CN111595294A - 一种地基沉降监测方法、系统以及设备 - Google Patents

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周恩泽
许海林
田翔
黄勇
饶章权
鄂盛龙
魏瑞增
王彤
向谆
黄松波
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Abstract

本发明公开了一种地基沉降监测方法、系统及设备，包括：获取卫星发送至接收站的基准站信息以及该卫星的定位数据，获取接收站的土壤湿度数据，并通过对基准站信息以及卫星的定位数据计算得到载波相位观测测量值，将载波相位观测测量值与土壤湿度数相结合，从而计算得到最终载波相位观测测量值，根据最终观测测量值来判断地基是否发生沉降，本发明通过获取卫星发送至接收站的基准站信息以及该卫星的定位数据，获取土壤湿度数据，根据获取到的数据计算载波相位观测测量值从而得到了高精度的定位信息，通过精确到毫米级的载波相位观测测量值从而实现地基沉降的准确测量，解决了现有技术水准监测法无法对地基的沉降量进行准确测量的技术问题。

Description

一种地基沉降监测方法、系统以及设备
技术领域
本发明涉及地基沉降监测领域，尤其涉及一种地基沉降监测方法、系统以及设备。本申请要求2019年12月27日提交的中国专利(专利申请号为201911382571.5)的权益，在此将上述申请的全部内容引用并入本文。
背景技术
随着国家的稳健发展，电力工程也随之蓬勃发展起来，特别是西电东送的电厂建设和电网工程。然而，在施工过程中由于建筑物的沉降量不明确，导致了大量厂房开裂和工程事故。现有对建筑物的沉降量进行监测的方法是水准监测法，水准监测法是用水准仪和水准尺测定地面上两点间高差的方法。在地面两点间安置水准仪，观测竖立在两点上的水准标尺，按尺上读数推算两点间的高差。然而，水准监测法在对地基沉降量进行监测时，无法做到准确测量地基沉降量。
综上所述，现有技术中对采用水准监测法对地基的沉降量进行监测时，存在着无法准确测量基地沉降量的技术问题。
发明内容
本发明提供了一种地基沉降监测方法、系统以及设备，用于解决现有技术中对采用水准监测法对地基的沉降量进行监测时，存在着无法准确测量基地沉降量的技术问题。
本发明提供的一种地基沉降监测方法，包括以下步骤：
获取卫星发送至接收站的基准站信息以及该卫星的定位数据，获取接收站的土壤湿度数据；其中，基准站信息为基准站发送至卫星的信息；
对每一个卫星的定位数据进行筛选，保留符合要求的卫星的定位数据以及该卫星所发送的基准站信息；
基于符合要求的卫星的定位数据以及该卫星所发送的基准站信息计算得到卫星载波相位数据；
基于卫星载波相位数据计算得到载波相位观测测量值；
将土壤湿度数据作为权重值对载波相位观测测量值进行加权，得到最终载波相位观测测量值；
根据最终载波相位观测测量值得到卫星和接收站的空间距离，判断接收站的地基是否发生沉降。
优选的，对每一个卫星的定位数据进行筛选的具体过程为：
设定角阈值以及评定标准，根据角阈值以及评定标准对卫星的定位数据进行筛选。
优选的，评定标准包括整体信噪比强度以及卫星的覆盖范围。
优选的，设定的角阈值为15°。
优选的，在获取卫星发送至接收站的基准站信息以及该卫星的定位数据之前还包括以下步骤：
设定获取的时间长度。
优选的，基于卫星载波相位数据获得载波相位观测测量值的具体过程为：
对卫星载波相位数据进行线性组合，获得载波相位观测测量值。
一种地基沉降监测系统，包括GNSS天线、土壤湿度监测模块、GNSS综合接收机以及电源模块；GNSS天线以及土壤湿度监测模块分别与GNSS综合接收机相连接，电源模块分别与GNSS天线、土壤湿度监测模块以及GNSS综合接收机相连接；
GNSS天线用于获取卫星发送至接收站的基准站信息以及该卫星的定位数据，其中，基准站信息为基准站发送至卫星的信息；将基准站信息以及该卫星的定位数据传输至GNSS综合接收机；
