一种卫星定位与遥感融合定位方法及路面沉降监测方法

技术领域

本发明属于工程监测技术领域，特别是涉及一种卫星定位与遥感融合定位方法及路面沉降监测方法。

背景技术

卫星遥感定位系统已经广泛应用于导航、地理测量、地理信息系统、环境监测、气象预报等多个领域。最常见的卫星定位系统是全球定位系统(GPS)，通过卫星信号来实现地球上任何位置的精确定位。然而，卫星遥感定位的位置刷新频率较低，普遍只有1至5Hz，而且定位精度只有米级，这就导致在对路面沉降进行较为精确的监控。

不仅不如，在对路面沉降进行检测过程中，需要对整条路面或者部分路段的路面进行持续的高度监测，不能长时间在某一地点等待定位数据收敛，这就导致路面沉降定位监测的精度不高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种卫星定位与遥感融合定位方法及路面沉降监测方法，通过将卫星遥感定位与减速度检测进行融合定位处理，提高了定位的精度和速度，能够在移动的过程中实现高精度快速定位和准确的沉降检测。

为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明提供一种卫星定位与遥感融合定位方法，包括，

获取承载单元在遥感辅助卫星定位状态下得到增强定位位置；

获取位置测量允许误差；

通过惯性模块获取承载单元的加速度；

获取所述惯性模块的测量精度；

根据所述惯性模块的测量精度以及所述惯性模块的测量值得到所述承载单元的位置测量误差关于时间的映射；

根据位置测量允许误差以及所述承载单元的位置测量误差关于时间的映射得到若干个惯性允许位置差历史时段；

根据所述承载单元在各个惯性允许位置差历史时段内的加速度得到所述承载单元在各个惯性允许位置差历史时段内每个时刻的相对位置；

根据所述承载单元在各个所述惯性允许位置差历史时段内的增强定位位置得到所述承载单元在各个惯性允许位置差历史时段内每个时刻的绝对位置作为融合定位位置。

本发明还公开了一种路面沉降监测方法，包括，

建立道路模型；

接收承载单元在经过各处的所述融合定位位置并记录定位时刻；

根据所述融合定位位置及对应的定位时刻得到所述道路模型内不同位置道路在不同时刻的高度；

根据所述道路模型内不同位置道路在不同时刻的高度得到沉降路段及对应沉降状态。

本发明在实施的过程中通过对惯性模块的加速度检测数值进行分析得到符合定位精度范围的惯性允许位置差历史时段，之后求解出承载单元在各个惯性允许位置差历史时段内的相对位置，并且结合期间的增强定位位置分析得到承载单元的融合定位位置。最后解析出融合定位位置中的高度得到沉降路段及对应沉降状态。在此过程中能够让承载单元在移动状态下实现对道路沉降的精确快速检测。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所述一种路面沉降监测方法于一实施例的步骤流程示意图；

图2为本发明所述一种卫星定位与遥感融合定位方法于一实施例的步骤流程示意图；

图3为本发明所述步骤S5于一实施例的步骤流程示意图；

图4为本发明所述步骤S54于一实施例的步骤流程示意图；

图5为本发明所述步骤S55于一实施例的步骤流程示意图；

图6为本发明所述步骤S6于一实施例的步骤流程示意图；

图7为本发明所述步骤S7于一实施例的步骤流程示意图；

图8为本发明所述步骤S8于一实施例的步骤流程示意图；

图9为本发明所述步骤S83于一实施例的步骤流程示意图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请实施方式作进一步地详细描述。

需要说明的是，本申请中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。

道路沉降是指道路表面因为各种原因而下陷或下沉的现象。这可能是由于地下土壤的沉降、水文条件变化、地下管线问题、地质构造活动、人为干扰等因素引起的。道路沉降可能会对交通安全、交通流畅性以及基础设施的持久性造成影响。

道路沉降的检测是为了及早发现和监测道路表面或地下结构的下陷情况，以便及时采取必要的维修和修复措施，确保交通安全和道路的正常使用。通常是在道路表面设置测量标志物，如固定的标杆或测量钉，定期测量它们的高度变化可以检测道路沉降情况，但是此种方式检测速度较慢。还可以采用卫星遥感定位系统和激光测距仪等设备可以对道路表面的高程变化进行监测。但是卫星遥感定位系统的定位精度难以满足道路沉降的定位精度要求。

