CN109581420A - 一种集成电子陀螺仪高精度北斗监测桩 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种集成电子陀螺仪高精度北斗监测桩。包括监测桩体、安装在监测桩体内部的DTU和GNSS接收机、固定在监测桩体顶部的GNSS测量天线以及固定在监测桩体上的光伏供电系统。DTU通过串口线与GNSS接收机的COM接口连接；GNSS测量天线通过天线连接线与GNSS接收机的ANT接口连接；光伏供电系统通过电源线分别与DTU和GNSS接收机连接，为设备提供电源。GNSS接收机的PCB主板上集成了电子陀螺仪、GNSS板卡以及MCU，用以提高北斗监测桩的定位精度和实效性。本发明中，GNSS测量天线接收到北斗导航卫星信号，信号传达给GNSS接收机的主板进行解码；GNSS接收机利用DTU接收到的卫星数据和电子陀螺仪的实时资料信息同时发送给服务器，实现对GNSS解算结果的实时辅助修正从而达到高精度监测。
Description
技术领域
本发明涉及基坑监测技术领域，具体涉及一种集成电子陀螺仪高精度北斗监测桩。
背景技术
随着人类对自然环境的开发，各种突发的地质灾害，例如山洪、泥石流等对人们的影响越来越大，一些建设于山区的道路、桥梁和隧道等，一旦由于地质灾害造成破坏，进而导致交通中断，对抢修等工作造成严重影响。因此如何对可能出现的地址灾害做好预警工作成为亟待解决的问题。现有技术中，通常通过卫星遥感技术或利用飞机航拍对地质变化进行检测，无法发现地质环境的细微变化，影响对地质环境监测的时效性。
解决现有位移沉降监测桩GNSS接收机只能通过接收卫星信号转换成相应电文格式传输给服务器解算出自己的相对位置，不能实时获取自己在该位置的准确姿态信息。
综上所述，急需一种集成电子陀螺仪高精度北斗监测桩以解决现有技术中存在的问题。
发明内容
本发明目的在于提供一种集成电子陀螺仪高精度北斗监测桩，以解决不能实时监测以及监测精度可靠性差问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种集成电子陀螺仪高精度北斗监测桩，包括监测桩体、安装在监测桩体内部的DTU和GNSS接收机、固定在监测桩体顶部的GNSS测量天线以及固定在监测桩体上的光伏供电系统。
DTU通过串口线与GNSS接收机的COM接口连接；GNSS测量天线通过天线连接线与GNSS接收机的ANT接口连接；光伏供电系统通过电源线分别与DTU和GNSS接收机连接，为设备提供电源。
GNSS接收机的PCB主板上集成了电子陀螺仪、GNSS板卡以及MCU，用以提高北斗监测桩的定位精度和实效性。
优选地，所述DTU上连接有4G天线，用以通讯。
优选地，所述GNSS板卡为OEM板卡，OEM板卡为一种GNSS高精度定位定向板卡。
优选地，所述光伏供电系统包括光伏板、光伏控制器和电池；光伏板通过三角支架固定在监测桩体上，光伏控制器通过电源线分别与光伏板、电池连接。
优选地，所述GNSS测量天线外部设置有天线罩，用以保护GNSS测量天线。
应用本发明的技术方案，具有以下有益效果：
(1)本发明一种集成电子陀螺仪高精度北斗监测桩，将高精度的电子陀螺仪、MCU(微控制单元)集成到GNSS接收机主板上，以提高解算精度。本发明结构设计简单、连接方便，MCU的嵌入，可控性强，成本低。
(2)本发明中，GNSS测量天线接收到北斗导航卫星信号，信号传达给GNSS接收机的PCB主板进行解码，与此同时GNSS接收机上的MCU(微控制单元)读取电子陀螺仪上的姿态数据与解码数据；GNSS接收机通过串口线将接收到的姿态数据与解码数据一块打包传送给DTU(数据传输单元)，DTU内置通信卡，将收到的数据通过运营商网络传送到服务器进行结算分析；GNSS接收机利用DTU接收到的卫星数据和电子陀螺仪的实时资料信息同时发送给服务器，实现对GNSS解算结果的实时辅助修正从而达到高精度监测。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是北斗监测桩结构示意图；
图2是北斗监测桩内部接线示意图；
图3是GNSS接收机示意图；
图4是GNSS接收机主板的结构示意图；
图5是GNSS接收机主板功能控制原理图；
图6是1s输出的定位结果(2mm一格)；
图7是1min输出定位结果(0.5mm一格)；
图8是15min输出定位结果(0.5mm一格)；
图9是1h输出定位结果(北向0.02mm一格)；
图10是12h输出定位结果(北向0.02mm一格)；
图11是24h输出定位结果；
图12是东向1h滤波定位结果；
图13是北向1h滤波定位结果；
图14是天向1h滤波定位结果；
