CN111811389A

CN111811389A - 结合星链差分和北斗地基增强系统的形变快速监测系统

Info

Publication number: CN111811389A
Application number: CN202010708835.8A
Authority: CN
Inventors: 雷添杰; 曲伟; 路京选; 李翔宇; 王嘉宝; 庞治国; 刘昌军
Original assignee: China Institute of Water Resources and Hydropower Research
Current assignee: China Institute of Water Resources and Hydropower Research
Priority date: 2020-07-22
Filing date: 2020-07-22
Publication date: 2020-10-23
Anticipated expiration: 2040-07-22
Also published as: CN111811389B

Abstract

本发明公开了一种结合星链差分和北斗地基增强系统的形变快速监测系统，该系统包括数据采集子系统、数据解析子系统、数据处理中心子系统和用户子系统。本发明通过在边坡形变量较大的点附近建立移动基准站，并将具有星链差分技术的数据采集子系统安置于可快速拆卸的三脚架上，并用水准气泡进行调节，并用短报文的通信方式将北斗数据传输至数据处理系统中，并最终传输至北斗定位终端监测系统，并通过监测系统监测边坡监测点的形变趋势，及时预警，具有结构简单、成本低、可拆卸、安装时间短等优点，可快速将移动基准站转移，同时能够提高北斗导航定位精度。

Description

结合星链差分和北斗地基增强系统的形变快速监测系统

技术领域

本发明属于形变监测技术领域，具体涉及一种结合星链差分和北斗地基增强系统的形变快速监测系统。

背景技术

全球定位系统(GPS)技术的发展与应用，推动了测绘技术的重大历史变革，使测绘学从理论到手段发生了根本性的变化。特别是近10余年来，GPS测绘技术更是得到了飞速的发展，已经完成了从静态定位技术到动态定位技术、从RTK技术到全球差分定位技术的转变。

全球差分定位技术是利用差分GPS技术，系统将获得来自地球同步轨道通信卫星的最新误差校正信息，将修正数据实时注入地面参考接收器。通过差分GPS技术，用户能够在全球南北纬76°以内的任何地方自由地得到单机实时的分米级定位精度。

全球双频单机高精度GPS星链差分系统(RTG)，和常规的测量方式相比较，此系统有极大的灵活性和易用性。最大的优点就是高精度单点定位，不受距离、天气等客观条件的限制。

由于地形地貌和人类工程活动等原因，国内部分地区山体滑坡事故频发，共发育有大型滑坡140余处，较大滑坡2212处以上。山体滑坡一旦发生，不仅造成滑坡体上人员伤亡、财产损失，而且泥石流将危及一定范围内的房屋、交通、人员安全，针对山体滑坡存在预防难、救援难、危害大、治理难度大等问题，如何及时有效地监测山体状态并能够提前发现异常状态、及时报警等已经成为人们关注的重点。

边坡发送垮塌之间，会有一个缓慢的位移变化过程的发生。因此，可以通过对稳定性较差的边坡选用合适的监测方法对其进行监测，把握其整体所处的状态。这样就可以根据监测所得的历史数据预测其变形趋势，找到边坡变形的严重区域并依据相应的理论方法预测滑坡危害的发送时间，对变形严重的地方设置相应的防护设施，或者在滑坡事故发送前采取相应的应对方案，尽可能降低人员及经济损失。

传统的边坡监测方法，主要靠人工或者半人工的方法，通过在现场布置一定的传感器或仪表，然后人工处理数据，对监测结果进行分析，整个监测过程，需要耗费大量的人力物力，并且难以做到数据的实时处理，监测结果往往存在较大的延迟，因此存在时间效率慢、精度低、成本高等问题，尤其是安装监测点的基准站的时候，需提前建立石墩，将移动基准站安装在石墩上，若出现大范围灾害时，移动基准站拆卸耗时久，无法及时转移。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种结合星链差分和北斗地基增强系统的形变快速监测系统。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

