CN113295140A - 一种基于虚拟参考站检测铁路沉降的方法及系统 - Google Patents

一种基于虚拟参考站检测铁路沉降的方法及系统 Download PDF

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CN113295140A CN202110439483.5A CN202110439483A CN113295140A CN 113295140 A CN113295140 A CN 113295140A CN 202110439483 A CN202110439483 A CN 202110439483A CN 113295140 A CN113295140 A CN 113295140A
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邓成呈
熊俊杰
吴海腾
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Abstract

本发明公开了一种基于虚拟参考站检测铁路沉降的方法，包括获取用户的概略坐标和多个基准站的观测数据，并根据用户概略坐标和观测数据进行模糊度固定；根据固定的模糊度解算出宽巷模糊度，并提取双差大气误差；确定用户所在网元及星型网元的共视卫星；根据用户所处网元确定虚拟参考站，并生成虚拟观测值；每日采集观测数据并上传，监测铁路的位移变化量，当所述位移变化量大于位于阈值时报警。本发明通过采集观测数据，并基于虚拟参考站解算出虚拟参考值，以实现对铁路位移变化量的实时监测，当铁路位移量超过阈值时自动报警，检测方法持续、可靠、精度高。

Description

一种基于虚拟参考站检测铁路沉降的方法及系统
技术领域
本发明涉及铁路检测技术领域，特别涉及一种基于虚拟参考站检测铁路沉降的方法及系统。
背景技术
虚拟参考站技术(Virtual Reference Station，VRS)最早由Trimble公司于2001年提出，概念模型是在流动站附近建立一个虚拟的基准站，并根据周围最优基准站组合的观测数据计算出该虚拟基准站上的虚拟观测值，由该虚拟站对流动站进行差分解算，因虚拟参考站离流动站很近，一般仅相距数米至数十米，传统的虚拟参考站是动态的，一般会设定一个距离阈值，当用户实际位置与虚拟参考站之间的距离超过阈值之后，会在用户附近重新生成一个虚拟参考站，但存在一定的不足，基于虚拟参考站技术进行铁路检测时，由于铁路铺设的复杂性和长途性，用户位置需要实时变化，随着用户位置的动态变化，可能会导致用户需要重新初始化，加大了数据处理难度，为减小传统虚拟参考站生成技术对动态用户的不利影响，有必要提出一种固定虚拟参考站生成算法，事先在网元内选择一个固定的点作为网元内所有用户的虚拟参考站，简化数据解算过程。
发明内容
本发明公开了一种基于虚拟参考站检测铁路沉降的方法，通过采集观测数据，并基于虚拟参考站解算出虚拟参考值，实现对铁路位移变化量的实时监测，当铁路位移量超过阈值时自动报警。
本发明的技术方案为：
一种基于虚拟参考站检测铁路沉降的方法，包括：
步骤一、获取用户的概略坐标和多个基准站的观测数据，并根据所述用户概略坐标和所述观测数据进行模糊度固定；
步骤二、根据固定的模糊度解算出宽巷模糊度，并提取双差大气误差；
步骤三、确定用户所在网元及星型网元的共视卫星；
步骤四、根据用户所处网元确定虚拟参考站，并生成虚拟观测值；
步骤五、每日采集观测数据并上传，监测铁路的位移变化量，当所述位移变化量大于位移阈值时报警。
优选的是，观测数据包括伪距观测值和载波观测值。
优选的是，步骤一中模糊度固定包括：
步骤a、基于伪距观测值与载波观测值建立伪距观测方程和载波观测方程；
伪距观测方程为：
Figure BDA0003034501390000021
载波观测方程为：
Figure BDA0003034501390000022
式中，下标k表示接收机，上标i表示北斗系统参考星，P表示伪距观测值，ρ表示真实站星距，
Figure BDA0003034501390000023
