CN111220065B - 一种多模式联合的北斗变形监测数据处理系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种多模式联合的北斗变形监测数据处理系统及方法，该系统主要包括数据管理模块、数据处理模块、预测分析模块、预警模块。其中数据处理模块包括厘米精度实时解算模块和毫米高精度延时解算模块。本发明利用两种精度的解算模块同时进行解算，两个解算模块存在联系，实时解算能够为延时解算提供基线长度约束信息，提高多基线解算模块模糊度固定率；延时解算能够根据实时解算提供的形变点ID对形变信息进行检验和判断，提高实时结果的稳定性，剔除部分粗差值；延时解算一方面能够提供高精度的解算结果，另一方面能够根据实时结果调整解算模式，提高延时结果的时效性，两者相辅相成提高监测的精度和时效性。
Description
技术领域
本发明涉及北斗卫星导航技术领域，特别地，涉及一种多模式联合的北斗变形监测数据处理系统及方法。
背景技术
北斗卫星导航系统(BeiDou Navigation Satellite System，BDS)是我国自主研发的全球卫星导航系统。相比于美国的GPS导航系统，北斗导航系统卫星具有高度角高、信号强、多频段等多种优势。随着北斗卫星导航系统的逐步建立和组网，北斗在变形监测中的应用越来越广泛。
北斗变形监测的基本原理是通过利用安装在监测点北斗接收机测量接收到的相位观测值反算监测点距离卫星的距离，然后通过与基准站进行差分运算得到监测点相对基准站的坐标，将该期坐标与前期坐标做差得到监测点的形变量。根据监测原理，北斗变形监测理论上可以达到毫米级监测精度，但是由于多路径、电离层、对流层等的影响，实时rtk的监测仅能达到厘米级，毫米级的监测需要利用精密星历以及其它外部误差模型的支持，并且需要长时间的连续监测来进行后处理处理提高监测精度和稳定性。北斗变形监测主要采用的技术是差分定位技术，根据解算结果的精度和延时性监测技术又分为实时定位技术和后处理定位技术。
差分定位技术对基准站和监测站接收机接收的卫星伪距和相位数据进行站间和星间两次差分，然后对双差残差进行模糊度固定，从而得到高精度的监测结果。载波波长约为19cm，接收机对载波的识别精度约为1％，因此差分载波测量的理论精度大约为2mm。
实时定位技术简称rtk技术，主要通过网络将基准站和监测站的实时数据传输到服务器进行解算，得到监测点的三维坐标等状态信息。由于卫星轨道、接收机钟差、电离层、对流层等影响，实时rtk定位的精度仅能达到厘米级。
后处理解算是利用一段时间的北斗数据进行处理，处理过程需要采用精密星历、钟差、电离层、对流层、海潮负荷等外部数据进行误差消除，得到毫米级高精度结果。
现有变形监测数据处理方案存在以下缺点：
1、实时rtk技术的实时性高，能够实时得到被监测物相对基准站的三维坐标，但是该技术的精度只能达到厘米级，并且由于周跳、粗差的影响，结果的稳定性并不是很好，如果采用实时rtk结果进行预警会产生很多预警情况。
2、后处理解算的精度高，能够达到毫米级，但是后处理解算中采用的精密星历和钟差文件一般要延迟1-2周才能得到，并且解算时需要采用较长时间的数据累积解算，因此只能用来监测边坡长时间的监测趋势，对于短期的骤变预警并不适用。
发明内容
本发明目的在于提供一种多模式联合的北斗变形监测数据处理系统及方法，以解决监测精度不够或耗时长等技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种多模式联合的北斗变形监测数据处理系统，包括：
数据管理模块，通过tcp/ip协议接收项目现场各个接收机传回的北斗监测数据，并将数据按照站点ID、所属项目、数据接收时间、数据内容等字段将数据存储到数据库；将监测点的监测数据按项目分类传入数据处理模块；
数据处理模块，同时进行实时和延时两方面解算，解算完成后将实时结果和平差结果发送到预测分析模块；
预测分析模块，通过对实时结果进行降噪处理去除粗差，将实时结果和平差结果联合分析，得出监测点的位移情况以及判断监测点是否需要预警，判断为预警信息的发送至预警模块；
预警模块，用于对预警信息进行自动预警。
优选的，所述数据处理模块包括同时运行的厘米级精度实时解算模块和毫米级高精度延时解算模块。
