专利名称：基于cnss的地面设施变形的长期监测系统及方法
技术领域：
本发明涉及一种用于地表变形的监测系统及方法，尤其是基于CNSS的地面设施变形的长期监测系统及方法。
背景技术：
目前国内绝大部分对大坝、矿山、油田、桥梁、高速公路和高铁路基等地面设施的地基沉降、位移以及整体倾斜等状况的变形监测都是基于传统非数字化设备(如经纬仪，全站仪)进行周期性重复测量技术，一般要求专人专职，需要较多的人力资源，数据处理难度大，存在监测不及时的问题，尤其在强烈需要进行变形监测的大风大雨气候条件下无法开展工作，导致严重的监测放空期。国内外已有基于GPS (全球定位系统)技术的变形监测监控系统解决方案及应用案例，但因GPS是由美国国防部掌控的卫星导航系统，其授时精度和可靠性受制于美国的GPS 政策，因此其授时和定位精度具有潜在的不安全因素。我国的北斗卫星导航定位系统是中国自主研制开发的区域性有源三维卫星定位与通信系统，是继美国的GPS、俄罗斯的GL0NASS (全球卫星导航系统)之后的第三个较成熟的卫星导航系统。该系统工作在M91. 75MHz的频率上，可向用户提供全天候、高精度、区域性的即时定位服务，定位精度可达数十纳秒，其精度与GPS相当。另外，采用GPS定位技术进行监测时，需要将监测数据存储在专门的可移动存储设备中，或需要采用额外的无线通讯设备进行传输，监测成本大大增加。而我国自主研发的北斗导航卫星拥有精确定位和双向通讯功能，在地面监测点接收到定位数据后，由解算软件进行毫米级精度的位移变形数据解算，可将结果作为通讯内容反向传播给卫星，再由卫星传输给指定的用户数据处理中心。因此，不受传输距离和天气状况的影响，无须额外的人工干预和传输设备，可实现长期、 长距离、全天候实时状态监测。
发明内容
本发明要解决的技术问题是一种可全天候、大范围对地面设施进行位移与变形进行长期监测、且可提高监测的精准度、可靠性以及安全性的基于CNSS (北斗卫星导航系统) 的地面设施变形的长期监测系统及方法。为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为
一种基于CNSS的地面设施变形的长期监测系统，包括定位监测模块、CNSS、数据处理模块和客户终端；所述定位监测模块包括分别设于各基准点的CNSS终端机和与各基准点相对应的各监测点的CNSS终端机；所述数据处理模块包括CNSS终端机和数据处理器；所述客户终端包括CNSS终端机和显示设备；所述CNSS与所述基准点的CNSS终端机和监测点的CNSS终端机双向连接，并与所述数据处理模块和客户终端分别单向连接；各基准点的 CNSS终端机和各监测点的CNSS终端机与所述数据处理模块的数据处理器单向连接。一种利用上述监测系统的基于CNSS的地面设施变形的长期监测方法，包括以下步骤
A、组建基于CNSS的地面设施变形的长期监测系统；
B、所述监测点和基准点接收定位信息
所述基准点的CNSS终端机和监测点的CNSS终端机从CNSS得到所在位置的定位信息， 所述定位信息包括所述基准点和监测点的三维坐标数据；所述基准点的CNSS终端机和监测点的CNSS终端机将各自的定位信息发送给所述数据处理模块；
C、所述数据处理模块处理监测点和基准点的定位信息
所述数据处理模块中事先存有各基准点的精确坐标值；所述数据处理模块接收到来自各基准点和各监测点的定位信息后进行存储，按周期对各基准点和各监测点各自的三维坐标数据形成的三维坐标数据时间序列进行处理，处理步骤如下
