一種GNSS多維位移監測系統的製作方法
2023-10-10 01:58:44 2
本實用新型屬於安全監測的技術領域，具體地涉及一種GNSS多維位移監測系統。
背景技術：
在工程和地質災害防災減災領域，對於潛在災害體的表面位移變化監測處於十分重要的地位，如何能夠實時的獲取被測點的位移信息以及如何實現快速、有效預警是目前亟待解決的重大難題。
目前，用於自動化地表位移監測的設備主要有：拉線式地表位移監測儀、雷射式地表位移監測儀、時域反射法、GPS監測系統等。拉線或雷射式地表位移監測儀屬於相對位移監測法，實時測量兩點間距離變化，具有精度高、不受天氣影響、低功耗的優點，但只能測量一維方向上的位移變化；時域反射法也屬於一維測量，可測量出沿線任意一點的變形，這種方法技術上實現過於複雜，技術層面尚不十分成熟，應該很少；基於衛星定位的GNSS(Global Navigation Satellite System，全球導航衛星系統)是近幾年迅速發展起來的新技術，已經越來越多的在地質、工程領域開始應用。就目前的應用方式和應用效果來看，主要存在以下不足：
(1)簡單集成
目前，GNSS應用於安全監測，多是採用測繪領域的傳統方法，結構上，天線、接收機、無線收發、電池均為分體式組合，造成大量應用時現場安裝過於繁瑣，成本過高。
(2)功耗過大
功能分散的結成結構，簡單集成連接，無法很好的做到對各部分的統一協調控制。另一方面，由於是測繪行業產品，均未做永久監測的定時功率控制開發，導致野外永久監測過程中對電能的要求過高，而在地質災害領域，一般無法實現大功率供電。
(3)網絡傳輸不匹配
基於衛星的高精度坐標解算需要大量的衛星原始數據，才能夠將米級的坐標精度提高到毫米級，需要將大量的原始數據進行無線傳輸發送，需要在現場布設足夠帶寬的無線網絡系統，進而進行超遠程傳輸到數據中心進行解算，這一網絡需求顯示在地災現場很難滿足。
(4)解算方法不合理
如圖3所示，採用了大數據流+數據中心並行解算的方法。由於常規的高精度解算算法在計算機上完成，需要將現場原始數據通過各種技術手段傳輸到室內計算機上進行，這種方法佔用了大量的網絡資源，對網絡的傳輸速率要求很高，這種現場採集原始數據、大量數據遠程傳輸、數據中心計算機實時解算的方式不適用於網絡不佳的地災領域。
(5)監測變形量不全面
大多數基於GNSS的監測系統只能監測三維空間裡的平移變形，而無法監測三維旋轉變形。
(6)沒有現場預警功能
目前，主流的基於GNSS原理的安全監測系統均是採用現場-無線網絡-數據中心，再由數據中心通過網絡向現場回發預警信息，實效性和人為因素較多，不能應對突發事件。
技術實現要素：
本實用新型的技術解決問題是：克服現有技術的不足，提供一種GNSS多維位移監測系統，其適用於永久無人值守的野外現場監測，功耗較小，實現一體式集成，能夠無線傳輸，能夠實現高精度現場解算。
本實用新型的技術解決方案是：這種GNSS多維位移監測系統，其包括監測站設備部分和基站設備部分；
監測站設備部分包括：監測站GNSS天線、監測站GNSS板卡、姿態傳感單元、監測站中央邏輯單元、監測站區域無線模塊、監測站廣域無線模塊、監測站差分解算單元、監測站電源管理模塊、監測站電池；監測站GNSS天線接收實時衛星信號，監測站GNSS板卡將衛星信號解析為星曆數據；監測站中央邏輯單元接收來自姿態傳感單元的方位+俯仰+橫滾數據；監測站中央邏輯單元接收來自監測站GNSS板卡的原始星曆數據；監測站中央邏輯單元讀取監測站區域網模塊接收到的基站發來的改正數數據；監測站中央邏輯單元將監測站GNSS板卡的原始星曆數據和基站發來的改正數數據轉送至監測站差分解算單元；監測站差分解算單元完成監測站的差分坐標解算；監測站中央邏輯單元讀取監測站差分解算單元的解算結果，將解算結果與本監測站識別信息打包後轉發至監測站廣域網模塊進行遠程數據發送；