c表示电磁波传播速度，X，Y，Z表示坐标值，δυGk，sagnc表示地球自转误差，δαk表示组合系数，δt表示钟差，I表示电离层延迟，T表对流层延迟，hd表示硬件延迟，O表示轨道误差，mul表示多路径，rel表示相对论效应，ε表示观测噪声，φ表示以米为单位的载波观测值，
Figure BDA0003034501390000024
表示以周为单位的载波观测值，λ表示波长，N表示整周模糊度，b表示载波初始偏差；
步骤b、对两颗卫星进行星间差分，得到伪距单差方程和载波单差方程；
伪距单差方程为：
Figure BDA0003034501390000025
载波单差方程为：
Figure BDA0003034501390000031
式中，
Figure BDA0003034501390000039
表示星间单差算子，j表示北斗系统非参考星，σ表示残余误差；
步骤c、根据单差观测方程进行站间差分得到伪距双差方程和载波双差方程；
伪距双差方程为：
Figure BDA0003034501390000032
载波双差方程为：
Figure BDA0003034501390000033
式中，
Figure BDA00030345013900000310
表示双差算子，δρG表示伪距改正系数，ai表示基准站权重，
Figure BDA0003034501390000034
表示基准站电离层的折射改正，
Figure BDA0003034501390000035
表示基准站对流层的折射改正；
步骤d、用伪距减双差方程减去载波双差方程，得到模糊度。
优选的是，步骤二中宽巷模糊度的计算公式为：
Figure BDA0003034501390000036
式中，WL表示宽巷组合，f表示频率值，下表i(i＝1，2)表示频点；
电离层延迟提取公式为：
Figure BDA0003034501390000037
Figure BDA0003034501390000038
对流层延迟提取公式为：
Figure BDA0003034501390000041
优选的是，步骤三中确定用户所处的三角网元及共视卫星，包括：
步骤(1)、设定角度阈值，生成三角网；
步骤(2)、若与某个基准站相连的所有三角形的内角和大于角度阈值的互周角，则为内部基准站；
步骤(3)、以内部基准站为星型网元的主站，与之相连的的基准站为星型网元的辅站，其余基准站为未组网基准站；
步骤(4)、将未组网基准站中与之相连的基准站数量最多的基准站作为星型网元的主站，与之相连的基准站为星型网元的辅站，并更新星型网元集合；
步骤(5)、根据用户的概略坐标在星型网元进行内插，以距离用户最近的主站所代表的星型网元作为用户所在网元，以用户所在三角网元的共视卫星作为星型网元的共视卫星。
优选的是，步骤三还包括在三角网元中选择一个固定位置作为虚拟参考站。
优选的是，步骤四中生成虚拟观测值包括：
在固定参考站处生成虚拟观测值；
将主参考站与用户概略位置之间的大气误差修正至虚拟观测值。
优选的是，角度阈值为135°-180°。
固定位置为三角网元所在三角形的重心。
一种基于虚拟参考站检测铁路沉降的系统，包括：
数据处理中心，其用于模糊度固定和模糊度解算；
多个基准站，其用于采集观测数据并上传至数据处理中心；
监测站，其用于获取用户概略坐标并上传至数据处理中心；
星型网划分模块，其用于创建星型构网，并在单个网元内创建固定虚拟参考站；
控制中心，其与数据处理中心通信连接，用于根据参数模型和概略目标确定虚拟参考站，并解算得到虚拟观测值。
优选的是，监测站为可休眠的接收机，能够定时唤醒和外部唤醒。
本发明的有益效果是：
1.本发明提供的基于虚拟参考站检测铁路沉降的方法，通过采集观测数据，并基于虚拟参考站解算出虚拟参考值，以实现对铁路位移变化量的实时监测，当铁路位移量超过阈值时自动报警，方法高效。
2.本发明提供的基于虚拟参考站检测铁路沉降的方法，模糊度固定时综合考虑测量噪声、相对论效应、卫星钟差、地球自转引起的误差，将接收机钟差置零处理，模糊度可顺利固定。
3.本发明提供的基于虚拟参考站检测铁路沉降的方法，提出了星型网元的划分方法，并在每个三角网元内创建固定虚拟参考站位置，用户移动过程中，只要处于单一三角网元覆盖范围内，虚拟参考站的位置始终不变，减少了动态用户不断更新、初始化的次数，有效的提高了搜索效率。
