一種融合GNSS與MEMS深部位移技術的一體化位移監測設備及方法與流程

2024-04-12 13:53:05

一種融合gnss與mems深部位移技術的一體化位移監測設備及方法
技術領域
1.本發明涉及位移監測技術領域，具體涉及一種融合gnss與mems深部位移技術的一體化位移監測設備及方法。


背景技術：

2.gnss定位技術目前在滑坡、地面沉降、地裂縫等地質災害位移監測方面應用廣泛。通過跟蹤gnss衛星的連續信號可以精確獲取天線在特定坐標系下的三維坐標。該技術以坐標和距離為基礎，用新一期坐標與初始坐標之差反映目標的運動，可實現釐米級、甚至毫米級的變形量監測。該技術可進行連續監測，具有全天候、高精度、全自動等優點。但在複雜地形區域衛星信號易被阻擋，多路徑效應較為嚴重，對精度有一定影響。
3.微電子機械系統(mems)深部位移監測技術所用到的傳感器為測斜儀，其核心器件為mems加速度傳感器，可實現對重力加速度在不同軸向上的分量進行感知測量，從而計算對應軸與重力方向的角度，通過角度的變化計算出對應測量單元的位移量。其原理如圖所示。該技術具有mems器件尺寸小、精度高、穩定性好、獨立性強等優勢，理論上可以彌補gnss技術的劣勢。
4.鑑於gnss監測技術與mems深部位移監測技術具有理論上的互補性，因此，部分學者開始研究gnss與深部位移技術的組合監測方式，並取得一定的成果。例如：桂林電子科技大學所申請的發明專利「一種基於gnss技術的深層位移監測裝置及方法」(專利公開號：cn111486781a)公開了一種基於gnss技術的深層位移監測裝置及方法，裝置包括gnss天線、網橋設備箱、gnss基站、中央控制模塊、傾斜監測傳感系統：傾斜監測傳感系統包括測斜管，測斜管垂直埋設在土體內，測斜管頂部設有gnss天線；測斜管內設有測斜設備，測斜設備內部安裝有用於測量測斜管與豎直方向夾角的測角傳感器，測斜設備通過電纜線與網橋設備箱連接；gnss天線用於測量測斜管的三維坐標；網橋設備箱設置在不受幹擾的位置接收gnss天線和測斜設備傳輸的數據；gnss基站設置在施工區域外的監測墩上；中央控制模塊分別接收gnss基站和網橋設備箱傳來的數據，根據測斜管頂部當前的標高、平面位置及二者的變化值和變化幅度，計算出不同深度的地層的傾斜值，實現對地下不同深度的變形監測。
5.當前，無論是gnss與深部測斜儀獨立工作進行監測，亦或是上述現有技術的基於gnss技術的深層位移監測方法，均未解決一個關鍵問題：gnss作為地表位移監測技術，若要達到毫米級的監測精度，需進行長時間同步觀測解算基線，其監測周期由幾小時至數日不等；若要進行實時定位監測，則精度標準必然下降至釐米級，因而也符合部分實際工程中對監測精度要求達到毫米級的需求。


