CN113819837B - 一种低功耗低成本高精度的导航卫星表面变形监测系统 - Google Patents

一种低功耗低成本高精度的导航卫星表面变形监测系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种低功耗低成本高精度的导航卫星表面变形监测系统，属于区域表面定位监测技术领域。云服务器，所述云服务器用于转发基站差分数据，接收现场监测数据，监控设备运行状态，对数据自动化分析处理，并提供实时报警；卫星定位基准站，所述卫星定位基准站用于接收卫星数据并实时将基站差分数据传送至云服务器；监测点流动站，所述监测点流动站用于接收卫星数据并从云服务器下载基站差分数据，计算位置固定解并发送给云服务器；本申请充分利用新方法、新仪器、新技术应急监测能力建设，将河道巡查监测常态化，广域化，实现岸坡变形数据的全面性、系统性和实时性，同时可以做到对正在发生或即将发生的崩岸险情段进行报警，并加密监测。

Description

一种低功耗低成本高精度的导航卫星表面变形监测系统
技术领域
本发明属于区域表面定位监测技术领域，具体涉及低功耗低成本高精度的导航卫星表面变形监测系统。
背景技术
三峡水库蓄水运用以来，长江中下游干流河道输沙量锐减，河床冲刷加剧，长江中下游干流河道崩岸较蓄水前有所加剧，崩岸险情时有发生，影响堤防安全；随着长期清水下泄，今后长江中下游河道崩岸治理任务将十分繁重，尤其是崩岸具有突发性、隐蔽性，预警难度极大，目前河道崩岸预警监测存在监测频次不够，监测资料连续性差，实时性与精度存在不足，难以有效地根据观测资料及时发现或预警潜在性崩岸，崩岸险情多发与崩岸监测及分析预警能力不足的矛盾突出，因此急需建立崩岸监测预警，研发新的监测系统来解决现有的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低功耗低成本高精度的导航卫星表面变形监测系统，以解决现有岸坡、矿坑等表面变形无法高精度监测的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：本发明的一种低功耗低成本高精度的导航卫星表面变形监测系统，包括：
卫星定位基准站，用于接收卫星数据并实时将基站差分数据传送至云服务器；
监测点流动站，用于接收卫星数据并从云服务器下载基站差分数据，计算位置固定解并经采集数据传输单元发送给云服务器；
云服务器，用于转发基站差分数据，接收现场监测数据，监控设备运行状态，对数据自动化分析处理，并提供实时报警；
数据接收存储模块，用于接收所述监测点流动站的监测数据，把原始数据存入数据库，以便用户分析使用；同时分析监测数据，与数据库中预设的监测报警值进行对比，当满足预设的条件时，通过监测报警模块进行报警；并按预设的报警策略调整现场监测频率；
数据处理分析显示模块，用于GPS基线处理、实时网平差、质量检验、辅助监测数据处理、单点分析、日常报表、断面分析、预警预报和三维分析；
设备控制模块，用于对所有设备进行初始设置，在运行期间设置流动站的采样频率；
监测报警模块，用于设置报警值、报警策略和报警方式。
上述卫星定位基准站包括定位板卡、基准站差分数据传输单元和天线；
所述定位板卡为定位定向板卡，支持 BDS-3、Galileo、GLONASS、GPS信号体制；
所述基准站差分数据传输单元将所述定位板卡接收的卫星数据，通过GPRS网络向所述云服务器发送差分信息；
所述天线为用于接收卫星信号的覆盖 BDS-3、Galileo、GLONASS、GPS四星多频外置飞碟天线。
上述监测点流动站包括卫星定位板卡、差分数据传输单元、采集数据传输单元和天线；
所述卫星定位板卡，用于接收卫星信号，并结合差分数据传输单元传送的基站差分数据计算出位置的精确固定解；
所述差分数据传输单元,用于从所述云服务器下载基站差分数据，并提供给卫星定位板卡使用；
所述采集数据传输单元，用于控制所述卫星定位板卡及差分数据传输单元的定时启动和关闭，并从所述卫星定位板卡上采集精确定位数据发送至云服务器；
所述天线为用于接收卫星信号的覆盖 BDS-3、Galileo、GLONASS、GPS四星多频外置飞碟天线。
上述卫星定位基准站设置于基准点，所述基准点设置在监测对象影响范围之外的稳定区域。
上述监测点流动站布置于被监测对象上，且所述监测点流动站使用静态RTK模式高精度测量，并可远程设置监测频率，每个监测点流动站独立工作，互不干扰。
上述卫星定位基准站设置有太阳能供电装置；所述监测点流动站设置电池或太阳能装置中的一种或者两种组合。
上述数据处理分析显示模块将原始数据和分析结果存储到数据库，并存储预警信息、时间信息和健康状态数据，根据监测数据自动报警，并自动改变监测频率，并通过互联网远程对历史监测数据进行查询、浏览和分析操作。