基站設備部分包括：基站GNSS天線、基站GNSS板卡、基站中央邏輯單元、基站區域無線模塊、基站電源管理模塊、基站電池；基站GNSS天線接收實時衛星信號，基站GNSS板卡將衛星信號解析為星曆數據；基站中央邏輯單元接收來自基站GNSS板卡的原始星曆數據，控制基站差分解算單元完成實時改正數計算；基站中央邏輯單元讀取解算出的改正數控制基站區域網模塊進行區域廣播發送。
本實用新型在中央邏輯單元的控制下完成設備內部各功能模塊的切換，採用現場解算，使功耗較大的廣域無線模塊只發送少量數據，在大部分時間處於斷電關機狀態，因此適用於永久無人值守的野外現場監測，功耗較小；通過將監測站GNSS天線、監測站GNSS板卡、監測站中央邏輯單元、監測站區域無線模塊、監測站廣域無線模塊、監測站差分解算單元、監測站電源管理模塊、監測站電池放在一起，將基站GNSS天線、基站GNSS板卡、基站中央邏輯單元、基站區域無線模塊、基站差分解算單元、基站電源管理模塊、基站電池放在一起，實現一體式集成；通過監測站區域無線模塊、監測站廣域無線模塊、基站區域無線模塊能夠無線傳輸；通過監測站差分解算單元能夠實現高精度現場解算。
附圖說明
圖1示出了根據本實用新型的GNSS多維位移監測系統的結構示意圖。
圖2示出了根據本實用新型的監測站設備部分的結構示意圖。
圖3示出了現有技術中監測數據的傳輸方式。
圖4示出了根據本實用新型的監測數據的傳輸方式。
具體實施方式
如圖1、2、4所示，這種GNSS多維位移監測系統，其包括監測站設備部分和基站設備部分；
監測站設備部分包括：監測站GNSS天線、監測站GNSS板卡、姿態傳感單元、監測站中央邏輯單元、監測站區域無線模塊、監測站廣域無線模塊、監測站差分解算單元、監測站電源管理模塊、監測站電池；監測站GNSS天線接收實時衛星信號，監測站GNSS板卡將衛星信號解析為星曆數據；監測站中央邏輯單元接收來自姿態傳感單元的方位+俯仰+橫滾數據；監測站中央邏輯單元接收來自監測站GNSS板卡的原始星曆數據；監測站中央邏輯單元讀取監測站區域網模塊接收到的基站發來的改正數數據；監測站中央邏輯單元將監測站GNSS板卡的原始星曆數據和基站發來的改正數數據轉送至監測站差分解算單元；監測站差分解算單元完成監測站的差分坐標解算；監測站中央邏輯單元讀取監測站差分解算單元的解算結果，將解算結果與本監測站識別信息打包後轉發至監測站廣域網模塊進行遠程數據發送；
基站設備部分包括：基站GNSS天線、基站GNSS板卡、基站中央邏輯單元、基站區域無線模塊、基站電源管理模塊、基站電池；基站GNSS天線接收實時衛星信號，基站GNSS板卡將衛星信號解析為星曆數據；基站中央邏輯單元接收來自基站GNSS板卡的原始星曆數據，控制基站差分解算單元完成實時改正數計算；基站中央邏輯單元讀取解算出的改正數控制基站區域網模塊進行區域廣播發送。
圖2中各個標號的零件名稱如下：
立柱1，GPS測量儀2，螺釘3，避雷針組件4，天線安裝座5，電櫃6，太陽能電池板7，水泥臺8。