土壤湿度监测模块用于获取接收站的土壤湿度数据，将土壤湿度数据传输到GNSS综合接收机；
GNSS综合接收机用于对每一个卫星的定位数据进行筛选，保留符合要求的卫星的定位数据以及该卫星所发送的基准站信息；基于符合要求的卫星的定位数据以及该卫星所发送的基准站信息计算得到卫星载波相位数据；对卫星载波相位数据进行线性组合，获得载波相位观测测量值；将土壤湿度数据作为权重值对载波相位观测测量值进行加权，得到最终载波相位观测测量值；基于最终载波相位观测测量值得到卫星和接收站的空间距离；根据卫星和接收站的空间距离判断接收站的地基是否发生沉降；
电源模块用于为GNSS天线、土壤湿度监测模块以及GNSS综合接收机供电。
优选的，土壤湿度监测模块与GNSS综合接收机之间通过RS-485通讯线连接。
优选的，GNSS天线采用3D扼流圈。
一种地基沉降监测设备，包括处理器以及存储器；
所述存储器用于存储程序代码，并将所述程序代码传输给所述处理器；
所述处理器用于根据所述程序代码中的指令上述的一种地基沉降监测方法。
从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：
本发明实施例通过获取卫星发送至接收站的基准站信息以及该卫星的定位数据，并通过计算得到载波相位观测测量值，将载波相位观测测量值与土壤湿度数相结合，从而计算得到最终载波相位观测测量值，根据观测测量值来判断地基是否发生沉降，本发明实施例通过获取卫星发送至接收站的基准站信息以及该卫星的定位数据，获取土壤湿度数据，根据获取到的数据计算载波相位观测测量值从而得到了高精度的定位信息，根据精确到毫米级的载波相位观测测量值从而实现地基沉降的准确测量，解决了现有技术水准监测法无法对地基的沉降量进行准确测量的技术问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明实施例提供的一种地基沉降监测方法、系统以及设备的方法流程图。
图2为本发明实施例提供的一种地基沉降监测方法、系统以及设备的系统框架图。
图3为本发明实施例提供的一种地基沉降监测方法、系统以及设备的设备框架图。
具体实施方式
本发明实施例提供了一种地基沉降监测方法、系统以及设备，用于解决现有技术中对采用水准监测法对地基的沉降量进行监测时，存在着无法快速以及准确测量基地沉降量的技术问题。
为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，图1为本发明实施例提供的一种地基沉降监测方法、系统以及设备的方法流程图。
如图1所示，本发明提供的一种地基沉降监测方法，包括以下步骤：
获取卫星发送至接收站的基准站差分信息以及该卫星的定位数据，获取接收站的土壤湿度数据，接收站的土壤湿度数据通过湿度传感器采集获取；其中，基准站差分信息为基准站发送至卫星的差分信息，通过获取基准站的差分信息从而为后续计算卫星载波相位数据做好基础。
对每一个卫星的定位数据进行筛选，保留符合要求的卫星的定位数据以及该卫星所发送的基准站信息；将不符合要求的卫星的定位数据去除，从而减少后期的工作量，避免进行无意义的计算，提高效率。
基于符合要求的卫星的定位数据以及该卫星所发送的基准站信息计算得到卫星载波相位数据；
载波相位数据计算方程如下：
Figure BDA0002526376980000041
Figure BDA0002526376980000042
其中，λ为载波波长；
Figure BDA0002526376980000043
为载波相位观测值；R为卫星到接收站相位中心的几何距离；N为载波模糊度；tr为接收站的钟差；tCG为北斗时与GPS时之间的同步误差；ts为卫星的钟差；C为光速；T为对流层延迟误差；I为电离层延迟误差；M为多路径误差；P为天线相位中心偏差；e为其他非模型化误差和载波相位观测噪声，以上参数均通过卫星的定位数据以及该卫星所发送的基准站信息中获得。