为了提高沉降检测所需的定位精度和效率，本发明提供以下方案。

请参阅图1至2所示，本发明提供了一种路面沉降监测方法，首先需要执行步骤S01建立道路模型，目的是为了将收集到的道路各处高度信息进行存储记录，以便于后续的沉降分析。在具体操作中，可以在车辆等承载单元上安装增强定位装置，例如具有AGPS(Assisted GPS，辅助全球定位系统)定位功能的定位模块，之后检测并计算出承载单元在经过各处的融合定位位置并记录定位时刻。在此期间可以保持承载单元在同一个惯性允许位置差历史时段内保持方向不变。

在沉降分析的过程中首先可以执行步骤S02接收承载单元在经过各处的融合定位位置并记录定位时刻，接下来可以执行步骤S03根据融合定位位置及对应的定位时刻得到道路模型内不同位置道路在不同时刻的高度。最后可以执行步骤S04根据道路模型内不同位置道路在不同时刻的高度得到沉降路段及对应沉降状态。由于道路的沉降具有安全标准，若超过设计安全标准则不进行警告提醒。

由以上可知，本方案的难点在于如何在承载单元移动的过程中实现高精度的定位，尤其是垂直方向的定位。这就需要根据卫星定位与遥感，并结合较高精度的加速度实现对承载单元的高精度定位。请参阅图2所示，首先可以执行步骤S1获取承载单元在遥感辅助卫星定位状态下得到的增强定位位置。接下来可以执行步骤S2至S4获取位置测量允许误差、承载单元的加速度以及惯性模块的测量精度。为了实现可靠的道路沉降检测，位置测量允许误差不宜超过2毫米，尤其是纵向定位误差不宜超过2毫米，但是水平位置定位精度可以是亚米级别。

之后的分析计算过程中首先可以执行步骤S5根据惯性模块的测量精度以及惯性模块的测量值得到承载单元的位置测量误差关于时间的映射，具体可以是函数关系。接下来可以执行步骤S6根据位置测量允许误差以及承载单元的位置测量误差关于时间的映射得到若干个惯性允许位置差历史时段，也就是惯性模块的累加误差不超过允许状态的时段。接下来可以执行步骤S7根据承载单元在各个惯性允许位置差历史时段内的加速度得到承载单元在各个惯性允许位置差历史时段内每个时刻的相对位置。最后可以执行步骤S8根据承载单元在各个惯性允许位置差历史时段内的增强定位位置得到承载单元在各个惯性允许位置差历史时段内每个时刻的绝对位置作为融合定位位置，也就是融合了卫星遥感定位和惯性定位的高精度定位位置。

请参阅图3所示，由于惯性模块检测到的是承载单元的加速度，惯性模块本身检测输出数值具有误差，同时惯性模块的检测输出频率也是有限的，较为精确且常用的电子陀螺仪的加速度采样输出频率通常100Hz到1000Hz之间。但是承载单元在采样的间隙的加速度也是会变化的，也需要考虑到此因素可能导致的误差。有鉴于此，上述的步骤S5在具体实施的过程中首先可以执行步骤S51获取惯性模块的采样间隔时间。接下来可以执行步骤S52获取惯性模块在上一个采样时刻的速度置信区间和位置置信区间。本方案中的置信区间指的是包含了真实值的可能范围，例如速度置信区间指的是真实速度的可能所在范围，也就是意味着速度精确的不确定度。接下来可以执行步骤S53获取惯性模块在相邻若干个采样时刻的测量值以及惯性模块的测量精度得到惯性模块在当前及相邻若干个采样时刻的加速度置信区。接下来可以执行步骤S54根据惯性模块在当前及相邻若干个采样时刻的加速度置信区间计算得到惯性模块在上一个采样间隔时段内的等效加速度置信区间。最后可以执行步骤S55根据持续更新的上一个采样时刻的速度置信区间和位置置信区间以及上一个采样间隔时段内的等效加速度置信区间得到承载单元的位置测量误差关于时间的映射，也即是惯性模块检测承载单元位置的累积误差关于时间的关系。

请参阅图4所示，由于惯性模块的检测输出会有间隔时间，但是在此间隔时段内承载单元的加速度也是有可能会变化的。为了有效还原检测间隔时段内承载单元的加速度，上述的步骤S54在具体实施的过程中首先可以执行步骤S541根据惯性模块在当前及上一个采样时刻的加速度置信区间获取惯性模块在上一个采样间隔时段内加速度增减趋势。接下来可以执行步骤S542根据惯性模块在相邻若干个采样时刻的加速度置信区间获取与上一个采样间隔时段内加速度增减趋势相同的相邻采样间隔时段。接下来可以执行步骤S543将与上一个采样间隔时段内加速度增减趋势相同的相邻采样间隔时段内的采样时刻以及当前时刻作为参考时刻。接下来可以执行步骤S544对于惯性模块在上一个采样间隔时段内每个时刻，获取该时刻与每个参考时刻的时间差之间的比值。接下来可以执行步骤S545对于惯性模块在上一个采样间隔时段内每个时刻，按照该时刻与每个参考时刻的时间差之间的比值求取对应的加速度置信区间的加权均值作为该时刻的加速度置信区间。最后可以执行步骤S546根据惯性模块在上一个采样间隔时段内每个时刻的加速度置信区间计算，惯性模块的加速度置信区间关于时间的函数关系在上一个采样间隔时段内的平均函数值作为惯性模块在上一个采样间隔时段内的等效加速度置信区间。

