CN113805209A - 一种适用于柱体的双天线北斗监测方法及系统 - Google Patents

一种适用于柱体的双天线北斗监测方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适用于柱体的双天线北斗监测方法，包括如下步骤：第一步：天线A、天线B以及待测物的观测点共线；第二步：计算天线A搜到的卫星Si的坐标以及天线B搜到的卫星Sj的坐标；第三步：计算第一虚拟观测值；第四步：参照第三步，计算第二虚拟观测值；第五步：将第一虚拟观测值和第二虚拟观测值进行处理，得到最终虚拟观测值；解算最终虚拟观测值得到监测结果。本发明的方法通过对第一虚拟观测值和第二虚拟观测值处理，生成待测物观测点的最终虚拟观测值，并通过解算最终虚拟观测值从而得出监测结果，监测精度高。本发明还公开了一种适用于柱体的双天线北斗监测系统，通过设置双天线能有效避免柱状物阻挡卫星信号。

Description

一种适用于柱体的双天线北斗监测方法及系统
技术领域
本发明涉及北斗监测领域，具体涉及一种适用于柱体的双天线北斗监测方法及系统。
背景技术
北斗卫星导航系统是我国自主研发的全天时、全天候提供高精度位置信息的导航定位系统，北斗监测对于某些特殊的应用场景，比如网络运营商柱状信号铁塔、风机塔筒、桥墩等柱状物体的监测应用中存在下列问题：1、柱状物顶端不方便安装北斗设备，因此只能在柱状物外圆周表面安装设备，但是安装在柱状物体表面会引发另一个问题，柱状物会遮挡一部分信号，对于半径较大的柱状物，仅能接收一半的卫星信号，造成监测站信号不完整；2、对于风机塔筒、桥墩等建筑物的监测通常需要监测建筑物中心点的位移量，传统的卫星监测方法无法实现。
综上所述，急需一种适用于柱体的双天线北斗监测方法及系统以解决现有技术中柱状物阻挡卫星信号以及缺少对柱状物中心点位移监测的问题。
发明内容
本发明目的在于提供一种适用于柱体的双天线北斗监测方法及系统，以解决现有技术中柱状物阻挡卫星信号以及缺少对柱状物中心点位移监测问题。
一种适用于柱体的双天线北斗监测方法，包括如下步骤：
第一步：将天线A和天线B沿待测物的周向设置在待测物上，天线A、天线B以及待测物的观测点共线，观测点为待测物中轴线上的一点；
第二步：根据天线A以及天线B获取的数据进行定位，得到天线A以及天线B的坐标；根据卫星星历计算天线A搜到的卫星Si的坐标以及天线B搜到的卫星Sj的坐标；
第三步：根据天线A以及卫星Si的坐标计算在待测物的观测点观测卫星Si的第一虚拟观测值；
第四步：参照第三步，根据天线B以及卫星Sj的坐标计算在待测物的观测点观测卫星Sj的第二虚拟观测值；
第五步：将第一虚拟观测值和第二虚拟观测值进行处理，得到最终虚拟观测值；解算最终虚拟观测值得到监测结果。
以上技术方案优选的，所述第一步中，将天线A和天线B调整至同一水平高度。
以上技术方案优选的，所述第二步中，对天线A以及天线B进行精密单点定位，得到天线A以及天线B的坐标。
以上技术方案优选的，O为待测物观测点，U为高程方向坐标轴，N为北方向坐标轴，E为东方向坐标轴；D为卫星Si在EAN平面的投影，SiD垂直于EAN平面，D为垂足；DC垂直于AC，C为垂足；AF垂直于OSi，F为垂足；∠SiAD为天线A相对卫星Si的卫星高度角，∠DAC为线段AC与线段AD夹角，∠SiAC为线段AC与线段ASi的夹角；
所述第三步中，第一虚拟观测值包括虚拟载波观测值以及虚拟伪距观测值，虚拟载波观测值以及虚拟伪距观测值如式1)所示；
Figure BDA0003254690860000021
其中，
Figure BDA0003254690860000022
分别为在待测物观测点O观测到卫星Si的L1、L2的虚拟载波观测值；
Figure BDA0003254690860000023
分别为天线A观测到卫星Si的L1、L2虚拟载波观测值；λ1、λ2分别为L1、L2载波的波长；
Figure BDA0003254690860000024
分别为在待测物观测点O观测到卫星Si的P1、P2虚拟伪距观测值；
Figure BDA0003254690860000025
Figure BDA0003254690860000026
分别为天线A观测到卫星Si的P1、P2虚拟伪距观测值；O为待测物观测点，OSi为O到卫星Si的距离；AF为天线A到OSi的最短距离，F为AF在OSi上的垂足；OF为O到F的距离。
