一种基于GNSS定位技术的三维地表位移监测系统及方法

技术领域

本发明涉及监测系统技术领域，具体涉及一种基于GNSS定位技术的三维地表位移监测系统及方法。

背景技术

在工程和地质灾害防灾减灾领域，对于潜在灾害体的表面位移变化监测处于十分重要的地位，如何能够实时的获取被测点的位移信息以及如何实现快速、有效预警是目前亟待解决的重大难题。

目前，用于自动化地表位移监测的设备主要有：拉线式地表位移监测仪、激光式地表位移监测仪、时域反射法、GPS监测系统等。拉线或激光式地表位移监测仪属于相对位移监测法，实时测量两点间距离变化，具有精度高、不受天气影响、低功耗的优点，但只能测量一维方向上的位移变化；时域反射法也属于一维测量，可测量出沿线任意一点的变形，这种方法技术上实现过于复杂，技术层面尚不十分成熟，应用很少；基于卫星定位的GPS (GNSS)是近几年迅速发展起来的新技术，已经越来越多的在地质、工程领域开始应用，就目前的应用方式和应用效果来看，主要存在以下不足：

(1)简单集成

目前，GNSS应用于安全监测，是应用于测绘领域的传统方法，在结构上包括天线、接收机、无线收发机、电池等分体式组合，造成大量应用时现场安装过于繁琐，成本过高。

(2)基于卫星的高精度坐标解算需要大量的卫星原始数据，才能够将米级的坐标精度提高到毫米级，需要将大量的原始数据进行无线传输发送，需要在现场布设足够带宽的无线网络系统，进而进行超远程传输到数据中心进行解算，这一网络需求显示在地灾现场很难满足。

(3)解算方法不合理

由于常规的高精度解算算法在计算机上完成，需要将现场原始数据通过各种技术手段传输到室内计算机上进行，这种方法占用了大量的网络资源，对网络的传输速率要求很高，这种现场采集原始数据、大量数据远程传输、数据中心计算机实时解算的方式不适用于网络不佳的地灾领域。

(4)预警方法不适用

这一问题也是目前所有安全监测普遍存在的问题，即：监测数据在数据中心进行存储管理，根据预警算法发布预警消息，这以预警方法无法在第一时间将预警信息告知现场直接受威胁人员，存在巨大安全隐患。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于GNSS定位技术的三维地表位移监测系统及方法，以专业化的特征适用永久无人值守的野外现场监测系统，具有集成度高、针对性强的显著特点，以解决现有技术中的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明具体提供下述技术方案：

一种基于GNSS定位技术的三维地表位移监测方法，包括如下步骤：

步骤100、建立多个基站，并以每个基站作为中心设置多个监测点；

步骤200、建立包括基站和监测点的监测区，并在所述监测区内基于卫星定位确定每个所述基站和每个所述监测点的平面坐标，且将每个所述基站和每个所述监测点设定为缺省值；

步骤300、通过超宽带无线电波飞行时间测距技术实时获取基站与监测点、以及各个监测点之间的距离变化，并基于实时的距离变化解算出实时的相对位置变化进行预警。

优选地，在步骤300中进行预警的具体方法为：

在每个所述基站和所述监测点内均集成设置有声光预警驱动电路和预警算法；

每个所述基站和所述监测点在将所述距离变化信息进行远程传送的同时还进行本地存储，远程传送的距离变化信息经过数据中心解算和分析后将预警信息通过远程传送返回至所述基站和所述监测点，在进行远程传送的同时所述基站和所述监测点基于本地存储的距离变化信息通过预警算法与历史数据进行比对，当达到用户预设的最大位移量或最大位移速率或历史数据中灾害发生值时通过声光预警驱动电路进行第一次预警，当接收所述数据中心远程传送回的预警信息后进行预警校正。

