CN113466911A - 一种北斗高精度监测系统及监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种北斗高精度监测系统及监测方法，包括多个监测终端、若干参考站以及监测中心；各个所述监测终端分布在灾害监测点，接收RTCM观测数据并通过LORA或WIFI发送给对应的参考站；每个参考站接收RTCM观测数据，以参考终端的RTCM观测数据作为参考，通过各个监测终端的RTCM观测数据进行解算定位，获取各个所述监测终端的位置信息，通过所述北斗短报文模块以北斗短报文形式发送至所述监测中心；本发明不需要依赖地面移动通信网络，各监测点通过LORA或WIFI，形成自组网通信。本发明网络结构简单可靠、安装便捷方便，可不依赖移动地面网络独立工作，这就为地灾发生时，增强了系统工作的独立性和可靠性。

Description

一种北斗高精度监测系统及监测方法

技术领域

本发明涉及北斗监测技术领域，尤其涉及一种北斗高精度监测系统及监测方法。

背景技术

全球卫星导航系统(globalnavigation satellite system,GNSS)，目前包括四大系统，中国的北斗卫星导航系统(BeiDou navigation satellite system,BDS)、美国的全球定位系统(global positioningsystem,GPS)、欧盟的伽利略卫星导航系统(Galileonavigation satellite system, Galileo)和俄罗斯的格洛纳斯卫星导航系统(globalorbitingnavigation satellite system,GLONASS)。其中，BDS、GPS、GLONASS已服务全球，且系统运行稳定。

传统的北斗高精度监测系统，多是基于移动4G通信信号，将各监测点的原始RTCM观测数据，上传至监测中心，由监测中心进行后处理解算处理，得到各监测点的精度信息。但在实际应用中，某些地质灾害点，存在移动信号覆盖不稳定、信号弱、信号无覆盖的情况，基于传统的，通过4G信号来进行数据传输的方案将变的不可行。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种北斗高精度监测系统及监测方法，利用LORA区域通信或WIFI通信方式和北斗短报文远距通信相结合的方式，实现北斗高精度监测功能。

为达到上述目的，本发明提供了一种北斗高精度监测系统，包括多个监测终端、若干参考站以及监测中心；

各个所述监测终端分布在灾害监测点，接收RTCM观测数据并通过LORA 或WIFI发送给对应的参考站；

每个所述参考站包括参考终端、工控机以及北斗短报文模块；所述参考终端，接收RTCM观测数据；所述工控机以参考终端的RTCM观测数据作为参考，通过各个监测终端的RTCM观测数据进行解算定位，获取各个所述监测终端的位置信息，通过所述北斗短报文模块以北斗短报文形式发送至所述监测中心；