4.本发明提供的基于虚拟参考站检测铁路沉降的系统，为卫星定位技术在铁路陈建监测预警中规模化应用提供了硬件基础。
附图说明
图1为本发明提供的一种基于虚拟参考站检测铁路沉降的方法流程图。
图2为本发明的一个实施例中模糊度固定的流程图。
图3为本发明的一个实施例中确定用户所处的三角网元及共视卫星的流程图。
图4为本发明的一个实施例中基于虚拟参考站检测铁路沉降的系统示意图。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“中”、“上”、“下”、“横”、“内”等指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1所示，基于虚拟参考站检测铁路沉降的方法包括：
S110、获取用户的概略坐标和多个基准站的观测数据，并根据所述用户概略坐标和所述观测数据进行模糊度固定。
其中，观测数据包括伪距观测值和载波观测值。
S120、根据固定的模糊度解算出宽巷模糊度，并提取双差大气误差。
宽巷模糊度的计算公式为：
Figure BDA0003034501390000061
式中，WL表示宽巷组合，f表示频率值，下标x(x＝1,2)表示频点信号频率；
电离层延迟提取公式为：
Figure BDA0003034501390000062
Figure BDA0003034501390000063
对流层延迟提取公式为：
Figure BDA0003034501390000075
S130、确定用户所在网元及星型网元的共视卫星。
S140、根据用户所处网元确定虚拟参考站，并生成虚拟观测值。
在固定参考站处生成虚拟观测值；
将主参考站与用户概略位置之间的大气误差修正至虚拟观测值。
S150、每日采集观测数据并上传，监测铁路的位移变化量，当所述位移变化量大于位移阈值时报警。
本发明提供的基于虚拟参考站检测铁路沉降的方法，通过采集观测数据，并基于虚拟参考站解算出虚拟参考值，以实现对铁路位移变化量的实时监测，当铁路位移量超过阈值时自动报警，方法可靠、精度高。
进一步的，如图2所示，步骤S110中所述模糊度固定包括：
S111、基于伪距观测值与载波观测值建立伪距观测方程和载波观测方程。
伪距观测方程为：
Figure BDA0003034501390000071
载波观测方程为：
Figure BDA0003034501390000072
式中，下标k表示接收机，上标i表示北斗系统参考星，P表示伪距观测值，ρ表示真实站星距，
Figure BDA0003034501390000073
c表示电磁波传播速度，X,Y,Z表示坐标值，δυGk，sagnc表示地球自转误差，δαk表示组合系数，δt表示钟差，I表示电离层延迟，T表对流层延迟，hd表示硬件延迟，O表示轨道误差，mul表示多路径，rel表示相对论效应，ε表示观测噪声，φ表示以米为单位的载波观测值，
Figure BDA0003034501390000074
表示以周为单位的载波观测值，λ表示波长，N表示整周模糊度，b表示载波初始偏差。
S112、对两颗卫星进行星间差分，得到伪距单差方程和载波单差方程。
伪距单差方程为：
Figure BDA0003034501390000081
载波单差方程为：
Figure BDA0003034501390000082
式中，
Figure BDA0003034501390000083
表示星间单差算子，j表示北斗系统非参考星，σ表示残余误差；
S113、根据单差观测方程进行站间差分得到伪距双差方程和载波双差方程。
伪距双差方程为：
Figure BDA0003034501390000084
载波双差方程为：
Figure BDA0003034501390000085
式中，
Figure BDA0003034501390000088
表示双差算子，δρG表示伪距改正系数，ai表示基准站权重，
Figure BDA0003034501390000086
表示基准站电离层的折射改正，
Figure BDA0003034501390000087
