载波频率，P₁和P₂分别为两个载波频率上的伪距观测值，Φ₁和Φ₂的单位为长度单位，Φ_W和N_W的单位为周，该组合消除了电离层延迟、卫星钟差、接收机钟差以及卫星至接收机之间的几何距离；

(3)生成共视列表文件，根据基线解算模型形成观测方程，用最小二乘法平差解算出基线向量浮点解、待固定的模糊度参数实数解及对应协因数阵信息；

(4)利用LAMBDA算法结合已知基线信息共同固定双差模糊度；

(5)将固定的双差模糊度信息代入原观测方程计算基线固定解；

(6)输出基线固定解保存固定的双差模糊度参数信息；

(7)进行基线向量质量评价及精度评价。

具体的，如图5所示，步骤4中基线向量网平差计算流程如下：

a.获取先验单位权方差值和一个已知点坐标，变形监测站与其周围的任意三个北斗地基增强站的基线向量、基线向量方差协方差阵以及所有观测点的初始坐标；

由于在三维无约束平差中所采用的观测值为基线向量，因此对于每一条基线向量，其观测方程如下：

若在北斗监测网中共有n个点，共有m条基线向量，假定第m₁条基线两个端点分别为第n₁点(起点)和第n₂点(终点),则可将总的观测方程写为如下形式：

式中，

其中， 本矩阵由m×n个3×3的子块所构成，式中给出了第m₁个行块的具体内容，其中，

与此相对应的方差协方差阵和权阵分别为：

σ₀为先验的单位权中误差。

b.根据先验单位权方差值和基线向量方差协方差阵构建基线向量观测值权阵，根据已知点坐标构建三维无约束平差起算基准，根据基线向量和观测点初始坐标构建间接平差方程式；

步骤b中基线向量观测值权阵由基线解算时得出各基线向量的方差协方差阵来确定，具体的，步骤b中起算基准的计算方法为：

以北斗监测网中的一个点的地心坐标作为起算的位置基准，即可有一个基准方程：

式中，G由n个3×3的子阵组成，除了第k个子阵外，其余均为零矩阵。

c.在CGCS2000坐标系下进行三维无约束平差解算，输出相邻点距离精度、相邻点距离的相对精度以及基线分量改正数，并根据基线向量改正数的大小进行基线分量改正数的校验，若校验未通过，则说明基线向量中含有粗差，此时剔除含有粗差的基线并返回执行步骤b；否则执行步骤d；

具体的，步骤c中，根据所述观测方程和基准方程，按照最小二乘原理进行平差解算，得到平差结果：

式中，N_bb＝B^TD^-1B,N_gg＝GG^T,W＝B^TD^-1L,

待定点坐标参数估值：

观测值的单位权中误差：

其中，n为组成北斗监测网的基线数，m为总点数。

d.进行单位权方差估值卡方检验，若检验未通过，则调整方差协方差阵，并返回执行步骤b；否则继续执行步骤e；

GNSS基线网平差完成后，需要进行单位权方差估值的卡方检验，检验方法如下：采用χ²检验以判断单位权方差与平差的先验单位权是否一致，若一致，则检验通过，反之检验未通过。

e.根据单位权方差值、调整后的基线向量方差协方差阵构建基线向量观测值权阵，根据三个已知点坐标的空间直角坐标系构建三维约束平差起算基准，根据调整后的基线向量和观测点初始坐标构建间接平差方程式；

f.在CGCS2000坐标系下进行三维约束平差解算，并与步骤c中获得的无约束平差后的基线分量改正数进行比较，以进行基线分量改正数的校验，若校验未通过，则剔除含有粗差的基线并返回执行步骤e；否则执行步骤g；

g.进行单位权方差估值卡方检验，输出基线向量、方差协方差阵和观测点点位坐标。

本发明还提供一种基于北斗地基增强系统的实时变形监测系统，其包括实时变形监测系统数据中心、北斗地基增强系统、以及设置在目标检测物周围的至少一个北斗地基增强站和至少一个变形监测站，所述实时变形监测系统数据中心分别连接所述北斗地基增强系统和所述变形监测站，所述北斗地基增强系统还连接所述北斗地基增强站，