(1)用各基准点的已知精确坐标值组成与此基准点的三维坐标数据时间序列相适配的已知精确坐标值时间序列，将各基准点的三维坐标数据时间序列与其已知精确坐标值时间序列作差得到该基准点的差值时间序列，并求出此差值时间序列的变化率；
(2)用与所述基准点相对应的各监测点的三维坐标数据时间序列与此基准点的差值时间序列做差，对各监测点的三维坐标数据时间序列进行误差修正，得到各监测点的修正三维坐标数据时间序列；
(3)对所述各基准点的差值时间序列及其变化率和各监测点的修正三维坐标数据时间序列进行滤波去噪；
(4)对滤波后的监测点的修正三维坐标数据时间序列和与此监测点相对应的基准点的差值时间序列及其变化率进行处理，计算出所述监测点相对于与其相对应的基准点的变形量；
D、所述数据处理模块产生预警信号并发送
将各基准点的三维坐标数据时间序列和各监测点的修正三维坐标数据时间序列作为监测数据存储于所述数据处理模块中，并通过所述数据处理模块的CNSS终端机发送到北斗卫星；所述数据处理模块中事先存有上步中所述变形量和所述基准点差值时间序列的变化率的预设安全阈值；当所述变形量和差值的变化率在预设安全阈值范围内时，执行下述第E步；否则，所述数据处理模块产生预警信号并将此预警信号通过所述数据处理模块的 CNSS终端机发送到北斗卫星；所述北斗卫星将来自数据处理模块的监测数据和预警信号发送至客户终端的CNSS终端机并通过显示设备显示，执行下述第E步；
E、所述数据处理模块产生预测信息并发送
所述数据处理模块根据其内部存储的各基准点的三维坐标数据时间序列和与其对应的各监测点的修正三维坐标数据时间序列预测出各监测点相对于此基准点的位移变形趋势信息，并将此信息通过数据处理模块的CNSS终端机发送到北斗卫星，北斗卫星再将此信息发送至所述客户终端的CNSS终端机并通过显示设备显示。所述基准点的数量为2-3个，与每个基准点相对应的监测点的数量为1个以上。所述基准点或监测点的CNSS终端机、所述数据处理模块的CNSS终端机和所述客户终端的CNSS终端机的型号为HMWJ/BD4。所述基准点和监测点与数据处理模块之间采用无线通信、电缆通信等方式传输数据。
采用上述技术方案取得的技术进步为
本发明的监测系统的工作模式是连续的，不但可以对监测对象的变形量进行定时采集，而且还可以对监测对象的各种变形进行大范围、长时间、全天候不间断的实时监测，可以更加方便、快捷的了解监测对象的变形，使得监测人员能够及时分析监测对象的各种变形，便于及时掌握监测对象的异常变化；且该系统不受距离、天气状况和地理环境的影响与限制，且无需额外的人工干预和传输设备，成本大大降低，便于维护和推广。本发明的监测方法可实时对监测系统得到的数据进行处理，提高了对监测对象变形的监测精度，并引入了预警信号；该方法还可以对监测对象的变形趋势和变形速度等异常变化进行预测，使得监测人员能够对异常变化提前做出预测和处理，并为以后的优化设计提供依据。在监测过程中，可根据实际情况调整基准点和监测点的位置及数量，还可进行分段测量，测量效果和精度不受影响。本发明的监测系统利用我国自行研制的北斗卫星导航系统，使得信息传输更加安全，也有利于本国信息的安全保密，有效摆脱了国外技术的限制；而且本发明的监测方法对监测对象的监测精度高，二次开发的空间大，具有较强的扩展性，适用范围宽。
图1为本发明的结构组成示意图。