本发明还提供了上述系统对应的一种多模式联合的北斗变形监测数据处理方法，包括步骤：
(1)数据接收及分发：通过tcp/ip协议接收项目现场各个接收机传回的北斗监测数据，并将数据按照站点ID、所属项目、数据接收时间、数据内容等字段将数据存储到数据库；将监测点的监测数据按项目分类进入步骤(2)；
(2)数据处理：同时进行实时和延时两方面解算，解算完成后实时结果和平差结果进入步骤(3)；实时解算中对监测点结果进行粗判断，若发现疑似形变，会将疑似形变点ID发送延时解算模块，延时解算模块会优先对历元数据进行整体平差和判断；没有形变时将基线长度约束信息发送多基线解算模块，在进行基线解算时加入基线长度约束，提高模糊度固定率；
(3)预测分析：通过对实时结果进行降噪处理去除粗差，将实时结果和平差结果联合分析，得出监测点的位移情况以及判断监测点是否需要预警，判断为预警信息则进入步骤(3)；
(4)预警处理：用于对预警信息进行自动预警。
优选的，步骤(1)中，按项目分类进入步骤(2)的具体方法是：根据数据库中站点ID和所属项目字段将最近历元的数据发送到数据处理模块的厘米精度实时解算模块，进行实时解算；另外同样根据站点ID和所属项目将滑动窗口时间段内的同一项目数据分发到毫米精度延时解算模块，进行延时解算。
步骤(2)中，所述多基线解算模块所采用的多基线解算是gnss数据处理中的一种通用算法，对多条同步观测到的基线进行同步解算，在基线解算时顾及了同步观测基线间的误差相关特性。
进一步优选的，基线长度约束的具体方法如下：
(2-1)基线长度约束方程：
基线约束信息中的监测站-基准站基线长度已知，假设基线长度为bl，bl为前期解算得到基线长度的平均值，监测站待求坐标为(x，y，z)，基准站坐标xg，yg，zg已知，则基线长度表达式为：
将上式用一阶泰勒公式展开得到：
令
Δx＝x-x0，Δy＝y-y0，Δz＝z-z0
则基线长度约束方程为：
上式中(x0，y0，z0)为监测站初始坐标；(x，y，z)为待求未知量，代表监测站三维坐标；b0为基准站初始坐标和基准站坐标求得的初始基线长度；Δx，Δy，Δz分别为监测站三维坐标的坐标增量。
(2-2)双差观测方程：
上式中λ为载波相位的波长；
为载波相位双差残差；
为监测站卫星j的载波观测值；
为监测站卫星i的载波观测值；
为基准站卫星j的载波观测值；
为基准站卫星的载波观测值；l、k、d为观测方程线性化后的系数，αN为整周模糊度的双差值，
中角标的意义与
相同，ε为观测噪声。
基准站和监测站共有k颗卫星，可以形成k-1个双差观测方程。
(2-3)将基线长度约束方程和双差观测方程融合得到附有基线长度约束的双差观测方程：
(2-4)对上式进行模糊度搜索得到附有基线长度约束的整周模糊度，双差观测方程中加入了基线长度方程，能够提高模糊度固定率。
进一步优选的，延时解算模块在判断为真实形变时将解算间隔调整为5分钟，并将形变信息发送预测分析模块结合实时结果进行整体分析、预测、预警；延时解算模块根据不等权的两次平差来判断监测点是否真正发生位移，能够有效发现粗差结果，提高实时结果的稳定性。
优选的，步骤(3)的具体方法是：预测分析模块收到位移点的解算结果后，对历史实时结果和当前实时结果融合进行小波去噪处理，然后在平差结果的约束下进行一元三次方程拟合，得到实时结果的位移曲线，并对下一历元结果进行预测；若当前结果或预测结果超过预警的阈值，则根据结果形变大小将不同预警等级信息发送预警模块。
进一步优选的，一元三次方程拟合的具体方法如下：
(3-1)假设多项式方程为：
(3-2)实时结果的偏差平方和为：
(3-3)根据R2最小原则求出多项式的系数：a0、a1、a2、a3；
(3-4)根据拟合得到的多项式计算第n+1个结果的值：yn+1＝a0+a1xn+1+a2xn+1 2+a3xn+1 3；
式中yi为第i个实时结果，xi为第i个结果的时间，n为结果总个数。
进一步优选的，具体预警等级信息参照表1。
表1预警等级表
表1中
即预测结果yn+1与
差值的绝对值，其中：
优选的，步骤(4)的具体方法是：预警模块根据预测分析模块发送的预警等级自动进行邮件、短信或现场声光预警的处理。
本发明具有以下有益效果：