所述监测中心监测所述参考站报送的各个监测终端的位置信息。

进一步地，所述监测终端及参考终端结构相同，均包括一体化天线、LORA 天线、LORA模块、WIFI模块、4G网络模块以及处理器；

所述一体化天线集成了GNSS天线、WIFI天线和4G天线；

所述4G网络模块，通过所述一体化天线收发信号，与监测通信中心远距离通讯；

所述WIFI模块，通过所述一体化天线收发信号，同手机APP连接；

所述GNSS模块，通过所述一体化天线接收卫星信号，接收RTCM观测数据；

所述LORA模块，通过所述LORA天线收发信号；

所述监测终端的处理器配置为：将LORA模块接收到的RTCM观测数据通过所述LORA天线发送；

所述参考终端的处理器配置为：将LORA模块通过LORA天线接收到的各个监测终端的RTCM观测数据以及本参考终端GNSS模块发送的RTCM观测数据，发送给工控机。

进一步地，所述GNSS模块支持北斗B1/B2频点，GPS L1/L2频点和GLONASS G1和G2频点；

或者支持北斗的B1B2B3频点、GPS的L1L2L5频点、伽利略E1E5aE5b频点和格洛纳斯的L1L2频点。

进一步地，所述监测终端的4G网络模块默认为不使用，所述监测终端的处理器能够配置为：接收RTCM观测数据通过一体化天线通过发送4G信号发送；

所述参考终端的4G网络模块默认为不使用，所述参考终端的处理器能够配置为：将本终端的RTCM观测数据通过4G信号，发送到所述监测中心。

进一步地，所述监测终端的处理器能够配置为：接收RTCM观测数据通过一体化天线通过发送WIFI信号发送；

所述参考终端的处理器能够配置为：将WIFI模块通过一体化天线接收到的各个监测终端通过WIFI信号发送的RTCM观测数据，发送给所述工控机。

进一步地，所述监测终端的GNSS模块每隔t0秒接收RTCM观测数据，包括差分数据1074、1084、1124和星历数据1019、1020和1042数据；监测终端的处理器每隔t秒通过LORA或WIFI发送给对应的参考终端；

所述参考终端的GNSS模块每隔t0秒接收RTCM观测数据，并通过串口传送给所述参考终端的处理器；所述参考终端的处理器每隔t秒将各个监测终端通过发送的RTCM观测数据以及参考终端的RTCM观测数据通过串口输出给所述工控机t0<t。

进一步地，所述工控机每隔t1秒进行解算定位，t1>t。

进一步地，所述工控机将各个所述参考站报送的所述监测终端的位置信息打包，形成北斗短报文；

所述北斗短报文格式为：第1个字段表示监测点的个数，占1个字节，范围是1～255；第2个字段，为监测点编号，占2个字节，编号范围为1～ 65535；第3、4、5个字段为结算位置相对于所述参考站的X/Y/Z坐标偏移值。

进一步地，所述监测中心包括监测中心服务器和北斗指挥机；所述北斗指挥机接收各个参考站发送的北斗短报文，所述监测中心服务器由所述北斗短报文获取各个所述监测终端的位置信息，进行存储、显示和监测，当某一监测终端的位置信息变化超过设定阈值时，进行灾害预警。

另一方面提供一种基于所述的北斗高精度监测系统的监测方法，包括：

各个监测终端之间参考终端均设置LORA模块和WIFI模块，配置为通过 LORA模块或WIFI模块传输数据；

各个监测终端通过LORA模块或WIFI模块与对应参考站建立连接；

各个监测终端每隔t0秒接收RTCM观测数据，每隔t秒通过LORA模块或 WIFI模块发送给对应的参考终端；

所述工控机每隔t0秒接收到本参考站的RTCM观测数据，工控机每隔t 秒将接收的各个监测终端的RTCM观测数据，所述工控机每隔t1秒进行解算定位，获取各个所述监测终端的位置信息；t1>t>t0；

如果与参考站建立连接的监测终端不多于5个，则对各个监测终端的位置信息顺序打包形成北斗短报文，通过北斗短报文模块发送至监测中心；如果与参考站建立连接的监测终端多于5个，则划分为5个监测终端的位置信息打包为一个数据包，依次发送各个数据包；

所述监测中心接收到各个参考站发送的北斗短报文，由所述北斗短报文获取各个所述监测终端的位置信息，进行存储、显示和监测，当某一监测终端的位置信息变化超过设定阈值时，进行灾害预警。

本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：

(1)本发明旨在提出一种北斗高精度监测系统及监测方法，通过利用 LORA或WIFI的短距通信方式，将各监测点的原始观测RTCM数据，发送给参考站节点的监测终端，通过在参考站节点的工控计算机进行本地后处理解算，得到各监测点的位置信息，并通过北斗短报文设备，将各监测点的位置信息通过北斗卫星发送给监测中心；采用区域LORA通信或WIFI通信方式，在灾害监测点布置一台工控计算机，用于后处理解算，再结合北斗短报文通信方式，将各监测点的位置信息上传到监测中心。本发明不需要依赖地面移动通信网络，各监测点通过LORA或WIFI，形成自组网通信。可作为传统4G传输方式的有益补充，同时也可以作为传统4G方式的替代。