以上技术方案优选的，所述式1)中，OF的计算如式2)所示；
OF＝OA*cos(∠SiAC)＝OA*cos(∠SiAD)*cos(∠DAC) 2)；
其中，D为Si在EAN平面的投影；OA为O到天线A的距离；DC为OA延长线的垂线，C为垂足。
以上技术方案优选的，所述第五步中，对于天线A和天线B共同搜到的卫星，取第一虚拟观测值和第二虚拟观测值的平均值为最终虚拟观测值，对天线A和天线B单独搜到的卫星，取第一虚拟观测值和第二虚拟观测值进行数据融合，得到最终虚拟观测值；
或者是，第五步中，将第一虚拟观测值和第二虚拟观测值均进行数据融合，得到最终虚拟观测值。
一种适用于柱体的双天线北斗监测系统，用于实现所述的适用于柱体的双天线北斗监测方法，双天线北斗监测系统包括天线A、天线B、数据融合模块、通信模块以及数据解算模块；所述天线A以及天线B沿待测物的周向安装在待测物上，且天线A以及天线B关于待测物中轴线对称；所述天线A以及天线B分别与数据融合模块连接；所述数据融合模块通过通信模块与数据解算模块通讯连接。
以上技术方案优选的，所述天线A以及天线B分别通过两组天线支架安装在同一水平位置。
以上技术方案优选的，所述天线A以及天线B均与天线支架螺纹连接，天线A以及天线B通过螺纹调整竖向位置。
以上技术方案优选的，还包括水平管；水平管的两端分别连接天线A以及天线B，且水平管内设有液体，通过液体的液位观测天线A和天线B的竖向相对位置。
应用本发明的技术方案，具有以下有益效果：
(1)本发明的适用于柱体的双天线北斗监测方法通过对第一虚拟观测值和第二虚拟观测值处理，生成待测物观测点的最终虚拟观测值，并通过解算最终虚拟观测值从而得出监测结果，监测精度高。
本发明还公开了一种适用于柱体的双天线北斗监测系统，用于实现所述的适用于柱体的双天线北斗监测方法，通过设置双天线(即天线A和天线B)能有效避免柱状物阻挡卫星信号，数据融合模块对第一虚拟观测值和第二虚拟观测值进行处理并通过通信模块向数据解算模块传输，进而解算出监测结果。
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是本实施例的适用于柱体的双天线北斗监测系统安装完成的示意图；
图2是本实施例的适用于柱体的双天线北斗监测系统的连接示意图；
图3是图1中天线A和天线B的搜星示意图；
图4是以天线A的中心点为原点的直角坐标系下卫星传输几何示意图；
其中，1、天线A；2、天线B；3、天线支架；4、水平管；5、待测物；6、电源。
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：
一种适用于柱体的双天线北斗监测方法，包括如下步骤：
第一步：将天线A和天线B沿待测物(如柱形塔筒)的周向设置在待测物上，天线A的中心点、天线B的中心点以及待测物的观测点O共线，观测点O为待测物中轴线上的一点；将天线A和天线B调整至同一水平高度。
第二步：根据天线A以及天线B获取的数据进行精密单点定位，得到天线A的坐标(xA、yA、zA)以及天线B的坐标(xB、yB、zB)；如图3所示，根据卫星星历计算天线A搜到的卫星Si的坐标(xS、yS、zS)以及天线B搜到的卫星Sj的坐标(xj、yj、zj)；此处卫星Si为天线A单独搜到的卫星，卫星Sj为天线B单独搜到的卫星，卫星Sk为天线A和天线B共同搜到的卫星；
第三步：根据天线A的坐标(xA、yA、zA)以及卫星Si的坐标(xs、ys、zs)计算在待测物观测点O观测卫星Si的第一虚拟观测值；
具体计算过程如下，如图4所示：
第一虚拟观测值包括虚拟载波观测值以及虚拟伪距观测值，虚拟载波观测值以及虚拟伪距观测值如式1)所示；
Figure BDA0003254690860000051
其中，
Figure BDA0003254690860000061
分别为在待测物观测点O观测到卫星Si的L1、L2的虚拟载波观测值；
Figure BDA0003254690860000062
分别为天线A观测到卫星Si的L1、L2虚拟载波观测值；λ1、λ2分别为L1、L2载波的波长；
Figure BDA0003254690860000063
分别为在待测物观测点O观测到卫星Si的P1、P2虚拟伪距观测值；