表示基准站对流层的折射改正；
S114、用伪距减双差方程减去载波双差方程，得到模糊度。
综合考虑测量噪声、相对论效应、卫星钟差、地球自转引起的误差，将接收机钟差置零处理，模糊度可顺利固定。
进一步的，如图3所示，S130中确定用户所处的三角网元及共视卫星，包括：
S131、设定角度阈值，生成三角网。
优选的是，角度阈值为135°-180°。
S132、若与某个基准站相连的所有三角形的内角和大于角度阈值的互周角，则为内部基准站。
S133、以内部基准站为星型网元的主站，与之相连的的基准站为星型网元的辅站，其余基准站为未组网基准站。
S134、将未组网基准站中与之相连的基准站数量最多的基准站作为星型网元的主站，与之相连的基准站为星型网元的辅站，并更新星型网元集合。
S135、根据用户的概略坐标在星型网元进行内插，以距离用户最近的主站所代表的星型网元作为用户所在网元，以用户所在三角网元的共视卫星作为星型网元的共视卫星。
进一步的，还包括在三角网元中选择一个固定位置作为虚拟参考站。
优选的是，固定位置为三角网元所在三角形的重心。
提出星型网元的划分方法，并在每个三角网元内创建固定虚拟参考站位置，用户移动过程中，只要处于单一三角网元覆盖范围内，虚拟参考站的位置始终不变，减少了动态用户不断更新、初始化的次数，有效的提高了搜索效率。
如图4所示，一种基于虚拟参考站检测铁路沉降的系统，包括多个基准站110、数据处理中心120、监测站130、星型网划分模块140和控制中心150。
其中，数据处理中心120用于模糊度固定和模糊度解算，基准站110用于采集观测数据并上传至数据处理中心120，监测站130用于获取用户概略坐标并上传至数据处理中心120，星型网划分模块140用于创建星型构网，并在单个网元内创建固定虚拟参考站，控制中心150与数据处理中心120通信连接，用于根据参数模型和概略目标确定虚拟参考站，并解算得到虚拟观测值。
优选的是，监测站130为可休眠的接收机，能够定时唤醒和外部唤醒。
本发明提供的基于虚拟参考站检测铁路沉降的系统，为卫星定位技术在铁路陈建监测预警中规模化应用提供了硬件基础。
以上所述实施例中，各技术特征可以任意组合，为使描述简洁，未对上述实施例中各技术特征所有可能的组合都进行描述，然而只要这些技术特征组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上内容仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不脱离本发明的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。

Claims (10)

1.一种基于虚拟参考站检测铁路沉降的方法，其特征在于，包括：
步骤一、获取用户的概略坐标和多个基准站的观测数据，并根据所述用户概略坐标和所述观测数据进行模糊度固定；
步骤二、根据固定的模糊度解算出宽巷模糊度，并提取双差大气误差；
步骤三、确定用户所在网元及星型网元的共视卫星；
步骤四、根据用户所处网元确定虚拟参考站，并生成虚拟观测值；
步骤五、每日采集观测数据并上传，监测铁路的位移变化量，当所述位移变化量大于位移阈值时报警。
2.如权利要求1所述的基于虚拟参考站检测铁路沉降的方法，其特征在于，所述观测数据包括伪距观测值和载波观测值。
3.如权利要求2所述的基于虚拟参考站检测铁路沉降的方法，其特征在于，所述步骤一中所述模糊度固定包括：
步骤a、基于伪距观测值与载波观测值建立伪距观测方程和载波观测方程；
所述伪距观测方程为：
Figure FDA0003034501380000011
所述载波观测方程为：
Figure FDA0003034501380000012
式中，下标k表示接收机，上标i表示北斗系统参考星，P表示伪距观测值，ρ表示真实站星距，
Figure FDA0003034501380000013
c表示电磁波传播速度，X,Y,Z表示坐标值，δυGk,sagnc表示地球自转误差，δαk表示组合系数，δt表示钟差，I表示电离层延迟，T表对流层延迟，hd表示硬件延迟，O表示轨道误差，mul表示多路径，rel表示相对论效应，ε表示观测噪声，φ表示以米为单位的载波观测值，