(2)本发明的监测系统网络结构简单可靠、安装便捷方便，可不依赖移动地面网络独立工作，这就为地灾发生时，增强了系统工作的独立性和可靠性。

(3)本发明的监测系统降低了大量了4G流量带宽，节约了通信费用，具有典型的示范作用和极大的市场应用价值。

附图说明

图1：是本发明的监测系统组成框图；

图2：是监测终端的设备组成框图；

图3：是监测终端的典型工作流程图；

图4：是参考终端的典型工作流程图；

图5：是参考站工控机的典型工作流程图；

图6：是北斗短报文传输格式示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

北斗高精度监测系统由监测终端、参考站和监测中心三部分组成。其中监测终端根据地灾监测典型需求，一般一个地质灾害监测点，需布置3台到 10台监测终端不等，覆盖区域约10公里内。

各监测终端通过LORA或WIFI，同参考站节点的参考终端进行连接，并将监测终端接收到的原始RTCM观测数据传输给参考站节点的监测终端。

参考站由1台参考终端、1台工控机和1台北斗短报文设备组成。其中参考终端配置成参考站终端使用，作为固定参考点。参考终端分别通过LORA 或WIFI接收各个监测终端的原始RTCM观测数据。

工控机分别通过两个串口和参考终端、北斗短报文设备进行连接通信。工控机接收各监测点的原始RTCM观测数据和参考站的原始RTCM观测数据，利用北斗高精度后处理解算软件，解算出各监测点的位置信息，并通过串口，将各监测节点的位置信息发送给北斗短报文终端设备，北斗短报文终端设备通过北斗卫星，上传到监测中心。

监测中心由监测中心服务器和北斗指挥机组成。其中北斗指挥机用于接收各地灾灾害点参考站节点的各监测点的位置信息。监测中心服务器用于存储、显示、预警和管理各地质灾害监测点信息。

进一步地，所述监测终端及参考终端结构相同，结合图2，均包括一体化天线、LORA天线、LORA模块、WIFI模块、4G网络模块以及处理器。但各个模块的配置存在不同。

所述一体化天线集成了GNSS天线、WIFI天线和4G天线。GNSS、WIFI、 4G的天线采用一体化的设计，便于设备小型化、结构工艺简单、可靠。一体化天线分别出三根射频线缆，分别将信号接入到GNSS模块、4G网络模块和 WIFI模块。

所述4G网络模块，通过所述一体化天线收发信号，与监测中心远距离通讯。

进一步地，用于实现将终端采集的GNSS RTCM原始数据和状态数据传输给监测中心，4G网络模块默认为不使用。4G网络模块通过串口连接到所述处理器。如果需要使用4G网络，则可以进行配置。所述监测终端的处理器能够配置为：接收RTCM观测数据通过一体化天线通过发送4G信号发送至监测中心；所述参考终端的4G网络模块默认为不使用，所述参考终端的处理器能够配置为：将本终端的RTCM观测数据通过4G信号发送给监测中心。设计支持4G全网通的功能，目的是保证设备的兼容性，以便应用于更多的使用场景。

所述WIFI模块，通过所述一体化天线收发信号，同手机APP连接。进一步地，WIFI模块提供近距离通信功能，WIFI模块默认为用于连接手机APP，通过手机APP对终端进行配置和维护操作。如果需要传输，所述监测终端的处理器能够配置为：接收RTCM观测数据通过一体化天线通过发送WIFI信号发送。WIFI模块通过串口和处理器进行连接。

在一个实施例中处理器采用低功耗单片机。

所述参考终端的处理器能够配置为：将WIFI模块通过一体化天线接收到的各个监测终端通过WIFI信号发送的RTCM观测数据，发送给所述工控机。

所述GNSS模块，通过所述一体化天线接收卫星信号，接收RTCM观测数据。GNSS模块为终端设备的核心部件，采用低功耗双频RTK模组，支持北斗 B1/B2频点，GPS L1/L2频点和GLONASS G1和G2频点。通过串口和低功耗单片机进行连接。

进一步的，根据工作需要，GNSS定位模块也可选择四系统全频点的接收机，即包括北斗的B1B2B3频点、GPS的L1L2L5频点、伽利略E1E5aE5b频点和格洛纳斯的L1L2频点，采用四系统全频点优点是信号更多更强，抗干扰更强，定位精度更高，缺点是功耗比较高，设备成本也较高。