技術實現要素：

6.本發明的目的在於提供一種融合gnss與mems深部位移技術的監測新裝置，通過
gnss與深層測斜儀組合的方式提升地表位移的精度水平，同時不影響深層位移的精度以及監測的實時性。
7.為實現上述目的，本發明提供了一種融合gnss與mems深部位移技術的一體化位移監測設備，包括gnss監測裝置和依次連接的n節陣列傳感器，n為大於或者等於1的整數，每節所述陣列傳感器均包括剛性杆以及固定設置在所述剛性杆頂端的mems三軸加速度計；所述gnss監測裝置包括gnss立杆和設置在所述gnss立杆頂端的gnss接收天線，所述gnss立杆的底端通過下壓件與最頂部一節所述陣列傳感器的頂端連接。
8.本發明還一種融合gnss與mems深部位移技術的一體化位移監測方法，採用權利上述設備來對監測點的位移進行監測，每節陣列傳感器的長度均為l，n節所述陣列傳感器豎直埋設在監測點土體內，埋深為n
×
l，各節所述陣列傳感器在水平面內的二維坐標為(x＝0,y＝0)；gnss立杆的底面與gnss接收天線的天線相位中心之間的距離為s；所述一體化位移監測方法為：在地殼發生變化引起監測點地下及地表發生位移時，根據mems三軸加速度計測定的三軸角度推演出各節點位置的水平坐標變化情況；所述mems三軸加速度計推算角度的具體方法為：
9.在初始狀態下，將所述mems三軸加速度計測得的數據歸一化後得到g＝(0,0,1)
t
，經過旋轉rn後，得到加速度歸一化後的坐標為a＝(a
x
,ay,az)
t
，則：
[0010][0011]
其中，rn為mems三軸加速度計的旋轉角度；由式2)可得：
[0012][0013]
上式中，θ為單節陣列傳感器本期位置與初始姿態在z軸方向的偏移角，為單節陣列傳感器本期位置與初始姿態在y軸方向的偏移角；則該單節陣列傳感器頂部的mems三軸加速度計位置處相較於該單節陣列傳感器底部位置的三維方向坐標偏移量為：
[0014][0015]
設最底部一節陣列傳感器為首節陣列傳感器，則從下往上第i節陣列傳感器頂部本期水平坐標為：
[0016]
[0017]
根據式5)推導出最頂部一節陣列傳感器的水平坐標，即地面位置的水平坐標；由於gnss監測裝置中的gnss立杆與位於最頂部的陣列傳感器固聯，因此gnss接收天線的角度偏移與最頂部的陣列傳感器的角度偏移保持一致；同理推導出gnss天線相位中心處的三維平面坐標變化量：
[0018][0019]
進一步的，所述gnss的定位方式為：採用設立gnss基準站進行載波相位差分定位或者採用實時精密單點定位。
[0020]
進一步的，若採用設立gnss基準站進行載波相位差分定位，則在架設所述設備時將陣列傳感器的xyz坐標軸向與監測點的enu坐標軸向保持一致。
[0021]
進一步的，設gnss差分定位結果初始值為(e0,n0,u0)，本期定位結果為(e,n,u)，則三維方向坐標變化值為：
[0022][0023]
基於gnss差分定位的三維方向坐標變化結果(δe,δn,δu)及mems三軸加速度計推導結果(δx
gnss
,δy
gnss
,δz
gnss
)，通過加權方式進行處理，得到濾波算法如式8)所示：
[0024][0025]
式8)中，σ0為單位權中誤差，根據經驗值或實際應用環境確定；σ
gnss-e
,σ
gnss-n
,σ
gnss-u
分別為gnss差分定位結果在東向、北向、天向的中誤差，由定位算法決定；σ
mems-x
,σ
mems-y
,σ
mems-z
分別為通過mems三軸加速度計推導出的gnss天線相位中心坐標偏移值對應三維方向的中誤差，其值由式6)根據誤差傳播定律得到。
[0026]
相比於現有技術，本發明具有以下有益效果：
[0027]
(1)、本發明的一體化位移監測設備，通過將mems三軸加速度計與剛體杆進行固聯的方式形成單節陣列傳感器，同時對多個單節陣列傳感器進行串聯，並將最頂部的一節陣列傳感器與gnss監測設備的立杆進行固聯，實現本發明的硬體條件，實現對監測點地面與深層的位移監測。
[0028]
(2)、本發明的一體化位移監測方法，利用mems三軸加速度計感知重力加速度方向的特點，實現對單節陣列傳感器偏移角度的逐個推算，同時利用剛體杆的長度與偏移角度的數學關係推算出各節陣列傳感器頂部的三維坐標變化值，並最終推算得gnss天線相位中心位置的坐標變化情況。同時，通過精密單點定位算法或載波差分定位算法求得gnss天線
相位中心的偏移情況，利用mems推算結果對gnss定位結果進行數學模型上的約束，實現對地表位移更加穩定與精準的監測，同時保證了地下各節點的監測準確性。
[0029]
除了上面所描述的目的、特徵和優點之外，本發明還有其它的目的、特徵和優點。下面將參照圖，對本發明作進一步詳細的說明。
附圖說明
[0030]
附圖是用來提供對本發明實施例的進一步理解，並且構成說明書的一部分，與下面的具體實施方式一起用於解釋本發明實施例，但並不構成對本發明實施例的限制。在附圖中：
[0031]
圖1是mems三軸加速度傳感器的重力場角度偏移推算原理圖；
[0032]
圖2是mems三軸加速度傳感器的角度推算變形量原理圖；