本實用新型在中央邏輯單元的控制下完成設備內部各功能模塊的切換，採用現場解算，使功耗較大的廣域無線模塊只發送少量數據，在大部分時間處於斷電關機狀態，因此適用於永久無人值守的野外現場監測，功耗較小；通過將監測站GNSS天線、監測站GNSS板卡、監測站中央邏輯單元、監測站區域無線模塊、監測站廣域無線模塊、監測站差分解算單元、監測站電源管理模塊、監測站電池放在一起，將基站GNSS天線、基站GNSS板卡、基站中央邏輯單元、基站區域無線模塊、基站差分解算單元、基站電源管理模塊、基站電池放在一起，實現一體式集成；通過監測站區域無線模塊、監測站廣域無線模塊、基站區域無線模塊能夠無線傳輸；通過監測站差分解算單元能夠實現高精度現場解算。
而且，採用定時啟動的工作模式，在大部分時間使設備處於斷電狀態。差分解算關鍵一點是要保證基準站與監測站同時工作，定時啟動的時間要統一且準確，本實用新型中，中央邏輯單元部分增加了帶有中斷功能的實時時鐘模塊，利用衛星時間對設備時鐘進行精確校對，使每臺獨立的監測設備具有絕對同步的內部時鐘，根據預定時間參數設置時鐘模塊的中斷時間點，時間達到時由時鐘中斷來觸發中央邏輯單元的電源開關，再由中央邏輯單元啟動其它功能模塊，實現了長時間無人值守、精準定時啟動的功能，節省了電能消耗。
整個設備在中央邏輯單元控制下工作。工作模式分為實時在線和定時上線，用於永久性野外位移監測時通常使用定時上線的工作模式。
要完成高精度坐標解算，需要使用靜態實時差分算法，具體過程為將一臺設備安裝於已知坐標點處，通過接收衛星數據解算出觀測坐標，觀測坐標與已知坐標存在偏差，這個偏差稱之為定位誤差，基站將本區域實時的定位誤差發送到位移監測點處的監測設備，監測點處的設備根據實時定位誤差和實時接收到的衛星定位誤差進行誤差消除解算，獲取高精度的坐標數據，這種坐標解算方法稱之為差分算法。以往的做法是：基站和監測站分別將原始衛星數據通過無線網絡遠程傳輸到數據中心，數據中心進行差分解算，因為衛星原始數據包的數據量大，這種方法要求監測設備到數據中心具有良好且足夠帶寬的超遠程無線網絡的支持。
就目前的實際情況來看，設備的安裝地點(滑坡、泥石流或其它工程現場)通常達不到上述網絡要求，目前，可以利用的超遠程無線網絡中，我國一代網絡GSM覆蓋範圍最廣，但一代網絡主要實現通話和短消息，不具備傳輸大數據流的能力，二代GPRS網絡覆蓋接近一代網絡，實際傳輸帶寬可基本滿足需求，但在偏遠地區及山區，信號質量也很難實時保障，3G和4G網絡目前只存在於中大型城市以及人員密集地區，大部分地質災害點沒有3G或4G網絡。在突發重大自然災害時，上述無線網絡可能中斷，使監測數據無法傳輸，故本實用新型的監測設備內部還集成有基於直接衛星通訊的北鬥報文網絡模塊，北鬥報文不依賴於地面信號基站，通訊設備直接與北鬥衛星通行通訊，經由衛星完成數據轉發，完成數據的點到點遠程傳輸，北鬥報文帶寬很小，類似於一代手機網絡GSM，可進行小數據包發送。
本實用新型在數據解算處理及已有網絡的利用方面進行了大膽創新，將數據量傳輸巨大的差分解算過程在監測現場完成，通過每臺設備內部集成的區域化射頻網絡進行基站-監測站的大數據交互，每臺監測設備經由內部的差分解算模塊單元進行自身高精度坐標解算，解算出的結果是簡單的點位識別信息和三維坐標值，這種簡單的數據包可使用設備自帶的任意一種無線網絡進行遠程傳輸(GSM、GPRS、北鬥報文)。極大的簡化了數據遠傳的數據量和伺服器的實時多點解算工作量，增加了設備穩定性和數據的可靠傳輸，也使基於GNSS的三維位移監測設備的應用範圍得到最大限度的擴展。設備在中央邏輯控制器的控制下以現場最優的網絡進行數據包發送，優先級為：GPRS、GSM、北鬥報文，GPRS具有最為經濟的實現優勢，可消耗極低的流量費用實現將數據直接發送到接收伺服器上的過程，GSM和北鬥報文則需要接收端的接收模塊硬體設備的支持，需要增加接收端硬體費用。當需要發送一組數據時，中央邏輯控制單元探測已有網絡及信號質量，選擇最可靠的網絡進行數據發送。