所述LORA模块，通过所述LORA天线收发信号。LORA模块通过串口和处理器进行连接，用于实现短距离(典型5～10KM)通信，实现自组网功能。

所述监测终端的处理器配置为：将LORA模块接收到的RTCM观测数据通过所述LORA天线发送。

所述参考终端的处理器配置为：将LORA模块通过LORA天线接收到的各个监测终端的RTCM观测数据以及本参考终端GNSS模块发送的RTCM观测数据，发送给工控机。

进一步地，各个监测终端和参考终端还设置电源管理模块，为终端中的各个模块提供可靠的电源设计，同时也支持对各个模块的电源管理、关断、打开，从而保证节能的目标。

进一步地，电源管理模块默认内置16.8V、2500mAH可充电锂电池，整机典型功耗约1W，内置电池典型工作可大于4个小时。内置锂电池，可避免终端设备在户外工作时，突发外部电源不稳定、短时断电，从而保证终端设备工作的稳定性。

在一个实施例中，如图1所示，一个监测点设置3个监测终端。

进一步的，如图3所示。监测终端的典型工作模式如下，监测终端加电启动后，首先通过LORA或WIFI和参考站的参考终端建立TCP连接。监测终端的GNSS接收机模组默认会每秒接收到原始RTCM观测数据，RTCM数据主要包括差分数据1074、1084、1124和星历数据1019、1020和1042数据。

监测终端的单片机处理器默认按5秒的频率，将监测终端的GNSS原始 RTCM观测数据，通过LORA或WIFI发送给参考站节点的参考终端。

进一步的，默认5秒发送频率，可进行配置，默认可配置成5秒、10秒、 15秒和30秒。根据系统实际带宽、存储能力、计算能力和解算需要进行设置。

进一步的，如图4所示。参考站典型工作流程如下，参考站节点的参考终端作为服务器端，通过LORA或WIFI，等待各监测终端建立TCP连接，并对各监测终端的TCP连接进行管理。

进一步的，参考站的参考终端设备的处理器会从GNSS接收机模组收到本参考站的原始RTCM观测数据，默认频率为1秒。

进一步的，参考站的参考终端设备的处理器从各监测终端接收原始RTCM 观测数据。

进一步的，参考站的参考终端设备处理器，默认按5秒，将各监测终端的原始RTCM观测数据和本参考终端的RTCM观测数据，通过串口传输出给本地的工控计算机。

进一步的，这里默认5秒频率，应和前面的监测终端上传原始RTCM数据的频率保持一致。

进一步的，如图5所示。工控计算机的典型工作流程如下，工控计算机通过串口接收来自参考站节点的参考终端输出的本地监测终端和各外地监测终端的原始RTCM观测数据，并将接收到的RTCM数据，进行队列存储。

进一步的，运行于工控计算机的北斗高精度后处理软件，将调用之前存储的各监测终端的原始RTCM观测数据，可默认按30分钟一次，进行后处理解算，输出的各监测终端的位置结果精度，水平可达到5mm精度，高程可达到10mm精度。

进一步的，30分钟的解算频率，可根据用户需要进行配置，一般典型配置为15分、30分钟、60分钟、120分钟。

进一步的，工控计算机将各监测点的位置信息，进行打包，发送给北斗短报文设备，由北斗短报文设备通过北斗卫星将各监测点的位置信息发送给监测中心。

进一步的，北斗短报文的传输协议可设计成如图6所示。协议第1个字段表示监测点的个数，占1个字节，范围是1～255。第2个字段，为监测点编号，占2个字节，编号范围为1～65535，第3、4、5个字段为监测点的X/Y/Z 坐标，表示和参考站的偏移值，单位精度为0.1毫米。

北斗短报文常用用户卡，单次传输的最大字节为78个字节，这里1个监测点占用14个字节，也即一次能传输(78-1)/14＝5.5，即一次可传输5 个监测点信息。超过5个监测点，则划分为5个监测终端的位置信息打包为一个数据包，重新打包，依次发送各个数据包。