一种结合星链差分和北斗地基增强系统的形变快速监测系统，其特征在于，包括数据采集子系统、数据解析子系统、数据处理中心子系统和用户子系统；

所述数据采集子系统用于根据北斗星链差分技术获取边坡形变量监测点的实时定位数据；

所述数据解析子系统用于根据北斗通信协议，对数据采集子系统采集的监测数据按通信协议的格式进行解析，并对数据做入库操作；

所述数据处理中心子系统用于实时处理多个监测点的监测数据，建立误差改正模型，向用户提供实时差分改正数据，并对存储在数据库中的监测数据进行分析处理；

所述用户子系统用于查询各坡形变量监测点在选择的监测周期内的监测数据以及各坡形变量监测点的整体位移变化趋势。

进一步地，所述数据采集子系统包括用户接收机和地面移动监测基准站；所述用户接收机用于根据北斗导航定位系统获取实时定位；所述地面移动监测基准站用于将用户接收机可移动的安装在边坡形变量监测点上，获取实时定位数据并将实时定位数据传送至数据处理装置。

进一步地，所述用户接收机包括北斗接收机和地球同步卫星通信接收机，所述北斗接收机用于跟踪所有可见的卫星并获取北斗卫星的测量值，所述地球同步卫星通信接收机用于接收差分改正数据。

进一步地，所述地面移动监测基准站将用户接收机固定在可调节平衡的三脚架上，并将三脚架安装在边坡形变量监测点上，使用膨胀螺丝固定于边坡地表上，使用水准气泡进行平衡调节，使仪器与地表切线相互平行。

进一步地，所述数据处理中心子系统对存储在数据库中的监测数据进行分析处理具体包括监测点管理、北斗终端管理、监测点位置实时显示和数据统计分析。

进一步地，所述监测点管理包括新增监测点和查询监测点；所述新增监测点为用户输入监测点的相关信息；所述查询监测点为用户根据查询条件对监测点数据进行筛选，同时对监测点进行修改、删除及修改。

进一步地，所述监测点位置实时显示具体为将设置的各个监测点的起始位置和目前的最新位置显示在地图中，并生成各个监测点的变化情况。

进一步地，所述数据采集子系统根据实时定位数据自动计算边坡形变量，具体为：

设定监测点首次监测所测得的坐标(X₁,Y₁,Z₁)，在第n次所测得的坐标为(X_n,Y_n,Z_n)，则该监测点在第n观测期内的变形值的计算公式为

其中，ΔX_n,ΔY_n,ΔZ_n分别为边坡在X,Y,Z方向的变形量。

进一步地，所述数据统计分析具体为将监测点数据进行总体统计分析，生成各监测点在选择的监测周期内的监测数据以及各坡形变量监测点的整体位移变化趋势。

进一步地，还包括数据传输子系统，所述数据传输子系统用于实现基准站与数据处理中心、数据处理中心与用户终端之间的通信。

本发明具有以下有益效果：本发明通过在边坡形变量较大的点附近建立移动基准站，并将具有星链差分技术的数据采集子系统安置于可快速拆卸的三脚架上，并用水准气泡进行调节，并用短报文的通信方式将北斗数据传输至数据处理系统中，并最终传输至北斗定位终端监测系统，并通过监测系统监测边坡监测点的形变趋势，及时预警，具有结构简单、成本低、可拆卸、安装时间短等优点，可快速将移动基准站转移，同时能够提高北斗导航定位精度。

附图说明

图1是本发明的结合星链差分和北斗地基增强系统的形变快速监测系统结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明实施例提供了一种结合星链差分和北斗地基增强系统的形变快速监测系统，其特征在于，包括数据采集子系统、数据解析子系统、数据处理中心子系统和用户子系统；