为了对上述的步骤S541至步骤S546的实施过程进行补充说明，提供部分功能模块的源代码，并在注释部分进行对照解释说明。为了符合相关法律法规对测绘的数据安全要求，对不影响方案实施的部分数据进行脱敏处理，下同。

以上代码计算上一个采样间隔时段内的等效加速度置信区间。代码中定义了两个类，一个是用于存储加速度的置信区间的ConfidenceInterval类，另一个是用于存储惯性模块的相关信息的InertialModule类。InertialModule类包含一个accelerationConfidenceIntervals成员变量，用于存储每个采样时刻的加速度置信区间，以及一个equivalentAccelerationConfidenceInterval成员变量，用于存储上一个采样间隔时段内的等效加速度置信区间。

InertialModule类中还定义了一系列的方法，用于计算等效加速度置信区间。getAccelerationTrend方法根据当前及上一个采样时刻的加速度置信区间获取加速度增减趋势；getSameTrendIntervals方法根据加速度增减趋势获取与上一个采样间隔时段内加速度增减趋势相同的相邻采样间隔时段；getReferenceTimes方法将与上一个采样间隔时段内加速度增减趋势相同的相邻采样间隔时段内的采样时刻以及当前时刻作为参考时刻；getTimeRatios方法对于上一个采样间隔时段内的每个时刻，获取该时刻与每个参考时刻的时间差之间的比值；getWeightedAccelerationConfidenceInterval方法对于上一个采样间隔时段内的每个时刻，按照该时刻与每个参考时刻的时间差之间的比值求取对应的加速度置信区间的加权均值作为该时刻的加速度置信区间；computeEquivalentAccelerationConfidenceInterval方法根据上一个采样间隔时段内每个时刻的加速度置信区间计算等效加速度置信区间。

在main函数中，首先创建一个InertialModule对象，并向其accelerationConfidenceIntervals成员变量中添加一系列的加速度置信区间，然后调用computeEquivalentAccelerationConfidenceInterval方法计算等效加速度置信区间，并将结果进行输出。

请参阅图5所示，由于惯性模块计算承载单元速度和位移的误差累加性质，导致在不进行校准的状况下误差会持续增加，而且由于承载单元加速度的变化会导致误差累计的速度也会变化。为了对承载单元的位置误差进行计算，上述的步骤S55在具体实施的过程中首先可以执行步骤S551根据惯性模块在上一个采样时刻的速度置信区间以及在上一个采样间隔时段内的等效加速度置信区间得到惯性模块在当前采样时刻的速度置信区间。接下来可以执行步骤S552根据获取惯性模块在上一个采样时刻的速度置信区间以及在当前采样时刻的速度置信区间得到惯性模块在上一个采样间隔时段内的位置移动距离置信区间。接下来可以执行步骤S553将惯性模块在上一个采样时刻的速度置信区间的宽度累加上一个采样间隔时段内的位置移动距离置信区间的宽度得到承载单元在当前时刻的位置测量误差。最后可以执行步骤S554持续更新承载单元在当前时刻的位置测量误差得到承载单元的位置测量误差关于时间的映射。

请参阅图6所示，同样是鉴于惯性模块位置检测误差的累积性，在其累计的误差未超过允许值的状况下，只需要将承载单元的运动状态拆分为若干个惯性允许位置差历史时段即可以认定在惯性允许位置差历史时段内的相对速度是符合精度要求的。为了拆分截取出符合检测精度要求的惯性允许位置差历史时段，上述的步骤S6在具体实施的过程中首先可以执行步骤S61根据承载单元的位置测量误差关于时间的映射实时更新承载单元在当前允许位置差历史时段的位置测量误差。之后可以执行步骤S62当承载单元在当前允许位置差历史时段的位置测量误差达到位置测量允许误差，则得到一个惯性允许位置差历史时段，并将下一个允许位置差历史时段的位置测量误差清零后重新实时更新，通过以上的迭代过程不断产生惯性允许位置差历史时段。