上述监测点流动站的采集数据传输单元的工作模式包括连接状态模式、IDLE状态模式和PSM模式：
所述连接状态模式时采集数据传输单元接收和发送数据；若连接状态模式时20秒无数据交互，则切换为IDLE状态模式，若IDLE状态模式有数据交互则切换至连接状态模式；若IDLE状态模式10秒无数据交互则切换为PSM模式，PSM模式停止接收云服务器下发的数据，若串口数据上传时，则连接状态模式。
上述监测点流动站的采集数据传输单元设置有通过脚本控制的第一继电器和第二继电器，所述第一继电器与卫星定位板卡相连接，所述第二继电器与流动站差分数据传输单元相连接，根据脚本控制其开机、关机。
上述脚本首先控制第二继电器打开对流动站差分数据传输单元供电，35s后控制第一断电器打开对卫星定位板卡供电，之后由所述采集数据传输单元发送采集命令，采集经纬度数据，并发送至云服务器，采集发送完后，关闭所述第一继电器和第二继电器，停止供电；
所述卫星定位板卡与基准站差分数据传输单元使用TTL通讯，且所述卫星定位板卡发送请求给基准站差分数据传输单元，所述基准站差分数据传输单元把差分信息传送至云服务器、监测点流动站，并从所述云服务器获得基站差分数据，并传送给所述卫星定位板卡通过解算输出经纬度位置数据；
所述采集数据传输单元由脚本控制，定时发出RS485采样命令，通过TLL-RS485转换器把信号传输给卫星定位板卡，所述卫星定位板卡把位置信息传输给所述采集数据传输单元；
所述采集数据传输单元接收到数据后，上传至所述云服务器，完成一次采样动作，关闭第一继电器和第二继电器，所述采集数据传输单元在20s后进入休眠状态。
本发明的技术效果和优点：该低功耗低成本高精度的导航卫星表面变形监测系统充分利用新方法、新仪器、新技术应急监测能力建设，将河道巡查监测常态化，因生产成本低，实现了广域化大面积的布置，实现岸坡变形数据的全面性、系统性和实时性，同时做到对正在发生或即将发生的崩岸险情段进行报警，并加密监测；
1、监测点流动站采用低功耗设计，流动采集数据传输单元采用NB-Iot网络，设置三种工作模式，其中PSM模式，系统断电，系统工作由流动站差分数据传输单元定时唤醒供电采样，功耗极低，当采用6节18505锂电池供电时，假设一天测量3次，可以连续测量一年以上；
2、每个监测点流动站独立工作，互不影响，并内置锂电池供电，安装方便，不受环境条件制约，适用性强；
3、本方案成本低，精度高，在相同的成本下可以加密监测点，减少监测的盲区；
4、定位板卡和卫星定位板卡采用四星八频的板卡，支持北斗、Galileo、GLONASS、GPS等现代化信号体制，定位精确一般在2cm以内，进行平差解算后可以达到mm级精度，位置解算稳定，精度高。
附图说明
图1为本发明系统组成示意图；
图2为本发明的系统构架图；
图3为本发明的监测点流动站组成示意图；
图4为本发明的监测点流动站工作模式切换流程示意图。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅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。
一种低功耗低成本高精度的导航卫星表面变形监测系统，如图1和图2所示，包括：
云服务器；所述云服务器用于转发基站差分数据，接收现场监测数据，监控设备运行状态，对数据自动化分析处理，并提供实时报警；
卫星定位基准站，所述卫星定位基准站用于接收卫星数据并实时将基站差分数据传送至云服务器；所述卫星定位基准站包括定位板卡、基准站差分数据传输单元（差分DTU）以及天线；
所述定位板卡为定位定向板卡，支持 BDS-3、Galileo、GLONASS、GPS信号体制；
所述定位板卡接收卫星数据后，通过GPRS网络向所述云服务器发送差分信息；
所述天线为高精度的覆盖 BDS-3、Galileo、GLONASS、GPS四星多频外置飞碟天线，用于接收所述卫星信号。
所述卫星定位基准站设置于基准点，所述基准点设置在监测对象影响范围之外的稳定区域，所述卫星定位基准站设置有太阳能供电装置。
如图3、图4所示，监测点流动站，所述监测点流动站用于接收卫星数据并从云服务器下载基站差分数据，计算位置固定解并发送给云服务器；所述监测点流动站包括卫星定位板卡、差分数据传输单元、采集数据传输单元以及天线；采用静态RTK模式进行高精度测量，可远程根据实际要求设置监测频率，最小可以每分钟观测一次，每个监测点互不影响，独立工作，仅需要网络信号就能工作；
所述卫星定位板卡，用于接收卫星信号，并结合差分数据传输单元传送的差分数据计算出位置的精确固定解；