具体实施例方式由图1所示可知基于CNSS的地面设施变形的长期监测系统，包括定位监测模块、 CNSS (北斗卫星导航系统)、数据处理模块和客户终端；所述定位监测模块包括分别设于各基准点的CNSS终端机和与各基准点相对应的各监测点的CNSS终端机；所述数据处理模块包括CNSS终端机和数据处理器；所述客户终端包括CNSS终端机和显示设备；所述CNSS与所述基准点的CNSS终端机和监测点的CNSS终端机双向连接，并与所述数据处理模块和客户终端分别单向连接；各基准点的CNSS终端机和各监测点的CNSS终端机与所述数据处理模块的数据处理器单向连接。利用上述监测系统的监测方法，包括以下步骤 A、组建基于CNSS的地面设施变形的长期监测系统
所述监测系统的基准点布设在地面设施(即主要监测目标)所在的地质条件非常稳定的地区，附近不存在严重的地面塌陷和影响基准点稳定的其他因素，所述监测点布置在地面设施之上或附近易变形区域内，监测点的布设密度可根据地质条件、地理状况和易变形程度适度调整，基准点应选择两个或两个以上并且距离监测目标较近的区域，以保证监测有良好的观测精度。所述基准点的数量通常为2-3个(根据实际情况确定，还可以设更多个)，与每个基准点相对应的监测点的数量为1个以上。B、所述监测点和基准点接收定位信息
所述基准点的CNSS终端机和监测点的CNSS终端机从CNSS得到所在点的定位信息，所述定位信息包括所述基准点和监测点的三维坐标数据；所述基准点的CNSS终端机和监测点的CNSS终端机将各自的定位信息发送给所述数据处理模块的处理器；所述监测点和基
6准点接收到北斗卫星定位信息后定时向数据处理系统传输数据，比如一秒钟传输一次。当各基准点和各监测点距离数据处理模块的距离很近时，所述各基准点的CNSS终端机和各监测点的CNSS终端机与数据处理模块之间可以通过串行接口、并行接口、USB接口和其他一些通讯端口与所述处理器相连接，常用串口连接方式。当各基准点和各监测点距离数据处理模块的距离不适合采用短距离有线连接方式时，所述基准点和监测点与数据处理模块之间可采用无线通信、电缆通信等方式传输数据。C、所述数据处理模块处理监测点和基准点的定位信息
所述数据处理模块中事先存有各基准点的精确坐标值，已知精确坐标值是利用现有精密仪器如电子水准仪等工具人工进行测量得到的；所述数据处理模块接收到来自各基准点和各监测点的定位信息后进行存储，按周期对各基准点和各监测点各自的三维坐标数据形成的三维坐标数据时间序列进行处理，周期可以为2小时或者3小时不等，根据实际情况确定，具体处理步骤如下
(1)用各基准点的已知精确坐标值组成与此基准点的三维坐标数据时间序列相适配的基准点的已知精确坐标值时间序列，将各基准点的三维坐标数据时间序列与其已知精确坐标值时间序列作差得到该基准点的差值时间序列，并求出此差值时间序列的变化率；因为差值为时间序列，所以可以计算出时间序列中各数据元素之间的变化趋势，即变化率；
(2)用与所述基准点相对应的各监测点的三维坐标数据时间序列与此基准点的差值时间序列做差，对各监测点的三维坐标数据时间序列进行误差修正，得到各监测点的修正三维坐标数据时间序列；
(3)利用模式分解法和小波技术(或者其他算法)对所述各基准点的差值时间序列及其变化率和各监测点的修正三维坐标数据时间序列进行滤波去噪；
(4)利用Coleshky分解法对滤波后的监测点的修正三维坐标数据时间序列和与此监测点相对应的基准点的差值时间序列及其变化率进行处理，建立模糊度搜索空间并解算载波相位整周模糊度，根据载波相位观测值的初始模糊度信息，计算出所述监测点相对于与其相对应的基准点的变形量。所述数据处理模块的数据处理器和CNSS终端机单向连接，两者之间也可以通过串行接口、并行接口、USB接口和其他一些通讯端口进行通信，一般采用串口连接方式。数据处理器接收来自各基准点和各监测点的定位信息，按照一定的周期，利用数据处理软件对数据进行处理；数据处理器的型号和配置根据所监测对象不同而不同，但基本要求如下奔腾4或更高级的处理器，主频2GHz或以上，IG内存或以上，500G硬盘以上，支持 X-Windows的UNIX系统；数据处理软件采用的是专业的数据处理软件GAMIT/GL0BK，可进行二次开发。数据处理器将处理好的数据发送到数据处理模块的CNSS终端机。D、所述数据处理模块产生预警信号并发送