在本发明的一个可选实施例中，数据采集子系统包括用户接收机和地面移动监测基准站；所述用户接收机用于根据北斗导航定位系统获取实时定位；所述地面移动监测基准站用于将用户接收机可移动的安装在边坡形变量监测点上，获取实时定位数据并将实时定位数据传送至数据处理装置。

根据北斗星链差分技术的原理，只需一台北斗接收机、一部地球同步卫星通信接收机和相应的处理主机即可进行高精度实时定位。同时也不需要考虑作业的活动范围，能够自由地在全球任何地方得到单机实时的高精度定位，因此本发明中用户接收机包括北斗接收机和地球同步卫星通信接收机，北斗接收机用于跟踪所有可见的卫星并获取北斗卫星的测量值，地球同步卫星通信接收机用于接收差分改正数据。

北斗地基增强系统(CORS)主要由基准站系统、通信网络系统、数据综合处理系统、数据播发系统、用户终端5部分组成。基于北斗基站发射差分信号，通过定位天线精度可达厘米级别，再通过北斗星链差分技术，将北斗天线接收机、RTK、UPS电源、避雷针等设备融合成整体安装在可调节的三脚架上，形成一个可以移动的位移监测站。北斗地基增强系统能够辅助修正卫星信号误差，提高定位精度，可达毫米级。建立通讯网络传输系统，采用短报文通信方式，实现北斗卫星定位终端和北斗卫星或北斗地面服务站之间双向的信息传递。建立数据综合处理系统。将地面基准站网络实时接收卫星原始观测数据，计算误差改正信息，生成广域米级、分米级、厘米级差分数据产品。建立用户终端系统，实时动态地监测边坡监测点的形变趋势，及时生成日报、周报，有效地避免灾害的发生。

用户接收机根据北斗卫星的测量值和差分改正数据比较计算得到用户载体的位置坐标。从而完成对用户载体的准确定位。对用户来说不需要考虑基准站架设的问题，可以节省大量硬件及人力维护的成本，只需一台北斗接收机、一部地球同步卫星通信接收机和相应的处理主机即可进行高精度实时定位。同时也不需要考虑作业的活动范围，能够自由地在全球任何地方得到单机实时的高精度定位，大大降低了建立基准站的成本，节省了时间、人力。

本发明在边坡监测点附近建立地面移动监测基准站，将北斗卫星接收机、天线、避雷器、电源系统、RTK、网络传输设备组成的数据收集系统安置于三脚架上，将三脚架通过膨胀螺丝快速固定在边坡岩层中，在使用水准气泡进行平衡调节，使之与地表切线相平行。在移动站上，接收机接收同步卫星信号，通过短报文数据通信模块接收基准站的传输的观测数据，然后根据相对定位原理，实时地解算整周未知数和计算出移动站的三维坐标，并进行精度评定。

本发明的数据采集子系统主要包括监测网的设计和监测设备的选取。监测设备主要由支持北斗系统的接收机、天线、天线电缆、避雷器、电源系统(太阳能电池、UPS、蓄电池等)、网络传输设备(GPRS、3G/4G模块)组成。其中接收机完成对监测点坐标信息的获取，同时接收机会在内置通讯模块的支持下，实现对坐标等信息的编码、存储并借助北斗卫星系统进行发送；监测网的设计主要是基准监测点和变形监测点的选取，基准监测点应选择远离边坡，地势较稳定的地方，变形监测点则应选取边坡容易发送滑坡的点，使其可以反映边坡整体所处的状态。

其中北斗接收机具有的条件为：1.支持多系统，兼容GPS、BDS、GLONASS、GALILEO四个系统，120个动态通道。2.可提供1cm+1ppm定位精度。3.首次定位时间冷启动应小于50秒，热启动应小于35秒。4.工作温度应保持在-40℃-+75℃，存储温度应保持在-55℃-+90℃。5.终端设备应支持北斗通讯方式。