对卫星载波相位数据进行线性组合，获得载波相位观测测量值，具体的线性组合方程如下：
Figure BDA0002526376980000051
Figure BDA0002526376980000052
其中，t1为当前时刻，
Figure BDA0002526376980000053
为相位观测值，N为载波模糊度，p为卫星到接收机相位中心的几何距离，Vtrop为对流层延迟，Vion为电离层延迟，V为接收机钟差，f为频率，Vs为卫星钟差，C为光速。
将两方程进行求差，可得出t1时刻的载波相位观测测量值为：
Figure BDA0002526376980000054
其中，
Figure BDA0002526376980000055
为t1时刻的载波相位观测测量值。
将土壤湿度数据作为权重值对载波相位观测测量值进行加权，得到最终载波相位观测测量值；若考虑出于真实环境下的测量误差，则进行多次加权操作，加权操作的核心原则为：对距离近且精度高的卫星给予高的权值比重，对距离远的且误差较大的卫星给予低的权值，加权后综合考虑，如下：
Figure BDA0002526376980000056
其中，Wi为土壤湿度数据，Ri为最终载波相位观测测量值。
若进行多次加权操作，则遍历所有的最终载波相位观测测量值，取平均值作为最精确的最终载波相位观测测量值。
由于最终的载波相位观测测量值中包含了卫星到接收站相位中心的几何距离，因此，从最终的载波相位观测测量值中提取出该数据即可获知卫星和接收站的空间距离的数值，将空间距离的数值和基准值进行比较，根据比较结果即可判断接收站的地基是否发生沉降。
作为一个优选的实施例，对每一个卫星的定位数据进行筛选的具体过程为：
设定角阈值以及评定标准，根据角阈值以及评定标准对卫星的定位数据进行筛选。需要进一步说明的是，角阈值是在定位测量中为了屏蔽遮挡物(如建筑物、树木等)及多路径效应的影响所设定的蔽遮高度角，对低于此角视空域的卫星不予跟踪，根据测量的经验将角阈值设置为15°。评定标准包括整体信噪比强度以及卫星的覆盖范围。评定标准指对GNSS天线搜索到的卫星进行筛选，对整体性噪比强度偏弱的卫星过滤，同时根据卫星客户安装地区的卫星覆盖范围进行筛选，如在中国地区，GALILEO卫星覆盖度不高，对此类卫星进行屏蔽筛选，对所有卫星进行筛选，去掉截止角以上的卫星及评定标准以下的卫星。
需要进一步说明的是，卫星的水平角角度的计算过程为：
Figure BDA0002526376980000061
其中Ej为第j颗卫星的高程角，Bj为第j颗卫星的水平角。
作为一个优选的实施例，在获取卫星发送至接收站的基准站信息以及该卫星的定位数据之前还包括以下步骤：
设定获取的时间长度，获取的时间长度设置得越长，所获取到的数据的精度越高，可靠性越好，一般将时间长度设置为半个小时以上。
如图2所示，一种地基沉降监测系统，包括GNSS天线201、土壤湿度监测模块202、GNSS综合接收机203以及电源模块204；GNSS天线201以及土壤湿度监测模块202分别与GNSS综合接收机203相连接，电源模块204分别与GNSS天线201、土壤湿度监测模块202以及GNSS综合接收机203相连接；
GNSS天线201用于获取卫星发送至接收站的基准站信息以及该卫星的定位数据，其中，基准站信息为基准站发送至卫星的信息；将基准站信息以及该卫星的定位数据传输至GNSS综合接收机203；
土壤湿度监测模块202用于获取接收站的土壤湿度数据，将土壤湿度数据传输到GNSS综合接收机203；在本实施中，土壤湿度监测模块202采用OSA-2土壤水分传感器，OSA-2土壤水分传感器基于时域反射原理，利用高频电子技术制造的高精度、高灵敏度的测量土壤水分的传感器，通过测量土壤的介电常数，能直接稳定地反映各种土壤的真实水分含量。