GNSS天線可同時接收三個衛星系統(美國GPS、中國北鬥、俄羅斯格洛納斯)的定位及時鐘信號(數據)，天線與板卡連接，GNSS板卡負責將衛星信號轉換為原始定位數據輸出。基於衛星的全球定位系統以同一時刻到不少於三顆衛星的實時距離作為坐標計算的必要數據，同一時刻接收到的數據越多(衛星數越多)則解算精度越高，故三系統的衛星定位系統較以往單系統定位系統具有更高的觀測精度。
另外，如圖2所示，所述監測站設備部分安裝於一個立柱1的頂端，在中央邏輯單元內部集成有姿態傳感單元，姿態傳感單元為雙軸傾斜傳感器，雙軸傾斜傳感器配置來測量方位+俯仰+橫滾數據。比傳統的GNSS監測增加了兩個角度監測(橫滾和俯仰)。
另外，在中央邏輯單元內部集成有電子羅盤晶片，其配置來實時監測水平旋轉角度和方位的變化。
另外，所述監測站設備部分還安裝有預警信息無線廣播設備，廣播發送無線音頻和預警信息數據，在有效區域內設置用於接收無線音頻和預警信息數據並進行聲光預警發布的預警接收站。
另外，所述監測站電池、基站電池均採用內置蓄電池和外放太陽能板。地質、工程領域永久自動化監測的重要特點是現場的電力供應不便，本監測設備採用內置蓄電池+外部太陽能的供電方案。電源管理模塊可根據不同的電池特點進行不同充電階段的電池充電管理，最大限度延長電池壽命、提高充電效率。
另外，所述監測站設備部分預留有數字擴展接口RS485和模塊量接口(電流、電壓各1路)，在進行GNSS三維位移監測同時採集多種附加連接傳感器，完成監測量可擴展的綜合監測功能。
另外，所述監測站GNSS天線、基站GNSS天線均為同時接收美國GPS、中國北鬥、俄羅斯格洛納斯三個衛星系統的定位及時鐘信號的天線。
另外，所述監測站設備部分還包括聲光預警單元，其與監測站中央邏輯單元連接；監測站在進行數據遠程發送的同時將數據進行本地存儲，並檢索歷史數據進行對比，當達到用戶預設的最大位移量或最大位移速率時，在監測站中央邏輯單元的控制下打開聲光預警單元，實現現場預警音頻廣播及預警燈光閃爍的現場預警動作。安全監測的目的之一是突發變形時進行預警信息發布，減少人員和財產損失。目前基於GNSS的監測設備均不具備現場直接預警功能，全部採用了由數據中心來處理分析監測數據，再由數據中心向現場發布的環形信息傳遞方式，信息環節過多，實效性差。本實用新型設備內部集成有聲光預警驅動電路及預警算法，在保留原有預警方式(途徑)同時實現了最為直接的預警方式-現場預警。
另外，所述監測站區域無線模塊、基站區域無線模塊均為射頻433MHz模塊，所述監測站廣域無線模塊、監測站廣域無線模塊均為帶GSM、GPRS、北鬥報文功能的無線模塊。
另外，所述監測站設備部分包括監測站接口，所述基站設備部分包括基站接口。
如圖4所示，本實用新型現場分布解算+小數據包發送的方式。
以上所述，僅是本實用新型的較佳實施例，並非對本實用新型作任何形式上的限制，凡是依據本實用新型的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬本實用新型技術方案的保護範圍。