本发明的数据采集子系统结构简易，成本低，而且移动基准站是建立在三脚架上，可拆卸，安装时间短，节省大量的时间，同时不用建立石墩，当遇到大范围的灾害时，工作人员可快速将移动基准站转移；且将星链差分技术与北斗CORS进行结合，可以提高北斗导航定位精度，精度可达毫米级，提高了监测效果。

在本发明的一个可选实施例中，数据解析子系统的功能主要是接收北斗终端采集到的数据，然后根据北斗通信协议，对接收到的数据按通信协议的格式进行解析，并对数据做入库操作，为数据处理中心子系统做数据分析提供数据基础。

数据解析子系统的功能主要使用socket技术和多线程技术，在功能实现上，将接收北斗终端的数据单独作为一个独立的线程来运行，在数据接收上，用ServerSocket实例化要监听的端口，并且在北斗终端上对端口以及服务器IP做相应的设置。

在本发明的一个可选实施例中，数据处理中心子系统用于实时快速处理多个北斗基准站的数据，建立各种误差改正模型，为分布在各地的用户提供高精度的实时差分改正数，同时为事后用户提供高精度的参考数据。

数据处理中心子系统主要是对存储在数据库中的数据进行分析处理，主要包括：监测点管理、北斗终端管理、监测点位置实时显示和数据统计分析。

数据处理中心子系统的交互界面布局分为4块，最上方主要显示Logo以及用户登录信息等；最下方显示系统的版权信息；最左方显示系统的导航菜单；最右方可通过点击折叠触发器展开左侧面板；中间部分为用户所选菜单对应的内容。整个页面的布局，主要使用jQuery+easyUI技术。

数据处理中心子系统中监测点管理具体为将设置的各个监测点的起始位置和目前的最新位置显示在地图中，让用户可以看到各个监测点的变化。监测点位置的实时刷新，采用基于Ajax的长轮询方式实现的，浏览器通过Ajax向服务器发生请求，服务器访问数据库，得到监测点的最新位置，并返回浏览器端，浏览器端则通过ArcGIS提供的ArcGIS APIfor javascript将监测点的最新位置显示在地图上，并且用户将鼠标移到监测点时，会以tips层的形式显示监测点的位移变化信息。同时，该功能具有预警功能，页面上方会显示目前各个方向的位移预警阈值，也可以对阈值进行修改，当每一次通过Ajax请求成功获取到数据后，都会在刷新监测点实时位置的同时，将位移变化值与目前的预警阈值作比较，若该值大于阈值，则以“alert”对话框的形式提示目前位移变化超过了阈值。

数据处理中心子系统中监测点位置实时显示具体为将监测数据进行总体的统计分析，让用户可以看到各监测点在选择的监测周期内的监测数据以及整个位移变化趋势，数据分析系统分为3个部分，即监测数据查询、位移统计分析。

数据处理中心子系统中数据统计分析具体为向用户提供监测点的、监测起止日期的选择筛选条件，让用户可以监测数据进行筛选，从而得到需要的数据。

其中位移统计分析功能，向用户提供X方向、Y方向、Z方向的选择、图表类型的选择以及图表的导出功能。

边坡的位移主要是设定监测点首次监测所测得的坐标(X₁,Y₁,Z₁)，在第n次所测得的坐标为(X_n,Y_n,Z_n)，则该监测点在第n观测期内的变形值的计算公式为

其中，ΔX_n,ΔY_n,ΔZ_n分别为边坡在X,Y,Z方向的变形量。

利用该公式即可通过北斗获取监测点的坐标值，计算出监测点的各个方向的位移变化值。

边坡往往处于山区，所处地理位置比较复杂，有线通讯方式组网难度较大，所以通信方式不适合选择有线通讯方式，而卫星通讯方式相对于无线通信方式来说，无通讯盲区，且受监测区域影响较小，在地面无线网络无法覆盖或信号不稳定区域的情况下具有显著的优势，因此本发明设置有数据传输子系统，数据传输子系统用于实现基准站与数据处理中心、数据处理中心与用户终端之间的通信，对于支持北斗系统的终端来说，其本身除了定位功能外，也具有通讯功能，所以无须在使用其他辅助通讯方式。