其中，1、监测桩体，2、DTU，2.1、4G天线，3、GNSS接收机，3.1、电子陀螺仪，3.2、OEM板卡，3.3、串口线，4、GNSS测量天线，4.1、天线连接线，5、光伏供电系统，5.1、光伏板，5.2、光伏控制器，5.3、电池，5.4、电源线。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
实施例1：
参见图1～图4，一种集成电子陀螺仪高精度北斗监测桩，包括监测桩体1、安装在监测桩体内部的DTU2和GNSS接收机3、固定在监测桩体顶部的GNSS测量天线4以及固定在监测桩体上的光伏供电系统5；所述GNSS测量天线4外部设置有天线罩，用以保护GNSS测量天线。
DTU2通过串口线3.3与GNSS接收机3的COM接口连接；GNSS测量天线4通过天线连接线4.1与GNSS接收机3的ANT接口连接；光伏供电系统5通过电源线5.4分别与DTU2和GNSS接收机3连接，为设备提供电源；所述DTU2上连接有4G天线2.1，用以通讯。
GNSS接收机3的PCB主板上集成了电子陀螺仪3.1、GNSS板卡以及MCU，用以提高北斗监测桩的定位精度和实效性。所述GNSS板卡优选OEM板卡3.2，OEM板卡3.2为一种GNSS高精度定位定向板卡。
所述光伏供电系统5包括光伏板5.1、光伏控制器5.2和电池5.3；光伏板5.1通过三角支架固定在监测桩体1上，光伏控制器5.2通过电源线5.4分别与光伏板5.1、电池5.3连接。
所述GNSS接收机的性能技术指标如下表所示：
所述GNSS接收机的物理指标如下表所示：
| 外形尺寸 | 141mm×138.5mm×70mm(不包括天线插座) |
| 安装尺寸 | 70mm×124mm |
| 重量 | <750g |
| 工作温度 | -45℃～+65℃ |
| 存储温度 | -45℃～+85℃ |
| 湿度 | 95％无冷凝 |
参见图5，上述一种集成电子陀螺仪高精度北斗监测桩工作流程如下：
(1)GNSS测量天线接收到北斗导航卫星信号，信号传达给GNSS接收机的OEM板卡进行解码，与此同时GNSS接收机上的MCU(微控制单元)读取电子陀螺仪上的姿态数据与解码数据。
(2)GNSS接收机通过串口线将接收到的姿态数据与解码数据一块打包传送给DTU，DTU内置通信卡，将收到的数据通过运营商网络传送到服务器进行结算分析。
(3)GNSS接收机利用DTU接收到的卫星数据和电子陀螺仪的实时资料信息同时发送给服务器，实现对GNSS解算结果的实时辅助修正从而达到高精度监测。
实施例2：
本实施例是用于对北斗监测桩的定位解算时效性的检测。
测试设备及工具：两组集成电子陀螺仪高精度北斗监测桩、GNSS测量天线、三脚架测量仪。(说明：为了更好的模拟实际使用过程中基坑的形变，本实施例未将GNSS接收机、DTU等元件固定在检测桩体上，并使用电源箱代替光伏供电系统给相应设备供电。)
具体试验过程如下：
(1)两台连有DTU的GNSS接收机都放置在电源箱内，并连接电源；两个GNSS测量天线其中一个作为基准站天线，放置在检测墩上，固定不动；另一个GNSS测量天线作为流动站天线放置在三脚架测量仪上。
(2)差分数据和定位结果均通过服务器传输，静态定位测试25h+。前24h数据剔除，拷机24h后1.5h的数据纳入分析。基准站输出的差分数据，包含了原始卫星观测数据(北斗、GPS伪距、载波相位、导航电文等)和坐标信息，监测点不仅通过数据链路接收来自基准站的数据，还要采集卫星观测数据，并在系统内组成差分观测值进行实时处理，同时给出厘米级的定位结果，再加上平滑、滤波算法，初始化后可以达到毫米级的精度。
(3)不同输出定位精度分析，输出gpenu语句(gpenu语句为自定义指令，其功能位输出不同滤波的定位结构)，输出包含1s、1min、15min、1h、12h、24h平滑的数据，matlab读取后，计算每个方向的均值、标准差和峰峰值，单位为米，做了平滑和滤波算法的好处在于：取每秒的实时结果可能是厘米级，取24小时后的结果就是毫米级。输出的结果就是相对于基准站的东北天位置，如下表所示：
由上表统计数据可知：
(1)1s输出的东向标准差为1.94mm，北向标准差为2.09mm，天向标准差为6.53mm；
(2)1min输出的东向标准差为1.24mm，北向标准差为0.99mm，天向标准差为3.87mm；
(3)15min输出的东向标准差为0.74mm，北向标准差为0.59mm，天向标准差为2.07mm；
(4)1h输出的东向标准差为0.54mm，北向标准差为0.35mm，天向标准差为1.03mm；
(5)12h输出的东向标准差为0.05mm，北向标准差为0.08mm，天向标准差为0.07mm；
(6)24h输出的东向标准差为0.05mm，北向标准差为0.04mm，天向标准差为0.05mm。
每组数据定位结果，如图6～11所示。从统计数据看，滤波15min数据的东向和北向标准差均小于1mm；滤波1h数据的天向标准差均接近1mm。从图6～11中点的分布来看，时间越长，标准差越小，数据传输越平稳，离散性越小，数据接收的越及时，丢失的越少。从而证明了本发明一种集成电子陀螺仪高精度北斗监测桩提高了定位解算实效性。