进一步的，监测中心，通过配置一台北斗指挥机，用于接收各个监测点通过北斗短报文上传过来的各监测点的位置信息。

本发明另一方面提供一种基于所述的北斗高精度监测系统的监测方法，包括以下步骤：

(1)各个监测终端之间参考终端均设置LORA模块和WIFI模块，配置为通过LORA模块或WIFI模块传输数据。一般一个地质灾害监测点，需布置3 台到10台监测终端不等，覆盖区域约10公里内。

(2)各个监测终端通过LORA模块或WIFI模块与对应参考站建立TCP 连接。

(3)各个监测终端每隔t0秒接收RTCM观测数据，每隔t秒通过LORA 模块或WIFI模块发送给对应的参考终端。

(4)工控机每隔t秒将接收到各个监测终端的RTCM观测数据，所述工控机每隔t0秒接收到本参考站的RTCM观测数据，所述工控机每隔t1秒进行解算定位，获取各个所述监测终端的位置信息；t1>t>t0。

t1的取值范围为：15min～120min；t的取值范围为：5s～120s，t0 的取值范围默认为1～5s。

例如每隔5秒接收一次，30分钟集中解算一次。相当于30分钟内，收到360条原始数据，依据这360条的原始数据，进行高精度解算。

如果与参考站建立连接的监测终端不多于5个，则对各个监测终端的位置信息顺序打包形成北斗短报文，通过北斗短报文模块发送至监测中心；如果与参考站建立连接的监测终端多于5个，则划分为5个监测终端的位置信息打包为一个数据包，重新打包，依次发送各个数据包；例如有12个点。第 1次发送第1～5点的打包数据；第2次发送第6～10点的打包数据；第3次发送需要发送第11～12点的数据。

(5)所述监测中心接收到各个参考站发送的北斗短报文，由所述北斗短报文获取各个所述监测终端的位置信息，进行存储、显示和监测，当某一监测终端的位置信息变化超过设定阈值时，进行灾害预警。例如位置信息变化，水平位置超过了5厘米，高程超过了10厘米进行报警；报警的阈值可以作为设置参数进行系统设置。

综上所述，本发明的一种北斗高精度监测系统及监测方法，通过利用 LORA或WIFI的短距通信方式，将各监测点的原始观测RTCM数据，发送给参考站节点的监测终端，通过在参考站节点的工控计算机进行本地后处理解算，得到各监测点的位置信息，并通过北斗短报文设备，将各监测点的位置信息通过北斗卫星发送给监测中心。本发明不需要依赖地面移动通信网络，各监测点通过LORA或WIFI，形成自组网通信。本发明网络结构简单可靠、安装便捷方便，可不依赖移动地面网络独立工作，这就为地灾发生时，增强了系统工作的独立性和可靠性，同时还降低了大量了4G流量带宽，节约了通信费用，具有典型的示范作用和极大的市场应用价值。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (10)

1.一种北斗高精度监测系统，其特征在于，包括多个监测终端、若干参考站以及监测中心；

各个所述监测终端分布在灾害监测点，接收RTCM观测数据并通过LORA或WIFI发送给对应的参考站；

每个所述参考站包括参考终端、工控机以及北斗短报文模块；所述参考终端，接收RTCM观测数据；所述工控机以参考终端的RTCM观测数据作为参考，通过各个监测终端的RTCM观测数据进行解算定位，获取各个所述监测终端的位置信息，通过所述北斗短报文模块以北斗短报文形式发送至所述监测中心；

所述监测中心监测所述参考站报送的各个监测终端的位置信息。

2.根据权利要求1所述的北斗高精度监测系统，其特征在于，所述监测终端及参考终端结构相同，均包括一体化天线、LORA天线、LORA模块、WIFI模块、4G网络模块以及处理器；