将各基准点的三维坐标数据时间序列和各监测点的修正三维坐标数据时间序列作为监测数据存储于所述数据处理模块中，并通过所述数据处理模块的CNSS终端机发送到北斗卫星；所述数据处理模块中事先存有上步中所述变形量和所述基准点的差值时间序列的变化率的预设安全阈值；当所述变形量和差值的变化率在预设安全阈值范围内时，执行下述第E步；否则，所述数据处理模块产生预警信号并将此预警信号通过所述数据处理模块的CNSS终端机发送到北斗卫星；所述北斗卫星将来自数据处理模块的监测数据和预警信号发送至客户终端的CNSS终端机并通过显示设备显示，执行下述第E步。E、所述数据处理模块产生预测信息并发送
所述数据处理模块根据其内部存储的各基准点的三维坐标数据时间序列和与其对应的各监测点的修正三维坐标数据时间序列，用神经网络算法(还可采用其他智能算法)预测变形趋势信息，预测出各监测点相对于此基准点的位移变形趋势信息，并将此信息通过数据处理模块的CNSS终端机发送到北斗卫星，北斗卫星再将此信息发送至所述客户终端的 CNSS终端机并通过显示设备显示。所述客户终端的CNSS终端机和显示设备单向连接，两者之间也可以通过串行接口、并行接口、USB接口和其他一些通讯端口进行通信，一般采用串口连接方式。所述客户终端通过CNSS终端机接收到经过北斗卫星传输、来自数据处理模块的监测数据、预警信号和预测信息后，通过显示设备实时地显示各基准点和监测点的三维坐标、位移与变形情况，实现对监测对象信息的可视化管理和数据分析。这样可以对地面设施的拟静态位移与变形进行无人值守的全天候和高精度长期监测。所述基准点或监测点的CNSS终端机、所述数据处理模块的CNSS终端机和所述客户终端的CNSS终端机的型号为HMWJ/BD4。还可根据需要采用其他型号的终端机。本说明书给出的是一种优选的组织结构，到实际应用中，可根据实际情况采用更加实用的结构。但只要符合本方法的基本思想，均属于本发明的保护范围。
权利要求
1.一种基于CNSS的地面设施变形的长期监测系统，其特征在于包括定位监测模块、 CNSS、数据处理模块和客户终端；所述定位监测模块包括分别设于各基准点的CNSS终端机和与各基准点相对应的各监测点的CNSS终端机；所述数据处理模块包括CNSS终端机和数据处理器；所述客户终端包括CNSS终端机和显示设备；所述CNSS与所述基准点的CNSS终端机和监测点的CNSS终端机双向连接，并与所述数据处理模块和客户终端分别单向连接； 各基准点的CNSS终端机和各监测点的CNSS终端机与所述数据处理模块的数据处理器单向连接。
2.一种利用权利要求1的基于CNSS的地面设施变形的长期监测方法，其特征在于包括以下步骤A、组建基于CNSS的地面设施变形的长期监测系统；B、所述监测点和基准点接收定位信息所述基准点的CNSS终端机和监测点的CNSS终端机从CNSS得到所在位置的定位信息， 