优选地，所述预警校正的具体方法为：

当远程传送回的预警信息与本地比对的结果均为需要预警时进行第二次预警；

当远程传送回的预警信息与本地比对的结果不一致且不需要预警时终止第一次预警并发布校正信息。

为解决上述技术问题，本发明还进一步提供下述技术方案：

一种三维地表位移监测系统，包括：

分布在所述监测区内的多个基站和以每个基站作为中心设置的多个监测点，且在每个所述监测点上均设置有GNSS接收机；

GNSS定位模块，设置在每个所述基站和所述监测点上用于获取所述基站和所述监测点的平面坐标；

测距模块，基于超宽带无线电波飞行时间测距技术实时获取基站与监测点、以及各个监测点之间的距离变化；

解算分析模块，用于获取所述GNSS定位模块的平面坐标以及所述测距模块的距离变化信息，并进一步解算所述基站和所述监测点的相对位移；

预警模块，基于解算分析模块解算的相对位移发布预警信息。

优选地，所述GNSS接收机包括内部集成安装有GNSS天线、GNSS板卡和电源模块的主体外壳，所述主体外壳的底部预留有若干用于外接线接入的接口。

优选地，所述主体外壳的底部可拆卸地安装有盖板，所述盖板上开设有若干与所述接口一一对应的穿线孔，所述穿线孔内滑动安装有辅助接线管，所述外接线穿设在所述辅助接线管内，且所述辅助接线管内设置有用于固定所述外接线的夹紧结构。

优选地，所述夹紧结构包括与所述辅助接线管转动连接的锁紧管，所述锁紧管沿其轴线方向开设有与所述入口宽度一致的缺口。

优选地，所述锁紧管的内壁正对所述缺口的方向设置向外凸出的第一夹紧块，所述辅助接线管的内壁正对所述入口一侧的中间位置设置有向外凸出的第二夹紧块。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

本发明在传统卫星定位基础上，利用超宽带无线电波飞行时间测距技术，实时获取各监测点之间、监测点与基站之间的距离变化，进一步的解算出实时相对位置变化，为实时位移测量提供了技术保障，对突发灾害预警提供了时效方面的保障，同时改进预警模式的报警，使其能够实时报警提高预警的响应。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述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示例性的，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，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。

图1为本发明实施例的流程示意图；

图2为本发明实施例提供GNSS接收机的结构示意图；

图3为本发明实施例提供辅助接线管与锁紧管的拆卸结构图。

图中的标号分别表示如下：

10-主体外壳；20-盖板；

11-接口；

21-穿线孔；22-辅助接线管；23-锁紧管；

211-开口；212-进口；

221-入口；222-第二夹紧块；223-缩口边；

231-缺口；232-第一夹紧块；233-环槽。

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。

如图1所示，本发明提供了一种基于GNSS定位技术的三维地表位移监测方法，包括如下步骤：

步骤100、建立多个基站，并以每个基站作为中心设置多个监测点；

步骤200、建立包括基站和监测点的监测区，并在所述监测区内基于卫星定位确定每个所述基站和每个所述监测点的平面坐标，且将每个所述基站和每个所述监测点设定为缺省值；

步骤300、通过超宽带无线电波飞行时间测距技术实时获取基站与监测点、以及各个监测点之间的距离变化，并基于实时的距离变化解算出实时的相对位置变化进行预警。

本发明在传统卫星定位的基础上，增加了区域实时高精度定位辅助功能，使原本滞后两个小时的位移信息得到极大改善。具体方法为：利用超宽带无线电波飞行时间测距技术，实时获取各监测点之间、监测点与基站之间的距离变化，进一步的解算出实时相对位置变化，为实时位移测量提供了技术保障，同时对突发灾害预警提供了时效方面的保障。

优选地，在步骤300中进行预警的具体方法为：

在每个所述基站和所述监测点内均集成设置有声光预警驱动电路和预警算法；

每个所述基站和所述监测点在将所述距离变化信息进行远程传送的同时还进行本地存储，远程传送的距离变化信息经过数据中心解算和分析后将预警信息通过远程传送返回至所述基站和所述监测点，在进行远程传送的同时所述基站和所述监测点基于本地存储的距离变化信息通过预警算法与历史数据进行比对，当达到用户预设的最大位移量或最大位移速率或历史数据中灾害发生值时通过声光预警驱动电路进行第一次预警，当接收所述数据中心远程传送回的预警信息后进行预警校正。

优选地，所述预警校正的具体方法为：

当远程传送回的预警信息与本地比对的结果均为需要预警时进行第二次预警；

当远程传送回的预警信息与本地比对的结果不一致且不需要预警时终止第一次预警并发布校正信息。

要完成高精度坐标解算，需要使用静态实时差分算法，具体过程为将一台设备安装于已知坐标点处，通过接收卫星数据解算出观测坐标，观测坐标与已知坐标存在偏差，这个偏差称之为定位误差，基站将本区域实时的定位误差发送到位移监测点处的监测设备，监测点处的设备根据实时定位误差和实时接收到的卫星定位误差进行误差消除解算，获取高精度的坐标数据，这种坐标解算方法称之为差分算法。以往的做法是：基站和监测站分别将原始卫星数据通过无线网络远程传输到数据中心，数据中心进行差分解算，因为卫星原始数据包的数据量大，这种方法要求监测设备到数据中心具有良好且足够带宽的超远程无线网络的支持。