Figure FDA0003034501380000021
表示以周为单位的载波观测值，λ表示波长，N表示整周模糊度，b表示载波初始偏差；
步骤b、对两颗卫星进行星间差分，得到伪距单差方程和载波单差方程；
所述伪距单差方程为：
Figure FDA0003034501380000022
所述载波单差方程为：
Figure FDA0003034501380000023
式中，
Figure FDA0003034501380000024
表示星间单差算子，j表示北斗系统非参考星，σ表示残余误差；
步骤c、根据单差观测方程进行站间差分得到伪距双差方程和载波双差方程；
所述伪距双差方程为：
Figure FDA0003034501380000025
Figure FDA0003034501380000026
所述载波双差方程为：
Figure FDA0003034501380000027
式中，
Figure FDA0003034501380000028
表示双差算子，δρG表示伪距改正系数，ai表示基准站权重，
Figure FDA0003034501380000029
表示基准站电离层的折射改正，
Figure FDA00030345013800000210
表示基准站对流层的折射改正；
步骤d、用伪距减双差方程减去载波双差方程，得到模糊度。
4.如权利要求3所述的基于虚拟参考站检测铁路沉降的方法，其特征在于，所述步骤二中宽巷模糊度的计算公式为：
Figure FDA0003034501380000031
式中，WL表示宽巷组合，f表示频率值，下标x(x＝1,2)表示频点信号频率；
所述电离层延迟提取公式为：
Figure FDA0003034501380000032
Figure FDA0003034501380000033
所述对流层延迟提取公式为：
Figure FDA0003034501380000034
5.如权利要求4所述的基于虚拟参考站检测铁路沉降的方法，其特征在于，所述步骤三中，所述确定用户所处的三角网元及共视卫星，包括：
步骤(1)、设定角度阈值，生成三角网；
步骤(2)、若与某个基准站相连的所有三角形的内角和大于所述角度阈值的互周角，则为内部基准站；
步骤(3)、以所述内部基准站为星型网元的主站，与之相连的的所述基准站为星型网元的辅站，其余所述基准站为未组网基准站；
步骤(4)、将所述未组网基准站中与之相连的基准站数量最多的基准站作为星型网元的主站，与之相连的基准站为星型网元的辅站，并创建星型网元集合；
步骤(5)、根据用户的概略坐标在所述星型网元进行内插，以距离用户最近的主站所代表的星型网元作为用户所在网元，以用户所在三角网元的共视卫星作为星型网元的共视卫星。
6.如权利要求5所述的基于虚拟参考站检测铁路沉降的方法，其特征在于，所述步骤三还包括在三角网元中选择一个固定位置作为虚拟参考站。
7.如权利要求6所述的基于虚拟参考站检测铁路沉降的方法，其特征在于，所述步骤四中生成虚拟观测值包括：
在固定参考站处生成虚拟观测值；
将主参考站与用户概略位置之间的大气误差修正至虚拟观测值。
8.如权利要求7所述的基于虚拟参考站检测铁路沉降的方法，其特征在于，所述角度阈值为135°-180°；
所述固定位置为所述三角网元所在三角形的重心。
9.一种基于虚拟参考站检测铁路沉降的系统，基于如权利要求1-8所述的基于虚拟参考站检测铁路沉降的方法，其特征在于，包括：
数据处理中心，其用于模糊度固定和模糊度解算；
多个基准站，其用于采集观测数据并上传至所述数据处理中心；
监测站，其用于获取用户概略坐标并上传至所述数据处理中心；
星型网划分模块，其用于创建星型构网，并在单个网元内创建固定虚拟参考站；
控制中心，其与所述数据处理中心通信连接，用于根据参数模型和所述概略目标确定虚拟参考站，并解算得到虚拟观测值。
10.如权利要求9所述的基于虚拟参考站检测铁路沉降的系统，其特征在于，所述监测站为可休眠的接收机，能够定时唤醒和外部唤醒。
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