本发明的系统主要包括数据管理模块、数据处理模块、预测分析模块、预警模块。其中数据处理模块包括厘米精度实时解算模块和毫米高精度延时解算模块。本发明利用两种精度的解算模块同时进行解算，两个解算模块存在联系，实时解算能够判断监测点是否发生位移，若没有发生位移则将基线长度发送到延时解算模块，为延时解算提供基线约束信息，提高多基线解算模块模糊度固定率；延时解算能够根据实时解算提供的形变点ID对形变信息进行检验和判断，提高实时结果的稳定性，剔除部分粗差值；延时解算一方面能够提供高精度的解算结果，另一方面能够根据实时结果调整解算模式，提高延时结果的时效性，两者相辅相成提高监测的精度和时效性。本发明中，实时和延时解算同时进行，主要优势在于实时解算模块能够将监测点的状态判断和基线长度信息同步输出到延时解算模块，辅助延时解算模块进行解算。
本发明的北斗变形监测数据处理系统中厘米精度的实时解算和毫米级精度延时解算同时运行，两个模块的中间结果互相辅助进行解算，提高解算效率和成功率，能够为监测项目同时提供厘米级精度和毫米级精度的监测结果，满足不同项目的需要。
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是本发明的系统组成示意图；
图2是数据处理流程图。
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：
如图1所示的一种多模式联合的北斗变形监测数据处理系统，系统主要包括数据管理模块、数据处理模块、预测分析模块、预警模块。
上述系统对应的一种多模式联合的北斗变形监测数据处理方法，具体步骤如下：
(1)数据接收及分发：数据管理模块通过tcp/ip协议接收项目现场各个接收机传回的北斗监测数据，并将数据按照站点ID、所属项目、数据接收时间、数据内容等字段将数据存储到数据库；将监测点的监测数据按项目分类传入数据处理模块。数据管理模块根据数据库中站点ID和所属项目字段将最近历元的数据发送到数据处理模块的厘米精度实时解算模块，另外同样根据站点ID和所属项目将滑动窗口时间段内(实例中取2h)的同一项目数据分发到毫米精度延时解算模块。
(2)数据处理：数据处理模块如图2所示，数据处理模块同时进行实时和延时两方面解算，解算完成后将实时结果和平差结果发送到预测分析模块。厘米精度实时解算模块收到同一项目的实时数据以后，根据站点ID和基准站标识对基准站和监测数据进行匹配，如果项目中有1个基准站和3个监测站，则形成3对基准站-监测站形式的数据对；将3个数据对分别传入单历元实时解算模块进行解算，得到监测点坐标；对3个监测点进行形变粗判断，判断准则为当前结果是否大于历史基准结果的4倍中误差，若判断无形变，则将实时结果输出，另外将无形变信息发送到多基线解算模块，多基线解算模块在模糊度解算时加入基线长度约束，提高模糊度解算成功率；若当前结果大于4倍中误差则判断该点疑似发生形变，需要将疑似性变点ID发送到毫米精度延时解算模块。
毫米精度延时解算模块首先对项目监测数据进行独立基线匹配；将匹配后的数据对进行多基线解算；正常情况下，延时解算模块每2小时对数据进行解算，若实时解算模块向延时解算模块发送疑似形变点ID，延时解算模块优先对当前历元的数据进行平差解算；在进行网平差时，首先将包含疑似形变点的基线协方差增大(本例中协方差乘以100)，即在平差时将疑似形变点的权重降低进行首次平差，得到首次平差结果以及首次平差精度指标，然后将协方差恢复正常进行二次平差，得到二次平差结果和二次平差精度指标；若第二次的精度指标明显大于第一次的精度指标，则证明形变点疑似位移为粗差导致，解算模块重新对2小时的数据整体进行解算、网平差、卡尔曼滤波，得到高精度解算结果，另外会干预实时处理模块剔除当前粗差实时结果；若两次精度指标大致相同，则疑似形变为真实形变，将延时解算的结果发送到预测分析模块进一步分析，另外将延时解算时间调整为5分钟。
(3)预测分析：预测分析模块通过对实时结果进行降噪处理去除粗差，将实时结果和平差结果联合分析，得出监测点的位移情况以及判断监测点是否需要预警。预测分析模块收到位移点的解算结果后，对历史实时结果和当前实时结果融合进行小波去噪处理，然后在平差结果的约束下进行一元三次方程拟合，得到实时结果的位移曲线，并对下一历元结果进行预测。若当前结果或预测结果超过预警的阈值，预警阈值参照表1预警等级表，则根据结果形变大小将不同等级预警信息发送预警模块。