所述定位信息包括所述基准点和监测点的三维坐标数据；所述基准点的CNSS终端机和监测点的CNSS终端机将各自的定位信息发送给所述数据处理模块；C、所述数据处理模块处理监测点和基准点的定位信息所述数据处理模块中事先存有各基准点的精确坐标值；所述数据处理模块接收到来自各基准点和各监测点的定位信息后进行存储，按周期对各基准点和各监测点各自的三维坐标数据形成的三维坐标数据时间序列进行处理，处理步骤如下(1)用各基准点的已知精确坐标值组成与此基准点的三维坐标数据时间序列相适配的已知精确坐标值时间序列，将各基准点的三维坐标数据时间序列与其已知精确坐标值时间序列作差得到该基准点的差值时间序列，并求出此差值时间序列的变化率；(2)用与所述基准点相对应的各监测点的三维坐标数据时间序列与此基准点的差值时间序列做差，对各监测点的三维坐标数据时间序列进行误差修正，得到各监测点的修正三维坐标数据时间序列；(3)对所述各基准点的差值时间序列及其变化率和各监测点的修正三维坐标数据时间序列进行滤波去噪；(4)对滤波后的监测点的修正三维坐标数据时间序列和与此监测点相对应的基准点的差值时间序列及其变化率进行处理，计算出所述监测点相对于与其相对应的基准点的变形量；D、所述数据处理模块产生预警信号并发送将各基准点的三维坐标数据时间序列和各监测点的修正三维坐标数据时间序列作为监测数据存储于所述数据处理模块中，并通过所述数据处理模块的CNSS终端机发送到北斗卫星；所述数据处理模块中事先存有上步中所述变形量和所述基准点差值时间序列的变化率的预设安全阈值；当所述变形量和差值的变化率超出预设安全阈值时，所述数据处理模块产生预警信号并将此预警信号通过所述数据处理模块的CNSS终端机发送到北斗卫星；所述北斗卫星将来自数据处理模块的监测数据和预警信号发送至客户终端的CNSS终端机并通过显示设备显示；E、所述数据处理模块产生预测信息并发送所述数据处理模块根据其内部存储的各基准点的三维坐标数据时间序列和与其对应的各监测点的修正三维坐标数据时间序列预测出各监测点相对于此基准点的位移变形趋势信息，并将此信息通过数据处理模块的CNSS终端机发送到北斗卫星，北斗卫星再将此信息发送至所述客户终端的CNSS终端机并通过显示设备显示。
3.根据权利要求2所述的基于CNSS的地面设施变形的长期监测方法，其特征在于所述基准点的数量为2-3个，与每个基准点相对应的监测点的数量为1个以上。
4.根据权利要求2所述的基于CNSS的地面设施变形的长期监测方法，其特征在于所述基准点或监测点的CNSS终端机、所述数据处理模块的CNSS终端机和所述客户终端的CNSS 终端机的型号为HMWJ/BD4。
5.根据权利要求2所述的基于CNSS的地面设施变形的长期监测方法，其特征在于所述基准点和监测点与数据处理模块之间采用无线通信或电缆通信方式传输数据。
全文摘要
本发明公开了一种用于地表变形的监测系统及方法，尤其是基于CNSS的地面设施变形的长期监测系统及方法。监测系统包括定位监测模块、CNSS(北斗卫星导航系统)、数据处理模块和客户终端；监测方法的具体步骤为1、组建基于CNSS的地面设施变形的长期监测系统；2、监测点和基准点接收定位信息；3、数据处理模块对定位信息进行处理；4、数据处理模块产生预警信号与预测信息并发送至客户终端。本发明可对地面设施的变形进行大范围、长时间、全天候不间断的实时监测，提高了监测精度；该方法不受距离、天气状况和地理环境的影响与限制，无需额外的人工干预和传输设备，成本大大降低，便于维护和推广。
文档编号G01B21/04GK102435165SQ20111026375
公开日2012年5月2日 申请日期2011年9月7日 优先权日2011年9月7日
发明者刘永强, 司春棣, 廖英英, 徐步青, 杨绍普, 潘存治, 王扬, 郭树起, 陈恩利, 马增强 申请人:石家庄铁道大学