GNSS综合接收机203用于对每一个卫星的定位数据进行筛选，保留符合要求的卫星的定位数据以及该卫星所发送的基准站信息；基于符合要求的卫星的定位数据以及该卫星所发送的基准站信息计算得到卫星载波相位数据；对卫星载波相位数据进行线性组合，获得载波相位观测测量值；将土壤湿度数据作为权重值对载波相位观测测量值进行加权，得到最终载波相位观测测量值；基于最终载波相位观测测量值得到卫星和接收站的空间距离；根据卫星和接收站的空间距离判断接收站的地基是否发生沉降；
电源模块204用于为GNSS天线201、土壤湿度监测模块202以及GNSS综合接收机203供电。在本实施例中，电源模块204采用太阳能供电系统，该系统核心装置为降压型恒流充电一体机以及太阳能控制器SBC50，太阳能控制器SBC50采用PWM充电方式；晶体硅太阳能电池组件为ZCM5-36P，最大输出功率100W；电池组为300A容量的电池，根据GNSS综合接收机和土壤监测装置的功耗计算，电池组可保证在断开交流电的情况下，能维持系统运行10天以上。
需要进一步说明的是，本系统工作时，首先启动电源模块204为系统供电；之后对系统进行初始化处理，配置GNSS综合接收机203的定位模式、数据收发的波特率以及NMEA数据类型等；同时，对土壤湿度监测模块202进行配置。配置完成后，GNSS天线201获取卫星发送至接收站的基准站信息以及该卫星的定位数据并传输至GNSS综合接收机，土壤湿度监测模块202获取接收站的土壤湿度数据并传输至GNSS综合接收机，GNSS综合接收机203对每一个卫星的定位数据进行筛选，保留符合要求的卫星的定位数据以及该卫星所发送的基准站信息；基于符合要求的卫星的定位数据以及该卫星所发送的基准站信息计算得到卫星载波相位数据；对卫星载波相位数据进行线性组合，获得载波相位观测测量值；将土壤湿度数据与作为权重值对载波相位观测测量值进行加权，得到最终载波相位观测测量值；基于最终载波相位观测测量值得到卫星和接收站的空间距离；根据卫星和接收站的空间距离判断接收站的地基是否发生沉降。
作为一个优选的实施例，土壤湿度监测模块202与GNSS综合接收机203之间通过RS-485通讯线连接，RS-485通讯有良好的通信效果以及通信速率，适用于数据实时性要求较高、数据量较大的场合。
作为一个优选的实施例，GNSS天线201采用3D扼流圈，3D扼流圈具有优越的抗多路径及低仰角卫星跟踪性能，3D扼流圈的相位中心精度能够达到亚毫米级，且相位中心稳定性高。
如图3所示，一种地基沉降监测设备30，所述设备包括处理器300以及存储器301；
所述存储器301用于存储程序代码302，并将所述程序代码302传输给所述处理器；
所述处理器300用于根据所述程序代码302中的指令执行上述的一种地基沉降监测方法中的步骤。
示例性的，所述计算机程序302可以被分割成一个或多个模块/单元，所述一个或者多个模块/单元被存储在所述存储器301中，并由所述处理器300执行，以完成本申请。所述一个或多个模块/单元可以是能够完成特定功能的一系列计算机程序指令段，该指令段用于描述所述计算机程序302在所述终端设备30中的执行过程。
所述终端设备30可以是桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及云端服务器等计算设备。所述终端设备可包括，但不仅限于，处理器300、存储器301。本领域技术人员可以理解，图3仅仅是终端设备30的示例，并不构成对终端设备30的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如所述终端设备还可以包括输入输出设备、网络接入设备、总线等。
所称处理器300可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-ProgrammaBle Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
