一种灾害监测型GNSS接收机及其监测方法与流程

本发明涉及地质灾害监测技术领域，具体是涉及一种灾害监测型gnss接收机及其监测方法。

背景技术：

川藏铁路建设对川藏地区的经济社会发展具有巨大的推动作用，对国家的安全稳定意义重大，但是川藏铁路沿线地质构造活动剧烈，滑坡、崩塌、冰川泥石流这样的地质灾害频发。为保证川藏铁路安全施工与运行，需要对规划铁路沿线的地质灾害进行监测，获取灾害体变形信息以提前发出预警信息，保障铁路施工与运营过程中的安全，保护人员生命安全，降低财产损失。由于川藏铁路沿线存在大量高海拔极端气候和恶劣的地质环境，导致很多需要进行监测的区域无法部署监测设备，部署的设备因为供电不足无法实现长期连续监测。一种远程部署的地质灾害监测装置及其监测方法(专利申请号202011120304)，解决了无法部署监测设备区域的gnss设备部署问题。

但是现有gnss设备如一种实时滑坡监测型北斗接收机及其工作方法(专利申请号：2016101250234)存在以下3个主要问题：第一，功耗高，供电难。由于设备只能进行24小时不间断连续工作，导致设备每天电能损耗高，获取的数据大多为冗余相似的监测数据。川藏地区气候条件恶劣，连续阴雨天气和几个月以上的积雪覆盖环境广泛存在，在传统gnss监测中，功耗为4w的gnss接收机，配备60ah的太阳能电池组(铅酸电池重18kg)，加上100w的太阳能电池板，才能实现无光照环境下连续工作7.5天的观测，因此，即使能部署常规监测设备的区域也面临几个月以上的积雪覆盖条件下设备供电不足，监测中断的问题。

第二：寿命短，成本高。在gnss灾害变形监测中，设备24小时不间断的连续工作，进一步的导致设备中的定位模块和通讯模块损耗加快，使得设备寿命缩短。因此灾害监测中一般gnss连续监测3到4年必须进行设备维修或更换，且监测后期定位芯片、传输模块、电子元器件由于不间断的工作，设备的稳定性大大下降，可能频繁发生故障。

第三：不适用于无人机搭载远程部署的gnss监测装置应用于长期连续观测的场景下。在一些远程滑坡、冰川滑坡、高山险峰等人员无法到达的需要进行实时监测的特殊灾害场景，采用研发的无人机搭载远程部署的gnss监测装置，能解决gnss监测设备的部署问题，但是无人机搭载重量受限，而传统方式供电系统过重，无法应用于通过无人机搭载远程部署的gnss监测装置中去，因此传统的gnss监测设备不能满足集成到远程部署的gnss监测装置当中，以实现对远程滑坡、高山险峰场景的长期连续观测。

因此，亟需一种能够定时监测、自动调整监测间隔的灾害监测型gnss接收机。在连续阴雨天气(大于30天)和连续几个月积雪覆盖环境下能够对灾害体进行长期监测、且使用寿命较长、能够搭载于远程部署的gnss监测装置中进行长期监测的接收机。保障铁路沿线施工与运营的长期安全。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是：传统的gnss监测设备不能满足集成到远程部署的gnss监测装置当中，以实现对远程滑坡、高山险峰场景的长期连续观测。

本发明的技术方案如下：

一种灾害监测型gnss接收机，包括：

作为设备正常运行时控制与决策核心单元的微控制器，微控制器内设有计数器，

用于负责处理卫星天线采集的信号并输出一定格式的卫星观测量及定位数据、授时数据的定位模块，

用于负责卫星观测数据上传到服务器、控制命令下发到接收机的4g通信模块，4g通信模块设有用于访问服务器或服务程序的两个socket通道，

用于给定位模块和4g通信模块通断电的电子开关，

用于指示接收机的各种工作状态的状态指示单元，

用于通过外接信号增益天线提高4g通信模块的发送增益与接收灵敏度且与4g通信模块电性连接的第一天线接口，

用于通过外接卫星信号接收天线使得定位模块接收北斗、gps、格洛纳斯和伽利略卫星导航系统信号且与定位模块电性连接的第二天线接口，

用于接收接收机返回数据流且通过socket通道与接收机双向通信的caster服务器，

用于智能调整接收机监测间隔且通过socket通道与接收机双向通信的windows服务器，windows服务器安装有：用于解算gnss接收机观测数据的解算分析软件，获取形变点监测信息并自动调整监测间隔的监控配置软件，用于存储解算分析软件处理后获取的gnss变形监测数据且能够被监控配置软件访问的数据库，