所述差分数据传输单元，用于从云服务器下载基站差分数据；并提供给所述流动站的卫星定位板卡使用；所述监测点流动站设置电池或太阳能装置中的一种或者两种组合；
所述采集数据传输单元，用于控制定位板卡及差分数据传输单元的定时启动和关闭，并从所述卫星定位板卡上采集精确定位数据发送至云服务器，本实施例中，监测点流动站的天线与卫星定位基准站的天线结构相同；
如图4所示，所述监测点流动站的工作模式包括连接状态模式、IDLE状态模式、PSM模式：
所述连接状态模式时流动站差分数据传输单元接收和发送数据，流动站差分数据传输单元的功耗为45mA；若连接状态模式时20秒无数据交互，则切换为IDLE状态模式，若IDLE状态模式有数据交互则切换至连接状态模式，IDLE状态的功耗为6mA；若IDLE状态模式10秒无数据交互则切换为PSM模式，PSM模式停止接收云服务器下发的数据，若串口数据上传时，则连接状态模式，PSM模式功耗为20uA；
监测点流动站采用低功耗设计，流动站差分数据传输单元采用NB-Iot网络，设置三种工作模式，其中PSM模式为超低功耗模式，定时唤醒，当采用6节18505锂电池供电时，假设一天测量3次，可以连续测量一年以上；每个监测点流动站独立工作，互不影响，并内置锂电池供电，安装方便，不受环境条件制约，适用性强；成本低，精度高，在相同的成本下可以加密监测点，减少监测的盲区；
所述监测点流动站的采样数据传输单元设置有通过脚本控制的第一继电器和第二继电器，所述第一继电器与卫星定位板卡相连接，所述第二继电器与流动站差分数据传输单元相连接。
所述脚本首先控制第二继电器打开对流动站差分数据传输单元供电，35s后控制第一断电器打开对卫星定位板卡供电，发送采集命令；
所述卫星定位板卡与基准站差分数据传输单元使用TTL通讯，且所述卫星定位板卡发送请求给基准站差分数据传输单元，基准站差分数据传输单元把差分信息传送至云服务器或监测点流动站，并从云服务器获得基站差分数据，并传送给卫星定位板卡通过解算输出经纬度位置数据；
所述采集数据传输单元由脚本控制，定时发出RS485采样命令，RS485信号通过RS485转换TTL电路传输给卫星定位板卡，所述卫星定位板卡把位置信息传输给采集数据传输单元；
所述采集数据传输单元接收到数据后，上传至云服务器，完成一次采样动作，关闭第一继电器和第二继电器，采集数据传输单元在20s后进入休眠状态。
所述数据采集控制传输单元用于控制定位板卡及差分数据传输单元的定时启动和关闭，并从所述卫星定位板卡上获取位置信息发送至云服务器。所述监测点流动站布置于被监测对象上，且所述监测点流动站使用静态RTK模式高精度测量，并可远程设置监测频率，每个监测点流动站独立工作，互不干扰。
数据接收存储模块，用于接收所述监测点流动站的监测数据，把原始数据存入数据库，以便用户分析使用；同时分析监测数据，与数据库中预设的监测报警值进行对比，当满足一定条件时通过监测报警模块进行报警；并可按预设的报警策略调整现场监测频率；
所述数据处理分析显示模块将原始数据和分析结果存储到数据库，并存储预警信息、时间信息、健康状态数据，根据监测数据自动报警，并自动改变监测频率，用户可以通过互联网远程对历史监测数据进行查询、浏览、分析操作。
数据处理分析显示模块，所述数据处理分析显示模块用于GPS基线处理、实时网平差、质量检验、辅助监测数据处理、单点分析、日常报表、断面分析、预警预报、三维分析；
设备控制模块，所述设备控制模块用于对所有设备进行初始设置，在运行期间设置流动站的采样频率；
监测报警模块，所述监测报警模块用于设置报警值，报警策略及报警方式，本实施例中，报警方式通过发送短信、邮件；
本实施例中，流动站差分数据传输单元采用移远通信BC35-G NBIOT模组芯片，根据预设的频率进行自动唤醒，并进行数据接收和发送，20s无数据交互时进入IDLE状态，再10s后进入超低功耗期，至下次唤醒。
本申请中DTU全称为中文含义为数据传输单元（Data Transfer unit）；GNSS的全称是全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System)。
最后应说明的是：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，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，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,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 (5)

1.一种低功耗低成本高精度的导航卫星表面变形监测系统，其特征在于：包括：
