一种分布式基础设施北斗主从同步监测系统及方法

技术领域

本发明涉及基础设施结构健康监测技术领域，特别是涉及一种分布式基础设施北斗主从同步监测系统及方法。

背景技术

近年来，我国频繁发生大跨度桥梁、铁路轨道等分布式基础设施坍塌事故，造成人员伤亡和国民经济损失。随着基础设施结构损伤的积累，会使基础设施结构工作性能发生改变，一些突发型或渐变型的风险都有可能导致坍塌事故的发生。为了有效降低此类灾害事件的发生概率，亟需建立基础设施高灵敏测量系统，实现对结构变化的及时准确发现。通过测量系统的实时监测以及预警，管养人员可以及时发现基础设施结构中存在的隐患问题，从而极大地提高基础设施运营的安全性。

目前，基础设施测量方法主要可分为传统测量方法和现代测量方法，传统方法主要有加速度计、常规大地测量技术等。但大多数方法自动化程度低、观测易受气候和其他外界条件的影响，容易漏掉重要和危险的信号，且数据采集无法在时间上同步等。随着空间技术的进步，卫星定位技术等现代测量方法得到了广泛的应用，并成为基础设施结构健康监测领域内的研究热点。

但现有基于卫星定位技术的基础设施高灵敏测量方法主要关注于沿车辆行驶方向的纵向形变测量，忽略了大型基础设施结构单元表面的几何空间特征；并且卫星接收机采用单天线系统，在面向分布式基础设施应用场景时具有成本高的不足。

基于此，本发明提供一种分布式基础设施北斗主从同步监测系统及方法，以解决现有技术中存在的技术缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种分布式基础设施北斗主从同步监测系统及方法，基于北斗定位技术的全天候、全天时特点完成在线式基础设施健康监测，为分析在温度效应、风荷载、周边环境等外界因素和列车行驶等工况因素影响下的形变特征提供数据基础。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种分布式基础设施北斗主从同步监测系统，包括：

北斗接收装置：用于接收北斗卫星发射的信号，并计算所述北斗接收装置到所述北斗卫星的伪距和载波相位；

基准站：用于获取定位数据；

流动站：用于实时接收所述基准站的定位数据并进行差分运算；

其中，所述流动站设置于分布式基础设施结构单元上，所述基准站置于分布式基础设施结构单元一侧，所述北斗接收装置分别与所述基准站和所述流动站连接。

优选地，所述分布式基础设施结构单元包括测量平面，所述测量平面用于根据需求以相同采样频率接收北斗定位信号。

优选地，所述流动站包括若干卫星天线，所述卫星天线用于通过馈线与所述北斗接收装置连接，实现天线间的时间同步，所述流动站置于所述测量平面上。

优选地，所述卫星天线包括主天线和若干从天线，所述主天线和若干所述从天线之间形成基线，通过基线构成结构单元坐标，所述结构单元坐标用于监测所述分布式基础设施结构单元的姿态标化。

为了实现上述目的，本发明还提供了一种分布式基础设施北斗主从同步监测系统的监测方法，包括：

通过地心地固坐标系计算北斗接收装置接收到卫星的伪距和载波相位信息；

基于当地水平坐标系获得分布式基础设施结构单元的姿态；

通过所述地心地固坐标系、所述当地水平坐标系和所述分布式基础设施结构单元的载体坐标系对所述卫星的伪距和载波相位信息、所述分布式基础设施结构单元的姿态信息进行坐标转换，获得测量平面的姿态。

优选地，进行所述坐标转换的方法包括直接解算法和最小二乘法。

优选地，基于所述直接解算法计算所述当地水平坐标系中的基线向量包括：

其中，

优选地，基于所述最小二乘法获得所述测量平面姿态的方法为：

其中，α为偏航角，β为俯仰角，γ为横滚角，α

优选地，所述测量方法还包括：

将北斗主从同步系统获取的在线定位数据解算出实时测量平面的姿态情况后，辅助完成基础设施的结构健康监测，并将所述主从同步系统应用于分布式基础设施的不同结构单元，对大跨度基础设施的前后结构单元间发生的不均匀沉降、超出正常运营容许范围的过大姿态变化进行特征提取和匹配，并对影响车辆安全运行的危险姿态进行报警，指导相关人员进行故障排查和设施维护。