Figure BDA0003254690860000064
Figure BDA0003254690860000065
分别为天线A观测到卫星Si的P1、P2虚拟伪距观测值；O为待测物观测点，OSi为O到卫星Si的距离；AF为天线A到OSi的最短距离，F为AF在OSi上的垂足；OF为O到F的距离。
如图4所示，OF的计算过程如式2)和式3)所示，O为待测物观测点(O为天线A和天线B的中点)，U为高程方向坐标轴，N为北方向坐标轴，E为东方向坐标轴；D为卫星Si在EAN平面的投影，SiD垂直于EAN平面，D为垂足；DC垂直于AC，C为垂足；AF垂直于OSi，F为垂足；∠SiAD为天线A相对卫星Si的卫星高度角，∠NAD为向量
Figure BDA0003254690860000066
的坐标方位角，∠DAC为线段AC与线段AD的夹角，∠NAC为线段AC与N轴的夹角，∠SiAC为线段AC与线段ASi的夹角，∠FOA为线段OSi与线段OA的夹角：
OF＝OA*cos(∠SiAC)＝OA*cos(∠SiAD)*cos(∠DAC) 2)；
Figure BDA0003254690860000067
如图4所示，根据天线A和卫星Si的坐标，计算出卫星高度角∠SiAD和向量
Figure BDA0003254690860000068
的坐标方位角∠NAD，并计算出ASi的长度，OA的长度(即O到天线A的距离)根据待测物半径以及天线A的中心点距待测物表面距离计算得到；同时，卫星Si与地面距离远大于OA距离，∠ASiO约等于0(∠ASiO为线段ASi与线段SiO的夹角)，因此可以认为ASi与OSi平行，因此可得∠FOA≈∠SiAC。
第四步：参照第三步，根据天线B的坐标(xB、yB、zB)以及卫星Sj的坐标(xj、yj、zj)计算在待测物观测点O观测卫星Sj的第二虚拟观测值(包括虚拟载波观测值以及虚拟伪距观测值)；
第五步：将第三步和第四步中的第一虚拟观测值和第二虚拟观测值进行数据融合(即将在待测物观测点O观测到的卫星的第一虚拟观测值和第二虚拟观测值的虚拟载波观测值以及虚拟伪距观测值对应合并)，得到最终虚拟观测值；解算最终虚拟观测值得到监测结果；优选的，对于天线A和天线B共同搜到的卫星Sk，取第一虚拟观测值和第二虚拟观测值的平均值为最终虚拟观测值。
本实施例还公开了一种适用于柱体的双天线北斗监测系统，用于实现所述的适用于柱体的双天线北斗监测方法，双天线北斗监测系统包括天线A(标号为1)、天线B(标号为2)、数据融合模块、通信模块以及数据解算模块，如图1和2所示，具体如下：
所述天线A以及天线B沿待测物的周向安装在待测物5(圆柱体)上，且天线A和天线B关于待测物的中轴线对称。
优选的，所述天线A以及天线B分别通过两组天线支架3安装在待测物的同一水平位置上，所述天线A以及天线B均与天线支架螺纹连接，天线A以及天线B能通过螺纹调整竖向位置。
优选的，还包括水平管4，水平管的两端分别连接天线A以及天线B(连接在天线A和天线B的同一位置)，水平管内设有液体，通过水平管内液体的液位观测天线A和天线B在竖向的相对位置，即观测是否在同一水平位置，从而便于天线A和天线B调整为同一水平位置。
如图2所示，所述天线A以及天线B分别与数据融合模块连接；所述数据融合模块通过通信模块(4G通信模块)与数据解算模块通讯连接。
所述数据融合模块根据天线A以及天线B获取的数据进行精密单点定位，得到天线A以及天线B的坐标；数据融合模块根据卫星星历计算天线A搜到的卫星Si的坐标以及天线B搜到的卫星Sj的坐标；数据融合模块根据天线A以及卫星Si的坐标计算待测物观测点O观测卫星Si的第一虚拟观测值；数据融合模块根据天线B以及卫星Sj的坐标计算待测物观测点O观测卫星Sj的第二虚拟观测值；数据融合模块将第一虚拟观测值以及第二虚拟观测值进行处理后，通过通信模块传输至数据解算模块进行解算，从而得出监测结果。
如图2所示，图2未示意数据解算模块，所述天线A和天线B均包括互相连接的接收天线和北斗芯片，北斗芯片与数据融合模块连接。
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 (10)

1.一种适用于柱体的双天线北斗监测方法，其特征在于，包括如下步骤：
第一步：将天线A(1)和天线B(2)沿待测物的周向设置在待测物(5)上，天线A、天线B以及待测物的观测点共线，观测点为待测物中轴线上的一点；