[0033]
圖3是本發明優選實施例的一體化位移監測設備的工作原理圖；
[0034]
圖4是本發明中單節陣列傳感器的工作原理圖；
[0035]
其中，1-gnss監測裝置；2-陣列傳感器。
具體實施方式
[0036]
以下結合附圖對本發明的實施例進行詳細說明，但是本發明可以根據權利要求限定和覆蓋的多種不同方式實施。
[0037]
請參見圖3，本實施例提供一種融合gnss與mems深部位移技術的一體化位移監測設備，包括gnss監測裝置1和上下依次連接的n節陣列傳感器2，n為大於或者等於1的整數，每節陣列傳感器2均包括剛性杆以及固定設置在剛性杆頂端的mems三軸加速度計；gnss監測裝置1包括gnss立杆和設置在gnss立杆頂端的gnss接收天線，gnss立杆的底端通過下壓件與首節陣列傳感器2的頂端連接。該結構設置中，gnss接收天線可外接gnss接收機或直接選擇gnss「接收機—天線」一體機。
[0038]
本發明還提供一種融合gnss與mems深部位移技術的一體化位移監測方法，採用上述的一體化位移監測設備來實現監測點的位移監測。對於n節陣列傳感器，設單節陣列傳感器2的長度為l，gnss立杆的底面與gnss接收天線的天線相位中心之間的距離為s；安裝時，保持設備處於豎直狀態，埋深為n
×
l，各節陣列傳感器2在水平面內的二維坐標設為(x＝0,y＝0)。由於埋深一般較深，默認為設備的底部位置處於穩定狀態。因此，一體化位移監測方法為：在地殼發生變化引起監測點地下及地表發生位移時，可根據mems三軸加速度計測定的三軸角度推演出設備各節點位置的水平坐標變化情況。其中，mems三軸加速度計推算角度的具體方法為：
[0039]
當mems三軸加速度計固定在剛性杆上，並且加速度計的x、y、z軸分別與監測點的e、n、u軸重合，在機體不劇烈運動的情況下，可認為mems三軸加速度計測出的加速度表示重力加速度g。在初始狀態下，將mems三軸加速度計測得的數據歸一化後得到g＝(0,0,1)
t
，mems三軸加速度計經過旋轉rn角度後，得到加速度歸一化後的坐標為a＝(a
x
,ay,az)
t
，則：
[0040]
[0041][0042]
由式2)可得：
[0043][0044]
以單節陣列傳感器為例，結合參見圖4，θ為單節陣列傳感器本期位置與初始姿態在z軸方向的偏移角，為單節陣列傳感器本期位置與初始姿態在y軸方向的偏移角。則該單節陣列傳感器頂部的mems三軸加速度計位置處相較於該單節陣列傳感器底部位置的三維方向坐標偏移量為：
[0045][0046]
設最底部一節陣列傳感器為首節陣列傳感器，則從下往上第i節陣列傳感器頂部本期水平坐標為：
[0047][0048]
根據式5)推導出最頂部一節陣列傳感器的坐標，即地面位置的水平坐標。由於gnss監測裝置1中的gnss立杆與位於最頂部的陣列傳感器固聯，因此gnss接收天線的角度偏移與最頂部一節陣列傳感器的角度偏移保持一致；同理可推導出gnss天線相位中心處的三維平面坐標變化量：
[0049][0050]
在本發明的一種具體實施方式中，gnss的定位方式為採用設立gnss基準站進行載波相位差分定位(對應坐標結果為enu)或者採用實時精密單點定位(對應坐標結果為blh)。以設立gnss基準站進行載波相位差分定位為例，則只需在架設一體化位移監測設備時將陣列傳感器的xyz坐標軸向與監測點的enu坐標軸向保持一致，即可保證gnss定位結果偏移方向與mems深部位移計推算結果方向保持一致，從而不需進行額外的坐標轉換。
[0051]
在本發明的一種具體實施方式中，設gnss差分定位結果初始值為(e0,n0,u0)，本期定位結果為(e,n,u)，則三維方向坐標變化值為：
[0052][0053]
基於gnss差分定位結果(δe,δn,δu)及mems三軸加速度計推導結果(δx
gnss
,δy
gnss
,δz
gnss
)，可通過加權方式進行處理，得到濾波算法如式8)所示：
[0054][0055]
式8)中，σ0為單位權中誤差，可根據經驗值或實際應用環境確定；σ
gnss-e
,σ
gnss-n
,σ
gnss-u
分別為gnss差分定位結果在東向、北向、天向的中誤差，由定位算法決定；σ
mems-x
,σ
mems-y
,σ
mems-z
分別為通過mems三軸加速度計推導出的gnss天線相位中心坐標偏移值對應三維方向的中誤差，其值由式6)根據誤差傳播定律得到。
[0056]
本發明的一體化位移監測方法立足於變形監測應用領域，將傳統的地面與地下獨立監測的模式在傳感器硬體和算法模型上進行了整合，提出通過mems三軸加速度計的監測結果對gnss定位結果進行約束，極大程度避免了gnss信號遮擋等影響導致的定位結果精度低的情況，可以較好的取代原有的地下深層位移監測和地表位移監測的方案，實現對特定點位進行地面與地下一體化的立體監測。
[0057]
以上所述僅為本發明的優選實施例而已，並不用於限制本發明，對於本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。