每个变形监测站采集原始建筑变形数据上传至所述实时变形监测系统数据服务中心；每个北斗地基增强站实时采集原始观测数据并通过所述北斗地基增强系统发送至实时变形监测系统数据中心；

所述实时变形监测系统数据中心对所述原始建筑变形数据和所述原始观测数据进行预处理，依次求解各个变形监测站与北斗地基增强站构成的基线，根据获得的基线向量进行网平差进而得到变形监测站的坐标，将当前历元变形监测站的坐标与上一历元的变形监测站坐标进行对比，并在形变量超过预设的阈值时发出告警。

最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (10)

1.一种基于北斗地基增强系统的实时变形监测方法，包括设置在目标检测物周围的至少一个北斗地基增强站和至少一个变形监测站，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1，实时获取每个变形监测站采集的原始建筑变形数据和每个北斗地基增强站采集的原始观测数据；

步骤2，对所述原始建筑变形数据和所述原始观测数据进行预处理；

步骤3，依次计算各个变形监测站与北斗地基增强站构成的基线向量；

步骤4，根据步骤3得到的基线向量进行基线向量网平差计算，以获得每个变形监测站的坐标；

步骤5，将当前历元变形监测站的坐标与上一历元的变形监测站坐标进行对比，如果形变量超过预设的阈值则告警。

2.根据权利要求1所述的基于北斗地基增强系统的实时变形监测方法，其特征在于：每个变形监测站与其周围的任意三个北斗地基增强站组成基线向量。

3.根据权利要求1或2所述的基于北斗地基增强系统的实时变形监测方法，其特征在于，步骤3中基线求解的过程为：

(1)读取原始数据文件，进行卫星坐标计算；

(2)进行伪距双差定位，生成双差观测值，并利用MW组合进行周跳探测；

所述MW组合的公式为：

其中，宽巷组合观测量Φ_W＝Φ₁-Φ₂，宽巷组合的波长宽巷整周模糊度N_W＝N₁-N₂，f₁和f₂分别为两个载波频率，P₁和P₂分别为两个载波频率上的伪距观测值，Φ₁和Φ₂的单位为长度单位，Φ_W和N_W的单位为周，该组合消除了电离层延迟、卫星钟差、接收机钟差以及卫星至接收机之间的几何距离；

(3)生成共视列表文件，计算基线向量浮点解，并提取待固定的模糊度参数实数解及对应协因数阵信息；

(4)利用LAMBDA算法结合已知基线信息共同固定双差模糊度；

(5)代入固定的双差模糊度信息计算基线固定解；

(6)输出基线固定解保存固定的双差模糊度参数信息；

(7)进行基线向量质量评价及精度评价。

4.根据权利要求1或2所述的基于北斗地基增强系统的实时变形监测方法，其特征在于，步骤4中，基线向量网平差计算流程如下：

a.获取先验单位权方差值和一个已知点坐标，变形监测站与其周围的任意三个北斗地基增强站的基线向量、基线向量方差协方差阵以及所有观测点的初始坐标；

b.根据先验单位权方差值和基线向量方差协方差阵构建基线向量观测值权阵，根据已知点坐标构建三维无约束平差起算基准，根据基线向量和观测点初始坐标构建间接平差方程式；

c.在CGCS2000坐标系下进行三维无约束平差解算，输出相邻点距离精度、相邻点距离的相对精度以及基线分量改正数，并根据基线向量改正数的大小进行基线分量改正数的校验，若校验未通过，则剔除含有粗差的基线并返回执行步骤(b)；否则执行步骤(d)；