所述存储器301可以是所述终端设备30的内部存储单元，例如终端设备30的硬盘或内存。所述存储器301也可以是所述终端设备30的外部存储设备，例如所述终端设备30上配备的插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card,SMC)，安全数字(Secure Digital,SD)卡，闪存卡(Flash Card)等。进一步地，所述存储器301还可以既包括所述终端设备30的内部存储单元也包括外部存储设备。所述存储器301用于存储所述计算机程序以及所述终端设备所需的其他程序和数据。所述存储器301还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种地基沉降监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取卫星发送至接收站的基准站信息以及该卫星的定位数据，获取接收站的土壤湿度数据；其中，基准站信息为基准站发送至卫星的信息；
对每一个卫星的定位数据进行筛选，保留符合要求的卫星的定位数据以及该卫星所发送的基准站信息；
基于符合要求的卫星的定位数据以及该卫星所发送的基准站信息计算得到卫星载波相位数据；
基于卫星载波相位数据计算得到载波相位观测测量值；
将土壤湿度数据作为权重值对载波相位观测测量值进行加权，得到最终载波相位观测测量值；
根据最终载波相位观测测量值得到卫星和接收站的空间距离，判断接收站的地基是否发生沉降。
2.根据权利要求1所述的一种地基沉降监测方法，其特征在于，对每一个卫星的定位数据进行筛选的具体过程为：
设定角阈值以及评定标准，根据角阈值以及评定标准对卫星的定位数据进行筛选。
3.根据权利要求2所述的一种地基沉降监测方法，其特征在于，评定标准包括整体信噪比强度以及卫星的覆盖范围。
4.根据权利要求2所述的一种地基沉降监测方法，其特征在于，设定的角阈值为15°。
5.根据权利要求1所述的一种地基沉降监测方法，其特征在于，在获取卫星发送至接收站的基准站信息以及该卫星的定位数据之前还包括以下步骤：
设定获取的时间长度。
6.根据权利要求1所述的一种地基沉降监测方法，其特征在于，基于卫星载波相位数据获得载波相位观测测量值的具体过程为：
对卫星载波相位数据进行线性组合，获得载波相位观测测量值。
7.一种地基沉降监测系统，其特征在于，包括GNSS天线、土壤湿度监测模块、GNSS综合接收机以及电源模块；GNSS天线以及土壤湿度监测模块分别与GNSS综合接收机相连接，电源模块分别与GNSS天线、土壤湿度监测模块以及GNSS综合接收机相连接；
GNSS天线用于获取卫星发送至接收站的基准站信息以及该卫星的定位数据，其中，基准站信息为基准站发送至卫星的信息；将基准站信息以及该卫星的定位数据传输至GNSS综合接收机；
土壤湿度监测模块用于获取接收站的土壤湿度数据，将土壤湿度数据传输到GNSS综合接收机；
GNSS综合接收机用于对每一个卫星的定位数据进行筛选，保留符合要求的卫星的定位数据以及该卫星所发送的基准站信息；基于符合要求的卫星的定位数据以及该卫星所发送的基准站信息计算得到卫星载波相位数据；对卫星载波相位数据进行线性组合，获得载波相位观测测量值；将土壤湿度数据作为权重值对载波相位观测测量值进行加权，得到最终载波相位观测测量值；基于最终载波相位观测测量值得到卫星和接收站的空间距离；根据卫星和接收站的空间距离判断接收站的地基是否发生沉降；
电源模块用于为GNSS天线、土壤湿度监测模块以及GNSS综合接收机供电。
8.根据权利要求7所述的一种地基沉降监测系统，其特征在于，土壤湿度监测模块与GNSS综合接收机之间通过RS-485通讯线连接。
9.根据权利要求7所述的一种地基沉降监测系统，其特征在于，GNSS天线采用3D扼流圈。
10.一种地基沉降监测设备，其特征在于，包括处理器以及存储器；
所述存储器用于存储程序代码，并将所述程序代码传输给所述处理器；
所述处理器用于根据所述程序代码中的指令执行权利要求1～权利要求6所述的一种地基沉降监测方法。
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