本发明的有益效果为：

本发明利用RTK(Real Time Kinematic,实时动态测量技术)和主从同步技术，在基础设施旁设置基准站、结构单元表面的天线作为流动站，流动站不仅实时获取自身的北斗定位数据，还接收基准站的定位数据，进行差分运算，提高定位精度；并且，基础设施结构单元表面的北斗主从同步系统硬件上保证时间同步，消除卫星钟差造成的定位误差，提高定位精度；

本发明中利用主从天线所形成的姿态测量基线，构成基础设施结构单元坐标系，实现对结构单元几何形变与平面姿态变化的灵敏捕捉，将本发明应用至实际运营中的桥梁、轨道等分布式基础设施，可对外界环境、跑车等因素影响下的基础设施姿态变化进行高灵敏监测，实现对分布式基础设施的结构健康监测和全生命周期管理中的运营维护。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中的方法流程图；

图2为本发明实例提中磁浮轨道梁面姿态监测设备组成图；

图3为本发明实施例中磁浮轨道梁坐标系示意图。

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。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

一种分布式基础设施北斗主从同步监测系统，包括：

北斗主从同步系统由一台高精度北斗接收机和多卫星天线(包括一个主天线与两个从天线)构成，卫星天线构成分布式基础设施结构单元的高灵敏测量平面，根据需求以一定采样频率全天候全天时接收北斗定位信号；多天线经由馈线连接到安放在结构单元下方的同一台接收机上，实现天线间的时间同步，消除卫星钟差，充分满足实时形变响应快、精度高的要求；同步的主天线与其他从天线间形成基线，构成结构单元坐标轴，用于监测该结构单元的姿态变化；在基础设施旁设置基准站，将位于结构单元表面的卫星天线作为流动站，流动站实时接收基准站的定位数据并进行差分运算，提高梁面定位数据的精度。

本实施例还提供一种分布式基础设施北斗主从同步监测系统的监测方法，包括：

(1)解算姿态数据

北斗卫星发射的卫星星历数据是在地心地固坐标系中的参数，接收机接受到信号以后可以很方便的在地心地固坐标系中计算出接收机到卫星的伪距和载波相位等信息。而需要测量的分布式基础设施结构单元姿态是在当地水平坐标系下的姿态，天线又是安装在结构单元表面的。因此通过在地心地固坐标系、当地水平坐标系、结构单元的载体坐标系之间进行坐标转换，从而求得测量平面的姿态。坐标转换的具体计算方法包括直接解算法和最小二乘法。

直接姿态法基于三卫星天线所形成的姿态监测平面进行解算，利用GNSS观测数据解算的当地水平坐标系中的基线向量分别为：

偏航角α：

α＝-arctan(x

俯仰角β：

将基线

则横滚角γ为：

γ＝-arctan(z

最小二乘法可基于三个及三个以上的卫星天线进行姿态解算。

利用主天线和其他从天线形成的结构单元载体系和当地水平系中的n-1条基线，根据坐标系转换可得：

式中：

V＝AX-L权阵：P

式中：A＝[A

利用最小二乘法可得姿态改正数估计为

则最小二乘姿态角估值为

(2)姿态监测及危险预警

将北斗主从同步系统所获取的在线定位数据根据(1)中计算方法解算出实时测量平面的姿态情况后，辅助完成基础设施的结构健康监测。将主从同步系统应用于分布式基础设施的不同结构单元，对大跨度基础设施的前后结构单元间发生的不均匀沉降、超出正常运营容许范围的过大姿态变化等进行特征提取和匹配，并对可能影响车辆安全运行的危险姿态进行报警，指导相关人员进行有针对性地故障排查和设施维护。