请参阅图7所示，由于惯性模块的加速度检测精度较高，即使是普通消费电子产品的电子陀螺仪的检测精度也达到0.001m/s

请参阅图8所示，根据卫星遥感定位得到的位置不会有累积误差，但是首先于定位时间以及各种环境影响，使得的噪声较大。与此同时惯性模块检测分析得到相对位置具有较高的精确度，因此可以使用无累加误差的增强定位位置对相对位置进行补充校正。具体而言，在每个惯性允许位置差历史时段内，上述的步骤S81在具体实施的过程中首先可以执行步骤S81获取每个增强定位位置以及对应的增强定位时刻。接下来可以执行步骤S82将任一组增强定位位置以及对应的增强定位时刻代入承载单元在惯性允许位置差历史时段内每个时刻的相对位置得到承载单元在惯性允许位置差历史时段内每个时刻的初始绝对位置。最后可以执行步骤S83根据惯性允许位置差历史时段内每个增强定位位置以及对应的增强定位时刻对承载单元在惯性允许位置差历史时段内每个时刻的初始绝对位置进行修正得到承载单元在惯性允许位置差历史时段内每个时刻的融合定位位置。

请参阅图9所示，由于卫星遥感定位得到的位置不会有累积误差，也即是说增强定位位置相对于真实位置具有充分的随机性，在增强定位位置数量足够多的情况下，其在距离数值上大于和小于真实位置的概率是均等的。有鉴于此，上述的步骤S83在具体实施的过程中首先可以执行步骤S831对承载单元在惯性允许位置差历史时段内每个时刻的初始绝对位置累加相同的修正位移量得到承载单元在惯性允许位置差历史时段内每个时刻的修正绝对位置。之后可以执行步骤S832逐渐调整修正位移量，使得惯性允许位置差历史时段内每个增强定位位置与对应修正绝对位置的位移差累加值最小，从而得到承载单元在惯性允许位置差历史时段内每个时刻的融合定位位置。

为了对上述的步骤S831至步骤S832的实施过程进行补充说明，提供部分功能模块的源代码，并在注释部分进行对照解释说明。

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该段代码可以根据每个增强定位位置以及对应的增强定位时刻对承载单元在惯性允许位置差历史时段内每个时刻的初始绝对位置进行修正，从而得到每个时刻的融合定位位置。

代码中定义了两个类，一个是用于存储位置信息的Position类，另一个是用于存储承载单元的相关信息的LoadCarrier类。

LoadCarrier类包含一个enhancedPositions成员变量，用于存储每个增强定位时刻的位置，一个initialAbsolutePositions成员变量，用于存储每个时刻的初始绝对位置，一个fusedPositions成员变量，用于存储每个时刻的融合定位位置，以及一个correctionDisplacement成员变量，用于存储修正位移量。

LoadCarrier类中定义了一个computeFusedPositions方法，该方法逐渐调整修正位移量，使得每个增强定位位置与对应修正绝对位置的位移差累加值最小，从而得到每个时刻的融合定位位置，并将结果存储在fusedPositions成员变量中。

在main函数中，首先创建一个LoadCarrier对象，并向其enhancedPositions和initialAbsolutePositions成员变量中添加一系列的位置，然后调用computeFusedPositions方法计算每个时刻的融合定位位置，并将结果进行输出。

综上所述，本方案在实施过程中获得符合定位精度要求的惯性允许位置差历史时段。接着利用这些历史时段内的数据，计算出承载单元在各个惯性允许位置差历史时段内的相对位置。将这些数据与增强定位分析的结果结合，可以得出承载单元的融合定位位置。最终通过解析融合定位位置数据中的高度信息，可以确定沉降路段及其对应的沉降状态。整个过程可以在移动状态下，承载单元能够精确且快速地检测道路的沉降情况。

附图中的流程图和框图显示了根据本申请的多个实施例的装置、系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或指令的一部分，所述模块、程序段或指令的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。

也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行相应的功能或动作的硬件，例如电路或ASIC(专用集成电路，Application Specific Integrated Circuit)来实现，或者可以用硬件和软件的组合，如固件等来实现。

尽管在此结合各实施例对本发明进行了描述，然而，在实施所要求保护的本发明过程中，本领域技术人员通过查看所述附图、公开内容、以及所附权利要求书，可理解并实现所述公开实施例的其它变化。在权利要求中，“包括”(comprising)一词不排除其他组成部分或步骤，“一”或“一个”不排除多个的情况。单个处理器或其它单元可以实现权利要求中列举的若干项功能。相互不同的从属权利要求中记载了某些措施，但这并不表示这些措施不能组合起来产生良好的效果。

以上已经描述了本申请的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。