(4)预警处理：预警模块对预测模块发出的预警信息进行自动预警，预警方式包括：邮件、短信、现场声光预警。预警模块根据预测分析模块发送的预警等级自动进行邮件、短信或现场声光预警的处理。
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 (7)
1.一种多模式联合的北斗变形监测数据处理系统，其特征在于，包括：
数据管理模块，通过tcp/ip协议接收项目现场各个接收机传回的北斗监测数据，并将数据按照站点ID、所属项目、数据接收时间、数据内容字段将数据存储到数据库；将监测点的监测数据按项目分类传入数据处理模块；
数据处理模块，同时进行实时和延时两方面解算，解算完成后将实时结果和平差结果发送到预测分析模块；所述实时解算中对监测点结果进行粗判断，若发现疑似形变，会将疑似形变点ID发送延时解算模块，延时解算模块会优先对历元数据进行整体平差和判断；当判断监测点没有发生形变时，实时解算模块将基线长度约束信息发送到延时解算模块中的多基线解算模块；
预测分析模块，通过对实时结果进行降噪处理去除粗差，将实时结果和平差结果联合分析，得出监测点的位移情况以及判断监测点是否需要预警，判断为预警信息的发送至预警模块；
预警模块，用于对预警信息进行自动预警。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述数据处理模块包括同时运行的厘米级精度实时解算模块和毫米级高精度延时解算模块。
3.权利要求1或2所述系统对应的一种多模式联合的北斗变形监测数据处理方法，其特征在于，包括步骤：
(1)数据接收及分发：通过tcp/ip协议接收项目现场各个接收机传回的北斗监测数据，并将数据按照站点ID、所属项目、数据接收时间、数据内容字段将数据存储到数据库；将监测点的监测数据按项目分类进入步骤(2)；
(2)数据处理：同时进行实时和延时两方面解算，解算完成后实时结果和平差结果进入步骤(3)；实时解算中对监测点结果进行粗判断，若发现疑似形变，会将疑似形变点ID发送延时解算模块，延时解算模块会优先对历元数据进行整体平差和判断；当判断监测点没有发生形变时，实时解算模块将基线长度约束信息发送到延时解算模块中的多基线解算模块；
(3)预测分析：通过对实时结果进行降噪处理去除粗差，将实时结果和平差结果联合分析，得出监测点的位移情况以及判断监测点是否需要预警，判断为预警信息则进入步骤(4)；
(4)预警处理：用于对预警信息进行自动预警。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，按项目分类进入步骤(2)的具体方法是：根据数据库中站点ID和所属项目字段将最近历元的数据发送到数据处理模块的厘米精度实时解算模块，进行实时解算；另外同样根据站点ID和所属项目将滑动窗口时间段内的同一项目数据分发到毫米精度延时解算模块，进行延时解算。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，延时解算模块在判断为真实形变时将解算间隔调整为5分钟，并将形变信息发送预测分析模块结合实时结果进行整体分析、预测、预警；延时解算模块根据不等权的两次平差来判断监测点是否真正发生位移。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤(3)的具体方法是：预测分析模块收到位移点的当前实时结果和平差结果后，对历史实时结果和当前实时结果融合进行小波去噪处理，然后在平差结果的约束下进行一元三次方程拟合，得到实时结果的位移曲线，获取当前结果，并对下一历元结果进行预测，获取预测结果；若当前结果或预测结果超过预警的阈值，则根据当前结果或预测结果形变大小将不同等级预警信息发送预警模块。
7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤(4)的具体方法是：预警模块根据预测分析模块发送的预警等级自动进行邮件、短信或现场声光预警的处理。
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