其中，定位模块、4g通信模块、状态指示单元与微控制器电性连接。

进一步地，接收机还包括：用于连接pc实现设备配置与数据输出usb接口，用于将usb信号转变为usrt信号匹配微控制器接口且与usb接口电性连接的信号转换单元，使得接收机可以通过usb接口获取数据，在无法通过无线网络获取数据的时候，usb接口可以充当临时的数据传入接口。

进一步地，信号转换单元与微控制器电性连接，信号转换单元可将转换后的数据传输到微控制器。

进一步地，接收机还包括：用于连接外部供电的电源接口，用于将外部供电转换成各模块需要的合适电源以供模块正常工作且与电源接口电性连接的dc-dc单元，dc-dc单元与微控制器电性连接，这样的设计使得各个模块均可以获得供电支持。

更进一步地，caster服务器为安装有ntripcaster服务软件的linux服务器，windows服务器为安装有监控配置软件的windows服务器，使得接收机可以通过caster认证访问caster服务器，windows服务器可以实时监控接收机状态以及根据获取数据规划接收机观测时间间隔。

一种灾害监测型gnss接收机的监测方法，包括以下步骤：

s1：设置接收机挂载点名称、观测数据类型、开机时间、监测间隔、持续时长、caster服务器ip地址和端口号、windows服务器ip地址和端口号、caster服务器认证密码、自启动参数，再将接收机部署于灾害体上，接收机通电后进入初始化，初始化结束后根据以上信息进行配置；

s2：接收机根据当前时刻与预定时间作比较，判断当前时刻是否进行数据采集，如果不是，微控制器控制电子开关关闭，设备进入休眠状态；如果是，微控制器保持电子开关连通，使得4g通信模块与定位模块在通电状态下正常工作，并在与caster服务器认证成功后，通过socket通道将观测数据传入caster服务器；

s3：安装有解算分析软件的windows服务器从caster服务器实时接收接收机发送回来的观测数据，进行高精度定位解算，获取灾害体当前三维方向的累计位移、位移速率、加速度，然后分析获得该监测点所处区域的变形阶段、危险等级、切线角、矢量角，并存入数据库；

s4：windows服务器安装的监控配置软件通过自动模式为软件根据设置好的调整监测间隔参数进行自动调整，当监控配置软件监测到接收机上线，首先从数据库中读取上线设备当前的变形信息，然后对比预先设置好的该点调整监测间隔的配置参数，如果达到了下一个设置的阈值，则自动发送配置信息，更改接收机监测间隔，否则不采取任何操作，能够实现软件根据监测点当前的变形信息自动调整监测间隔设置；

s5：接收机对windows服务器传来数据进行信息识别，确认为配置命令后，将监测间隔配置信息保存在相应变量与内存中，完成本次监测数据采集后接收机根据新的配置信息开始下一次观测。

优选地，s2步骤中，接收机的时间获取是通过接收机内定位模块实现，定位模块获取卫星观测数据，处理后输出用于更新接收机本地时间且包含有有效gps时间的gga信息，接收机的时间更新是通过接收机微控制器内的计时器叠加时间值实现，这样的设计使得接收机内无需时间钟，最大化降低了接收机成本与功耗。

优选地，s4步骤中，监控配置软件还包括人工模式，人工模式每次调整监测间隔时需要人为手动配置与发送配置命令，在自动模式不符合实情时，可以通过人工模式进行调控，使得接收机具有更好的环境适应能力。