所述一体化天线集成了GNSS天线、WIFI天线和4G天线；

所述4G网络模块，通过所述一体化天线收发信号，与监测通信中心远距离通讯；

所述WIFI模块，通过所述一体化天线收发信号，同手机APP连接；

所述GNSS模块，通过所述一体化天线接收卫星信号，接收RTCM观测数据；

所述LORA模块，通过所述LORA天线收发信号；

所述监测终端的处理器配置为：将LORA模块接收到的RTCM观测数据通过所述LORA天线发送；

所述参考终端的处理器配置为：将LORA模块通过LORA天线接收到的各个监测终端的RTCM观测数据以及本参考终端GNSS模块发送的RTCM观测数据，发送给工控机。

3.根据权利要求2所述的北斗高精度监测系统，其特征在于，所述GNSS模块支持北斗B1/B2频点，GPS L1/L2频点和GLONASS G1和G2频点；

或者支持北斗的B1B2B3频点、GPS的L1L2L5频点、伽利略E1E5aE5b频点和格洛纳斯的L1L2频点。

4.根据权利要求2所述的北斗高精度监测系统，其特征在于，所述监测终端的4G网络模块默认为不使用，所述监测终端的处理器能够配置为：接收RTCM观测数据通过一体化天线通过发送4G信号发送到所述监测中心；

所述参考终端的4G网络模块默认为不使用，所述参考终端的处理器能够配置为：将本终端的RTCM观测数据通过4G信号，发送到所述监测中心。

5.根据权利要求2所述的北斗高精度监测系统，其特征在于，所述监测终端的处理器能够配置为：接收RTCM观测数据通过一体化天线通过发送WIFI信号发送；

所述参考终端的处理器能够配置为：将WIFI模块通过一体化天线接收到的各个监测终端通过WIFI信号发送的RTCM观测数据，发送给所述工控机。

6.根据权利要求1或2所述的北斗高精度监测系统，其特征在于，所述监测终端的GNSS模块每隔t0秒接收RTCM观测数据，包括差分数据1074、1084、1124和星历数据1019、1020和1042数据；监测终端的处理器每隔t秒通过LORA或WIFI发送给对应的参考终端；

所述参考终端的GNSS模块每隔t0秒接收RTCM观测数据，并通过串口传送给所述参考终端的处理器；所述参考终端的处理器每隔t秒将各个监测终端通过发送的RTCM观测数据以及参考终端的RTCM观测数据通过串口输出给所述工控机t0<t。

7.根据权利要求6所述的北斗高精度监测系统，其特征在于，所述工控机每隔t1秒进行解算定位，t1>t。

8.根据权利要求1或2所述的北斗高精度监测系统，其特征在于，所述工控机将各个所述参考站报送的所述监测终端的位置信息打包，形成北斗短报文；

所述北斗短报文格式为：第1个字段表示监测点的个数，占1个字节，范围是1～255；第2个字段，为监测点编号，占2个字节，编号范围为1～65535；第3、4、5个字段为结算位置相对于所述参考站的X/Y/Z坐标偏移值。

9.根据权利要求1或2所述的北斗高精度监测系统，其特征在于，所述监测中心包括监测中心服务器和北斗指挥机；所述北斗指挥机接收各个参考站发送的北斗短报文，所述监测中心服务器由所述北斗短报文获取各个所述监测终端的位置信息，进行存储、显示和监测，当某一监测终端的位置信息变化超过设定阈值时，进行灾害预警。

10.一种基于权利要求1-9之一所述的北斗高精度监测系统的监测方法，其特征在于，包括：

各个监测终端之间参考终端均设置LORA模块和WIFI模块，配置为通过LORA模块或WIFI模块传输数据；

各个监测终端通过LORA模块或WIFI模块与对应参考站建立连接；

各个监测终端每隔t0秒接收RTCM观测数据，每隔t秒通过LORA模块或WIFI模块发送给对应的参考终端；

所述工控机每隔t0秒接收到本参考站的RTCM观测数据，工控机每隔t秒将接收的各个监测终端的RTCM观测数据，所述工控机每隔t1秒进行解算定位，获取各个所述监测终端的位置信息；t1>t>t0；

如果与参考站建立连接的监测终端不多于5个，则对各个监测终端的位置信息顺序打包形成北斗短报文，通过北斗短报文模块发送至监测中心；如果与参考站建立连接的监测终端多于5个，则划分为5个监测终端的位置信息打包为一个数据包，依次发送各个数据包；

所述监测中心接收到各个参考站发送的北斗短报文，由所述北斗短报文获取各个所述监测终端的位置信息，进行存储、显示和监测，当某一监测终端的位置信息变化超过设定阈值时，进行灾害预警。

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