实施例3：
本实施例是用于对北斗监测桩的监测精度的检测。
测试设备及工具：两组集成电子陀螺仪高精度北斗监测桩设备(一组作为基准站、另一组作为流动站)，三脚架测量仪。
说明：为了更好的模拟实际使用过程中基坑的形变，本实施例未将GNSS接收机、DTU等元件固定在检测桩体上，并使用电源箱代替光伏供电系统给相应设备供电。
具体试验过程如下：
(1)两台连有DTU的GNSS接收机都放置在电源箱内，并连接电源；两个GNSS测量天线其中一个作为基准值天线，放置在检测墩上，固定不动；另一个GNSS测量天线作为流动站天线放置在三脚架测量仪上，流动站天线可在三脚架测量仪上沿水平和高程方向进行毫米级移动。
(2)测试时间为14：00～20：00时，准备就绪后，14：15时开始通电测试，此次测试初始化时间为1h(建议12h以上)。然后在测试过程中，每隔一段时间(随机选取时间点)调整一次流动站天线的位移，模拟实际使用过程中基坑的形变。
(3)在15：15时，将流动站天线沿水平方向移动4mm。
(4)在16：15时，将流动站天线沿高程方向移动5mm。
(5)在18：58时，将流动站天线沿水平方向移动6mm。
(6)流动站的GNSS接收机会将定位结果实时传输到服务器，通过读取上传的定位结果与真实移动的参数做对比。
本次测试使用的坐标是东北天坐标，测试过程中的水平移动主要是沿北向移动，东向基本无变化，天向即高程方向，具体数据分析如下。
如图12所示，横坐标表示时间，纵坐标表示的是东向距离，且最小刻度为0.1mm，从图中可以看出，东向的位置没有太大变动，变化值在毫米内，峰峰值为1mm，即变化值在1mm内波动。
如图13所示，横坐标表示时间，纵坐标表示的是北向距离，纵坐标每小格为1mm，根据实时结算上传的定位结果得知：
(1)测试开始时北向位置有1mm左右的波动。
(2)监测到下午15：15水平移动了4mm，一个小时后趋于稳定，变化值在1mm左右。
(3)监测到16：15至18：58时间内北向位置较平稳，变化值在1mm左右。
(4)监测到18：58水平移动了6mm，一个小时后趋于稳定，变化值在1mm左右。
(5)根据实时结算的定位结果得知变化的时间和参数与真实移动的一致。
如图14所示，横坐标表示时间，纵坐标表示的是天向距离，纵坐标每小格为1mm，根据实时结算上传的定位结果分析得知：
(1)测试开始时高程位置有1mm左右的波动。
(2)检测到下午16：15高程移动了5mm，一个小时后趋于稳定，变化值在1mm左右。
(3)下午15:15至16:15高程有未知跳点，变化值约3mm。
(4)19:18高程出现2mm跳点，可能是移动水平距离时对高程造成了细微影响，不影响测量结果。
由以上分析可知：东向位置稳定，位移在1mm内波动；北向(水平方向)检测到4.5mm和4mm变动各一次；高程(高程方向)有3mm和2mm的波动各一次。测试结果误差在真值2mm的波动范围(RMS)，测试结果符合要求。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种集成电子陀螺仪高精度北斗监测桩，其特征在于，包括监测桩体(1)、安装在监测桩体内部的DTU(2)和GNSS接收机(3)、固定在监测桩体顶部的GNSS测量天线(4)以及固定在监测桩体上的光伏供电系统(5)；
DTU(2)通过串口线(3.3)与GNSS接收机(3)的COM接口连接；GNSS测量天线(4)通过天线连接线(4.1)与GNSS接收机(3)的ANT接口连接；光伏供电系统(5)通过电源线(5.4)分别与DTU(2)和GNSS接收机(3)连接，为设备提供电源；
GNSS接收机(3)的PCB主板上集成了电子陀螺仪(3.1)、GNSS板卡以及MCU，用以提高北斗监测桩的定位精度和实效性。
2.根据权利要求1所述的一种集成电子陀螺仪高精度北斗监测桩，其特征在于，所述DTU(2)上连接有4G天线(2.1)，用以通讯。
3.根据权利要求2所述的一种集成电子陀螺仪高精度北斗监测桩，其特征在于，所述GNSS板卡为OEM板卡(3.2)，OEM板卡(3.2)为一种GNSS高精度定位定向板卡。
4.根据权利要求3所述的一种集成电子陀螺仪高精度北斗监测桩，其特征在于，所述光伏供电系统(5)包括光伏板(5.1)、光伏控制器(5.2)和电池(5.3)；光伏板通过三角支架固定在监测桩体(1)上，光伏控制器(5.2)通过电源线(5.4)分别与光伏板(5.1)、电池(5.3)连接。
5.根据权利要求1～4任意一项所述的一种集成电子陀螺仪高精度北斗监测桩，其特征在于，所述GNSS测量天线(4)外部设置有天线罩，用以保护GNSS测量天线。
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