本发明提出的一种结合星链差分技术和北斗地基增强系统的形变监测系统，在北斗地基增强系统的基础上，采用星链差分技术去处理，避免了基准站的建立，降低了监测装置的成本，同时提高了北斗定位精度。用户只需一台可以接收北斗信号的接收机，一部地球同步卫星通信接收机和相应的处理主机即可进行高精度实时定位。同时也不需要考虑作业的活动范围，能够自由地在全球任何地方得到单机实时的高精度定位，精度可达厘米级。同时建立的边坡监测移动基准站可快速安装、随时拆卸，方便携带，成本低，在边坡发送紧急灾害时，可快速对监测基准站的转移，同时星链差分技术的处理，可将北斗定位精度提高到毫米级。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种结合星链差分和北斗地基增强系统的形变快速监测系统，其特征在于，包括数据采集子系统、数据解析子系统、数据处理中心子系统和用户子系统；

2.如权利要求1所述的结合星链差分和北斗地基增强系统的形变快速监测系统，其特征在于，所述数据采集子系统包括用户接收机和地面移动监测基准站；所述用户接收机用于根据北斗导航定位系统获取实时定位；所述地面移动监测基准站用于将用户接收机可移动的安装在边坡形变量监测点上，获取实时定位数据并将实时定位数据传送至数据处理装置。

3.如权利要求2所述的结合星链差分和北斗地基增强系统的形变快速监测系统，其特征在于，所述用户接收机包括北斗接收机和地球同步卫星通信接收机，所述北斗接收机用于跟踪所有可见的卫星并获取北斗卫星的测量值，所述地球同步卫星通信接收机用于接收差分改正数据。

4.如权利要求3所述的结合星链差分和北斗地基增强系统的形变快速监测系统，其特征在于，所述地面移动监测基准站将用户接收机固定在可调节平衡的三脚架上，并将三脚架安装在边坡形变量监测点上，使用膨胀螺丝固定于边坡地表上，使用水准气泡进行平衡调节，使仪器与地表切线相互平行。

5.如权利要求4所述的结合星链差分和北斗地基增强系统的形变快速监测系统，其特征在于，所述数据处理中心子系统对存储在数据库中的监测数据进行分析处理具体包括监测点管理、北斗终端管理、监测点位置实时显示和数据统计分析。

6.如权利要求5所述的结合星链差分和北斗地基增强系统的形变快速监测系统，其特征在于，所述监测点管理包括新增监测点和查询监测点；所述新增监测点为用户输入监测点的相关信息；所述查询监测点为用户根据查询条件对监测点数据进行筛选，同时对监测点进行修改、删除及修改。

7.如权利要求5所述的结合星链差分和北斗地基增强系统的形变快速监测系统，其特征在于，所述监测点位置实时显示具体为将设置的各个监测点的起始位置和目前的最新位置显示在地图中，并生成各个监测点的变化情况。

8.如权利要求7所述的结合星链差分和北斗地基增强系统的形变快速监测系统，其特征在于，所述数据处理中心子系统根据实时定位数据自动计算边坡形变量，具体为：

其中，ΔX_n,ΔY_n,ΔZ_n分别为边坡在X,Y,Z方向的变形量。

9.如权利要求5所述的结合星链差分和北斗地基增强系统的形变快速监测系统，其特征在于，所述数据统计分析具体为将监测点数据进行总体统计分析，生成各监测点在选择的监测周期内的监测数据以及各坡形变量监测点的整体位移变化趋势。

10.如权利要求1所述的结合星链差分和北斗地基增强系统的形变快速监测系统，其特征在于，还包括数据传输子系统，所述数据传输子系统用于实现基准站与数据处理中心、数据处理中心与用户终端之间的通信。