优选地，s4步骤中，监测设置的自动调整具体地根据灾害体当前的变形速率、加速度、切线角、风险概率、预警等级这样的单一指标或多个指标综合确定，多种单一元素使得windows服务器对监测的指标具有更多的参考依据。

进一步优选地，根据变形速率对监测间隔设置进行调整的表达式可以表达为：

根据变形加速度对监测间隔设置进行调整的表达式可以表达为：

根据灾害体所处的预警等级对监测间隔设置进行调整的表达式可以表达为：

根据风险发生概率对监测间隔设置进行调整的表达式可以表达为：

其中，t′为监测间隔，t为灾害体较稳定时的初始监测时间间隔，vi为当前时刻监测点的变形速率，va为根据经验给出该类型灾害体发育初期匀速变形阶段的变形速率，αi为当前时刻变形加速度，αj为速度经验阈值，pi为当前时刻该灾害体发生风险的概率，这样的设计windows服务器可以根据多种单一元素对监测的各项指标进行设置，尤其在其中一项数据出现错误时，具有很好的避错能力。

本发明的有益效果：

1、本发明实现了当灾害体处于稳定不动状态时稀疏监测，加速破坏时加密监测，最大化降低了设备每天损耗电能，提高了设备使用寿命，降低了设备年平均成本，相同电源电量的前提下最大可以将监测天数提高30倍，寿命提高1倍，年平均成本降低一半；

2、本发明提供了一种根据gnss接收机自身监测获取的变形信息来自动调整接收机监测间隔的方法；

3、研发了能用于一种远程部署的地质灾害监测装置中使用的gnss接收机，实现了对人员无法到达现场部署设备的区域灾害体的长期监测，以及实现连续阴雨天气场景、几个月以上的积雪覆盖场景、人员无法到达现场部署设备，通过无人机远程部署gnss监测装置场景下监测设备的长期监测。

附图说明

图1为本发明的gnss接收机构成框架图；

图2为本发明的gnss接收机自动调整监测间隔的方法流程图

图3为本发明的信号转换单元；

图4为本发明的电子开关电路图；

图5为本发明的设备实物图；

其中，1-第一天线接口、2-4g通信模块、3-状态指示单元、4-微控制器、5-信号转换单元、6-usb接口、7-电源接口、8-dc-dc单元、9-定位模块、10-第二天线接口、11-电子开关、12-windows服务器、13-caster服务器、14-数据库、15-解算分析软件、16-监控配置软件。

具体实施方式

实施例1

如图1、图5所示，一种灾害监测型gnss接收机，包括：

作为设备正常运行时控制与决策核心单元的微控制器4，微控制器4内设有计数器，

用于负责处理卫星天线采集的信号并输出一定格式的卫星观测量及单点定位数据、授时数据的定位模块9，

用于负责卫星观测数据上传到服务器、控制命令下发到接收机的4g通信模块2，4g通信模块2设有用于访问服务器或服务程序的两个socket通道，

如图4所示，用于给定位模块9和4g通信模块2通断电的电子开关11，

用于指示接收机的各种工作状态的状态指示单元3，

用于连接pc实现设备配置与数据输出usb接口6，usb接口采用microusb标准，跟现在大部分android系统手机接口一样，数据连接线随处可取，能更好地适应野外配置操作，

如图3所示，用于将usb信号转变为usrt信号匹配微控制器4接口且与usb接口6电性连接的信号转换单元5，

用于连接外部供电的电源接口7，电源接口7接收的外部电源为12v0.5a的直流电源，

用于将外部供电转换成各模块需要的合适电源以供模块正常工作且与电源接口7电性连接的dc-dc单元8，

用于通过外接信号增益天线提高4g通信模块2的发送增益与接收灵敏度且与4g通信模块2电性连接的第一天线接口1，

用于通过外接卫星信号接收天线使得定位模块9接收北斗、gps、格洛纳斯和伽利略卫星导航系统信号且与定位模块9电性连接的第二天线接口10，

用于接收接收机返回数据流且通过socket通道与接收机双向通信装载有解算分析软件15的caster服务器13，caster服务器13为安装有ntripcaster服务软件的linux服务器，