就目前的实际情况来看，设备的安装地点(滑坡、泥石流或其它工程现场)通常达不到上述网络要求，目前，可以利用的超远程无线网络中，我国一代网络GSM覆盖范围最广，但一代网络主要实现通话和短消息，不具备传输大数据流的能力，二代GPRS网络覆盖接近一代网络，实际传输带宽可基本满足需求，但在偏远地区及山区，信号质量也很难实时保障，3G和4G网络目前只存在于中大型城市以及人员密集地区，大部分地质灾害点没有3G或4G网络。在突发重大自然灾害时，上述无线网络可能中断，使监测数据无法传输，故本发明的监测设备内部还集成有基于直接卫星通讯的北斗报文网络模块，北斗报文不依赖于地面信号基站，通讯设备直接与北斗卫星通行通讯，经由卫星完成数据转发，完成数据的点到点远程传输，北斗报文带宽很小，类似于一代手机网络GSM，可进行小数据包发送。

本发明在数据解算处理及已有网络的利用方面进行了大胆创新，将数据量传输巨大的差分解算过程在监测现场完成，通过每台设备内部集成的区域化射频网络进行基站-监测站的大数据交互，每台监测设备经由内部的差分解算模块单元进行自身高精度坐标解算，解算出的结果是简单的点位识别信息和三维坐标值，这种简单的数据包可使用设备自带的任意一种无线网络进行远程传输(GSM、GPRS、北斗报文)。极大的简化了数据远传的数据量和服务器的实时多点解算工作量，增加了设备稳定性和数据的可靠传输，也使基于GNSS的三维位移监测设备的应用范围得到最大限度的扩展。设备在中央逻辑控制器的控制下以现场最优的网络进行数据包发送，优先级为：GPRS、 GSM、北斗报文，GPRS具有最为经济的实现优势，可消耗极低的流量费用实现将数据直接发送到接收服务器上的过程，GSM和北斗报文则需要接收端的接收模块硬件设备的支持，需要增加接收端硬件费用。当需要发送一组数据时，中央逻辑控制单元探测已有网络及信号质量，选择最可靠的网络进行数据发送。

GNSS天线可同时接收三个卫星系统(美国GPS、中国北斗、俄罗斯格洛纳斯)的定位及时钟信号(数据)，天线与板卡连接，GNSS板卡负责将卫星信号转换为原始定位数据输出。基于卫星的全球定位系统以同一时刻到不少于三颗卫星的实时距离做为坐标计算的必要数据，同一时刻接收到的数据越多(卫星数越多)则解算精度越高，故三系统的卫星定位系统较以往单系统定位系统具有更高的观测精度。

工作过程(数据流)

基站：GNSS天线接收实时卫星信号，GNSS板卡将卫星信号解析为星历数据；中央逻辑单元接收来自GNSS板卡的原始星历数据，控制差分解算单元完成实时改正数计算；中央逻辑单元读取解算出的改正数控制区域网模块进行区域广播发送；

监测站：GNSS天线接收实时卫星信号，GNSS板卡将卫星信号解析为星历数据；中央逻辑单元接收来自GNSS板卡的原始星历数据；中央逻辑单元读取区域网模块接收到的基站发来的改正数数据；中央逻辑单元将GNSS板卡的原始星历数据和基站发来的改正数数据转送至差分解算单元；差分解算单元完成监测站的差分坐标解算；中央逻辑单元读取差分解算单元的解算结果(三维坐标)，将坐标数据与本测点识别信息打包后转发至广域网模块进行远程数据发送。

安全监测的目的之一是突发变形时进行预警信息发布，减少人员和财产损失。目前基于GNSS的监测设备均不具备现场直接预警功能，全部采用了由数据中心来处理分析监测数据，再由数据中心向现场发布的环形信息传递方式，信息环节过多，实效性差。本发明设备内部集成有声光预警驱动电路及预警算法，在保留原有预警方式(途径)同时实现了最为直接的预警方式-现场预警。监测站在进行数据远程发送的同时将数据进行本地存储，并检索历史数据进行对比，当达到用户预设的最大位移量或最大位移速率时，在中央控制器的控制下打开声光预警电源，实现现场预警音频广播及预警灯光闪烁的现场预警动作。