卫星定位基准站，用于接收卫星数据并实时将基站差分数据传送至云服务器；
监测点流动站，用于接收卫星数据并从云服务器下载基站差分数据，计算位置固定解并经采集数据传输单元发送给云服务器；
云服务器，用于转发基站差分数据，接收现场监测数据，监控设备运行状态，对数据自动化分析处理，并提供实时报警；
数据接收存储模块，用于接收所述监测点流动站的监测数据，把原始数据存入数据库，以便用户分析使用；同时分析监测数据，与数据库中预设的监测报警值进行对比，当满足预设的条件时，通过监测报警模块进行报警；并按预设的报警策略调整现场监测频率；
数据处理分析显示模块，用于GPS基线处理、实时网平差、质量检验、辅助监测数据处理、单点分析、日常报表、断面分析、预警预报和三维分析；
设备控制模块，用于对所有设备进行初始设置，在运行期间设置流动站的采样频率；
监测报警模块，用于设置报警值、报警策略和报警方式，所述卫星定位基准站包括定位板卡、基准站差分数据传输单元和天线；
所述定位板卡为定位定向板卡，支持 BDS-3、Galileo、GLONASS、GPS信号体制；
所述基准站差分数据传输单元将所述定位板卡接收的卫星数据，通过GPRS网络向所述云服务器发送差分信息；
所述天线为用于接收卫星信号的覆盖 BDS-3、Galileo、GLONASS、GPS四星多频外置飞碟天线，所述监测点流动站包括卫星定位板卡、差分数据传输单元、采集数据传输单元和天线；
所述卫星定位板卡，用于接收卫星信号，并结合差分数据传输单元传送的基站差分数据计算出位置的精确固定解；
所述差分数据传输单元,用于从所述云服务器下载基站差分数据，并提供给卫星定位板卡使用；
所述采集数据传输单元，用于控制所述卫星定位板卡及差分数据传输单元的定时启动和关闭，并从所述卫星定位板卡上采集精确定位数据发送至云服务器；
所述天线为用于接收卫星信号的覆盖 BDS-3、Galileo、GLONASS、GPS四星多频外置飞碟天线，所述监测点流动站的采集数据传输单元的工作模式包括连接状态模式、IDLE状态模式和PSM模式：
所述连接状态模式时采集数据传输单元接收和发送数据；若连接状态模式时20秒无数据交互，则切换为IDLE状态模式，若IDLE状态模式有数据交互则切换至连接状态模式；若IDLE状态模式10秒无数据交互则切换为PSM模式，PSM模式停止接收云服务器下发的数据，若串口数据上传时，则连接状态模式，所述监测点流动站的采集数据传输单元设置有通过脚本控制的第一继电器和第二继电器，所述第一继电器与卫星定位板卡相连接，所述第二继电器与流动站差分数据传输单元相连接，根据脚本控制其开机、关机，所述脚本首先控制第二继电器打开对流动站差分数据传输单元供电，35s后控制第一断电器打开对卫星定位板卡供电，之后由所述采集数据传输单元发送采集命令，采集经纬度数据，并发送至云服务器，采集发送完后，关闭所述第一继电器和第二继电器，停止供电；
所述卫星定位板卡与基准站差分数据传输单元使用TTL通讯，且所述卫星定位板卡发送请求给基准站差分数据传输单元，所述基准站差分数据传输单元把差分信息传送至云服务器、监测点流动站，并从所述云服务器获得基站差分数据，并传送给所述卫星定位板卡通过解算输出经纬度位置数据；
所述采集数据传输单元由脚本控制，定时发出RS485采样命令，通过TLL-RS485转换器把信号传输给卫星定位板卡，所述卫星定位板卡把位置信息传输给所述采集数据传输单元；
所述采集数据传输单元接收到数据后，上传至所述云服务器，完成一次采样动作，关闭第一继电器和第二继电器，所述采集数据传输单元在20s后进入休眠状态。
2.根据权利要求1所述的一种低功耗低成本高精度的导航卫星表面变形监测系统，其特征在于：所述卫星定位基准站设置于基准点，所述基准点设置在监测对象影响范围之外的稳定区域。
3.根据权利要求1所述的一种低功耗低成本高精度的导航卫星表面变形监测系统，其特征在于：所述监测点流动站布置于被监测对象上，且所述监测点流动站使用静态RTK模式高精度测量，并可远程设置监测频率，每个监测点流动站独立工作，互不干扰。
4.根据权利要求1所述的一种低功耗低成本高精度的导航卫星表面变形监测系统，其特征在于：所述卫星定位基准站设置有太阳能供电装置；所述监测点流动站设置电池或太阳能装置中的一种或者两种组合。
5.根据权利要求1所述的一种低功耗低成本高精度的导航卫星表面变形监测系统，其特征在于：所述数据处理分析显示模块将原始数据和分析结果存储到数据库，并存储预警信息、时间信息和健康状态数据，根据监测数据自动报警，并自动改变监测频率，并通过互联网远程对历史监测数据进行查询、浏览和分析操作。
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