第二步：根据天线A以及天线B获取的数据进行定位，得到天线A以及天线B的坐标；根据卫星星历计算天线A搜到的卫星Si的坐标以及天线B搜到的卫星Sj的坐标；
第三步：根据天线A以及卫星Si的坐标计算在待测物的观测点观测卫星Si的第一虚拟观测值；
第四步：参照第三步，根据天线B以及卫星Sj的坐标计算在待测物的观测点观测卫星Sj的第二虚拟观测值；
第五步：将第一虚拟观测值和第二虚拟观测值进行处理，得到最终虚拟观测值；解算最终虚拟观测值得到监测结果。
2.根据权利要求1所述的适用于柱体的双天线北斗监测方法，其特征在于，所述第一步中，将天线A和天线B调整至同一水平高度。
3.根据权利要求1所述的适用于柱体的双天线北斗监测方法，其特征在于，所述第二步中，对天线A以及天线B进行精密单点定位，得到天线A以及天线B的坐标。
4.根据权利要求1所述的适用于柱体的双天线北斗监测方法，其特征在于，O为待测物观测点，U为高程方向坐标轴，N为北方向坐标轴，E为东方向坐标轴；D为卫星Si在EAN平面的投影，SiD垂直于EAN平面，D为垂足；DC垂直于AC，C为垂足；AF垂直于OSi，F为垂足；∠SiAD为天线A相对卫星Si的卫星高度角，∠DAC为线段AC与线段AD夹角，∠SiAC为线段AC与线段ASi的夹角；
所述第三步中，第一虚拟观测值包括虚拟载波观测值以及虚拟伪距观测值，虚拟载波观测值以及虚拟伪距观测值如式1)所示；
Figure FDA0003254690850000021
其中，
Figure FDA0003254690850000022
分别为在待测物观测点O观测到卫星Si的L1、L2的虚拟载波观测值；
Figure FDA0003254690850000023
分别为天线A观测到卫星Si的L1、L2虚拟载波观测值；λ1、λ2分别为L1、L2载波的波长；
Figure FDA0003254690850000024
分别为在待测物观测点O观测到卫星Si的P1、P2虚拟伪距观测值；
Figure FDA0003254690850000025
Figure FDA0003254690850000026
分别为天线A观测到卫星Si的P1、P2虚拟伪距观测值；OSi为O到卫星Si的距离；AF为天线A到OSi的最短距离，F为AF在OSi上的垂足；OF为O到F的距离。
5.根据权利要求4所述的适用于柱体的双天线北斗监测方法，其特征在于，所述式1)中，OF的计算如式2)所示；
OF＝OA*cos(∠SiAC)＝OA*cos(∠SiAD)+cos(∠DAC) 2)；
其中，D为Si在EAN平面的投影；OA为O到天线A的距离；DC为OA延长线的垂线，C为垂足。
6.根据权利要求4所述的适用于柱体的双天线北斗监测方法，其特征在于，所述第五步中，对于天线A和天线B共同搜到的卫星，取第一虚拟观测值和第二虚拟观测值的平均值为最终虚拟观测值，对天线A和天线B单独搜到的卫星，取第一虚拟观测值和第二虚拟观测值进行数据融合，得到最终虚拟观测值；
或者是，第五步中，将第一虚拟观测值和第二虚拟观测值均进行数据融合，得到最终虚拟观测值。
7.一种适用于柱体的双天线北斗监测系统，用于实现权利要求1～6任意一项所述的适用于柱体的双天线北斗监测方法，其特征在于，双天线北斗监测系统包括天线A(1)、天线B(2)、数据融合模块、通信模块以及数据解算模块；所述天线A以及天线B沿待测物的周向安装在待测物(5)上，且天线A以及天线B关于待测物中轴线对称；所述天线A以及天线B分别与数据融合模块连接；所述数据融合模块通过通信模块与数据解算模块通讯连接。
8.根据权利要求7所述的适用于柱体的双天线北斗监测系统，其特征在于，所述天线A以及天线B分别通过两组天线支架(3)安装在同一水平位置。
9.根据权利要求8所述的适用于柱体的双天线北斗监测系统，其特征在于，所述天线A以及天线B均与天线支架螺纹连接，天线A以及天线B通过螺纹调整竖向位置。
10.根据权利要求9所述的适用于柱体的双天线北斗监测系统，其特征在于，还包括水平管(4)；水平管的两端分别连接天线A以及天线B，且水平管内设有液体，通过液体的液位观测天线A和天线B的竖向相对位置。
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