为解决上述技术问题，本发明还进一步提供下述技术方案：

一种三维地表位移监测系统，包括：

分布在所述监测区内的多个基站和以每个基站作为中心设置的多个监测点，且在每个所述监测点上均设置有GNSS接收机；

GNSS定位模块，设置在每个所述基站和所述监测点上用于获取所述基站和所述监测点的平面坐标；

测距模块，基于超宽带无线电波飞行时间测距技术实时获取基站与监测点、以及各个监测点之间的距离变化；

解算分析模块，用于获取所述GNSS定位模块的平面坐标以及所述测距模块的距离变化信息，并进一步解算所述基站和所述监测点的相对位移；

预警模块，基于解算分析模块解算的相对位移发布预警信息。

其中如图2-3所示，该GNSS接收机，包括内部集成安装有GNSS天线、 GNSS板卡和电源模块的主体外壳10，所述主体外壳10的底部预留有若干用于外接线接入的接口11，所述主体外壳10的底部可拆卸地安装有盖板20，所述盖板20上开设有若干与所述接口11一一对应的穿线孔21，所述穿线孔内滑动安装有辅助接线管22，所述外接线穿设在所述辅助接线管22内，且所述辅助接线管22内设置有用于固定所述外接线的夹紧结构，通过所述辅助接线管22 沿所述穿线孔的滑动将所述外接线接入对应的接口11内。

基于上述GNSS天线的现有结构，本发明实施例在用于外接线接入的操作方式为：

当需要外接设备时，首先将将盖板20从主体外壳10上拆卸下，将外接线插入对应的辅助接线管22内，然后再将盖板20安装上，将外接线向上推动以使得辅助，无需多次尝试，一次性即可将外接设备接入对应的接口11内。

为了便于定向识别对应的辅助接线管22，可在盖板20上对应每个穿线孔 21的位置印制接线标识，便于区分不同的接线位点。

上述盖板20与主体外壳10的连接方式可以是螺纹连接或者直接类似于电池盖板的连接方式以使得盖板20上的穿线孔21与所述主体外壳10上的接口11 保持一一对应的关系即可，在本发明实施例中，优选地，盖板20铰接在所述主体外壳10的底部一侧，所述主体外壳10的另一侧与所述盖板20之间通过卡扣连接，当拆卸和安装仅需要解除其一侧的卡扣即可，另一侧的铰接设置便于保持穿线孔21与主体外壳10的对应位置不变。

所述穿线孔21上开设一开口211，所述开口211向外延伸至所述盖板20的边缘并形成进口212，所述外接线沿所述进口212向内移动，且所述辅助接线管22沿其轴线方向上开设有供所述外接线进入的入口221。

由于外接线的端头较大，不便于直接沿穿线孔21穿入，因此本发明中外接线进入穿线孔21的方式为，将外接线的较细处沿进口212向内移动至开口211处再沿入口221进入辅助接线管22内部。

进一步地，如图2所示，所述夹紧结构包括与所述辅助接线管22转动连接的锁紧管23，所述锁紧管23沿其轴线方向开设有与所述入口221宽度一致的缺口231，所述锁紧管23的内壁正对所述缺口231的方向设置向外凸出的第一夹紧块232，所述辅助接线管22的内壁正对所述入口221一侧的中间位置设置有向外凸出的第二夹紧块222。

当外接线进入辅助接线管22以及锁紧管23内后，将锁紧管旋转180度，由于锁紧管23的缺口231与辅助接线管22的入口221位置不对应，此时外接线无法从辅助接线,22以及锁紧管23内脱离出，同时旋转过后的第二夹紧块222与第一夹紧块232分别处于外接线的两侧共同作用于夹紧外接线。

具体地，锁紧管23与辅助接线管22的转动连接方式：在所述辅助接线管 22的一端敞口边缘向内延伸一节形成缩口边223，所述锁紧管23的外壁沿其周向开设有一圈与所述缩口边223相配合的环槽233，通过环槽与缩口边的互相配合实现锁紧管的转动。

辅助接线管22与穿线孔21的滑动安装可以利用先用技术中常见的例如伸缩套筒的连接方式实现辅助接线管22的转动。

另外，本发明实施例除了能实现外接线的快速安装外，还可以提高外接线与接口11的连接紧固性，在盖板20未拆卸的状态下，外接线被固定在辅助接线管22内无法向下拔出，避免了外接线从接口11中的脱落。

以上实施例仅为本申请的示例性实施例，不用于限制本申请，本申请的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本申请的实质和保护范围内，对本申请做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本申请的保护范围内。