d.进行单位权方差估值卡方检验，若检验未通过，则调整方差协方差阵，并返回执行步骤(b)；否则继续执行步骤(e)；

e.根据单位权方差值、调整后的基线向量方差协方差阵构建基线向量观测值权阵，根据三个已知点坐标的空间直角坐标系构建三维约束平差起算基准，根据调整后的基线向量和观测点初始坐标构建间接平差方程式；

f.在CGCS2000坐标系下进行三维约束平差解算，并与步骤(c)中获得的无约束平差后的基线分量改正数进行比较，以进行基线分量改正数的校验，若校验未通过，则剔除含有粗差的基线并返回执行步骤(e)；否则执行步骤(g)；

g.进行单位权方差估值卡方检验，输出基线向量、方差协方差阵和观测点点位坐标。

5.根据权利要求4所述的基于北斗地基增强系统的实时变形监测方法，其特征在于，由于在三维无约束平差中所采用的观测值为基线向量，因此对于每一条基线向量，其观测方程如下：

若在北斗监测网中共有n个点，共有m条基线向量，假定第m₁条基线两个端点分别为第n₁点(起点)和第n₂点(终点),则可将总的观测方程写为如下形式：

式中，

其中，

本矩阵由m×n个3×3的子块所构成，式中给出了第m₁个行块的具体内容，其中，

与此相对应的方差协方差阵和权阵分别为：

σ₀为先验的单位权中误差。

6.根据权利要求4所述的基于北斗地基增强系统的实时变形监测方法，其特征在于，步骤(b)中起算基准的计算方法为：

以北斗监测网中的一个点的地心坐标作为起算的位置基准，即可有一个基准方程：

式中，G由n个3×3的子阵组成，除了第k个子阵外，其余均为零矩阵。

7.根据权利要求4所述的基于北斗地基增强系统的实时变形监测方法，其特征在于，步骤(c)中，根据所述观测方程和基准方程，按照最小二乘原理进行平差解算，得到平差结果：

式中，N_bb＝B^TD^-1B,N_gg＝GG^T,W＝B^TD^-1L,

待定点坐标参数估值：

观测值的单位权中误差：

其中，n为组成北斗监测网的基线数，m为总点数。

8.根据权利要求4所述的基于北斗地基增强系统的实时变形监测方法，其特征在于，GNSS基线网平差完成后，需要进行单位权方差估值的卡方检验，检验方法如下：采用χ²检验以判断单位权方差与平差的先验单位权是否一致，若一致，则检验通过，反之检验未通过。

9.根据权利要求1或2所述的基于北斗地基增强系统的实时变形监测方法，其特征在于，步骤5中，在t_i时间观测历元，形变量Δl_ti表示如下：

若且则变形监测点当前历元形变量正常；

若且则变形监测点累积形变量超限；

若且则变形监测点当前历元形变量过大，预警；

若且则变形监测点当前历元形变量过大且累积形变量过大，预警；其中，Δl为单历元形变量阈值，ΔL为累积形变量阈值。

10.一种基于北斗地基增强系统的实时变形监测系统，其特征在于：包括实时变形监测系统数据中心、北斗地基增强系统、以及设置在目标检测物周围的至少一个北斗地基增强站和至少一个变形监测站，所述实时变形监测系统数据中心分别连接所述北斗地基增强系统和所述变形监测站，所述北斗地基增强系统还连接所述北斗地基增强站，

每个变形监测站采集原始建筑变形数据上传至所述实时变形监测系统数据服务中心；每个北斗地基增强站实时采集原始观测数据并通过所述北斗地基增强系统发送至实时变形监测系统数据中心；

所述实时变形监测系统数据中心对所述原始建筑变形数据和所述原始观测数据进行预处理，依次求解各个变形监测站与北斗地基增强站构成的基线，根据获得的基线向量进行网平差进而得到变形监测站的坐标，将当前历元变形监测站的坐标与上一历元的变形监测站坐标进行对比，并在形变量超过预设的阈值时发出告警。