参阅图1-3，结合磁浮轨道梁结构与梁面姿态监测对本发明方法的具体实施和操作进行案例实施：

(1)作为磁浮线路的主体与核心，磁浮轨道梁连接着悬浮导向及推进功能件等功能构件，为磁浮列车高速运行提供设施和技术支撑。磁浮轨道梁系统一般采用低置或高架桥的方式，以高架桥为主，具有占地面积小的优势。磁浮轨道梁通常由跨径为25米的简支混凝土梁组成，前后段轨道梁的不均匀沉降、姿态变化会影响整条轨道的平直性，因此需要对每一段或关键段轨道梁进行梁面的姿态监测。将北斗主从同步系统中的主天线A、从天线B、从天线C均固定于一段轨道梁面，构成姿态监测平面，如图1所示。三天线连接到位于轨道梁下的同一台接收机上，作为流动站实时接收北斗卫星信号和轨道梁旁基准站的定位数据，进行差分运算。轨道旁设置独立的接收机与单天线作为基准站向位于轨道梁上的主从同步系统实时发送差分数据，最终解算出的主从同步系统定位数据精度可达毫米级别。

(2)获取到姿态监测平面三点的定位数据(主天线A在地心地固坐标系中的坐标(x

(3)构建起25米轨道梁面的姿态监测模型后，将模型应用至大跨度磁浮轨道的多个梁面，形成分布式监测系统，在线监测外界环境、列车行驶等因素对前后段轨道梁造成的形变、姿态影响。除此以外，根据历史监测数据、参考轨道交通标准规范还可以给出在外界环境和列车长期荷载影响下的轨道梁正常姿态变化阈值，当实时监测姿态变化值超出阈值，进行报警，由工作人员进行故障检测和维护管理，保证列车运行的安全性和乘客体验舒适性。

区别于以往基础设施形变监测中传感器的线性布设方法，本发明的方法对分布式基础设施结构单元的姿态变化进行监测，在考虑结构单元表面几何特征的基础上，实现对基础设施运营期的结构健康管理。

区别于基于单天线的形变监测方法，本发明的方法采用北斗主从同步系统，将主天线与从天线连接到同一台接收机上，硬件实现主、从天线间的时间同步，消除卫星钟差等误差，形成主从天线间高时间同步基线，提高定位精度和测量灵敏度。

区别于点姿态测量方法，本发明的方法采用三天线来进行基础设施结构单元的姿态解算。大跨度、分布式基础设施多处于开放空间中，长期受到外界环境和车辆行驶的影响，车与基础设施间存在耦合振动效应，基础设施结构单元表面各点的形变情况不均匀，因此分布式基础设施的高灵敏测量不能采用传统点姿态测量的方式。并且，考虑到监测传感器布设成本及分布式基础设施的结构单元表面几何特征，在构建北斗主从同步建设中将多天线数量确定为三，既通过主从同步节约了施工成本又充分构成姿态测量面、提供数据支撑。多天线姿态测量相比单天线姿态测量，由于天线数量增加，可供进行解算的基线数量也相应增加，不仅能提高解算精度，还能提高北斗同步主从系统的安全与可靠性。

本发明的技术效果：

(1)目前大跨度交通基础设施形变监测多采用加速度计、常规大地测量技术、激光干涉仪、常规大地测量全站仪、精密水准仪等测量方法，但工作量大、自动化程度低且无法实现数据上的时间同步。本发明中利用北斗卫星定位完成基础设施在线测量，北斗三号卫星系统于2020年7月31日建成，可提供多种服务，包括定位导航授时(RNSS)、精密单点定位(PPP)等。授时精度可达20ns数量级，能够满足监测系统对时间同步精度的要求。

(2)本发明中利用RTK(Real Time Kinematic,实时动态测量技术)和主从同步技术，在基础设施旁设置基准站、结构单元表面的天线作为流动站，流动站不仅实时获取自身的北斗定位数据，还接收基准站的定位数据，进行差分运算，提高定位精度；并且，基础设施结构单元表面的北斗主从同步系统硬件上保证时间同步，消除卫星钟差造成的定位误差，提高定位精度。

(3)本发明中利用主从天线所形成的姿态测量基线，构成基础设施结构单元坐标系，实现对结构单元几何形变与平面姿态变化的灵敏捕捉。将本发明应用至实际运营中的桥梁、轨道等分布式基础设施，可对外界环境、跑车等因素影响下的基础设施姿态变化进行高灵敏监测，实现对分布式基础设施的结构健康监测和全生命周期管理中的运营维护。

以上所述的实施例仅是对本发明优选方式进行的描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。