用于智能调整接收机监测间隔且通过socket通道与接收机双向通信的windows服务器12，windows服务器12安装有：用于解算gnss接收机观测数据的解算分析软件15，获取形变点监测信息并自动调整监测间隔的监控配置软件16，用于存储解算分析软件15处理后获取的gnss变形监测数据且能够被监控配置软件16访问的数据库14。

其中，定位模块9、4g通信模块2、状态指示单元3、dc-dc单元8、信号转换单元5与微控制器4电性连接，4g通信模块2、微控制器4、信号转换单元5、usb接口6、电源接口7、dc-dc单元8、定位模块9、第一天线接口1、第二天线接口10均为现有技术。

本实施例的监测方法，包括以下步骤：

s1：设置接收机挂载点名称、观测数据类型、开机时间、监测间隔、持续时长、caster服务器13的ip地址和端口号、windows服务器12的ip地址和端口号、caster服务器13认证密码、自启动参数，再将接收机部署于灾害体上，接收机通电后进入初始化，初始化结束后根据以上信息进行配置；

s2：接收机根据当前时刻与预定时间作比较，判断当前时刻是否进行数据采集，如果不是，微控制器4控制电子开关11关闭，设备进入休眠状态；如果是，微控制器4保持电子开关11连通，使得4g通信模块2与定位模块9在通电状态下正常工作，并在与caster服务器13认证成功后，通过socket通道将观测数据传入caster服务器13；

s3：安装有解算分析软件15的windows服务器12从caster服务器13实时接收接收机发送回来的观测数据，进行高精度定位解算，获取灾害体当前三维方向的累计位移、位移速率、加速度，然后分析获得该监测点所处区域的变形阶段、危险等级、切线角、矢量角，并存入数据库14；

s4：如图2所示，windows服务器12安装的监控配置软件16通过自动模式为软件根据设置好的调整监测间隔参数进行自动调整，当监控配置软件16监测到接收机上线，首先从数据库14中读取上线设备当前的变形信息，然后对比预先设置好的该点调整监测间隔的配置参数，如果达到了下一个设置的阈值，则自动发送配置信息，更改接收机监测间隔，否则不采取任何操作，能够实现软件根据监测点当前的变形信息自动调整监测间隔设置，监测设置的自动调整具体地根据灾害体当前的变形速率指标确定，根据变形速率对监测间隔设置进行调整的表达式可以表达为：

其中，t′为监测间隔，t为灾害体较稳定时的初始监测时间间隔，vi为当前时刻监测点的变形速率，va为根据经验给出该类型灾害体发育初期匀速变形阶段的变形速率；

s5：接收机对windows服务器12传来数据进行信息识别，确认为配置命令后，将监测间隔配置信息保存在相应变量与内存中，完成本次监测数据采集后接收机根据新的配置信息开始下一次观测。

因此，软件自动设置的观测间隔为t小时/次，当0<vi<va时，接收机保持原有观测间隔；当va<vi<2.75va时，接收机观测间隔为t/2小时/次；当2.75va<vi<5.67va时，接收机观测间隔为t/4小时/次；当5.67va<vi<11.42va时，接收机观测间隔为t/8小时/次；当变形速率超过11.43va时，gnss接收机开始不间断的24小时连续观测，每秒钟观测一次，获得一个变形监测结果。

实施例2

本实施例与实施例1的区别在于，在本实施例的监测方法中s4步骤中，监测设置的自动调整具体地根据灾害体当前的变形加速度指标确定，根据所述变形加速度对监测间隔设置进行调整的表达式可以表达为：

其中，t′为监测间隔，t为灾害体较稳定时的初始监测时间间隔，αi为当前时刻变形加速度，αj为速度经验阈值。

例如，软件自动设置的观测间隔为t＝24小时，接收机24小时观测一次，当0<αi<αj时，接收机保持原有观测间隔；当αj<αi<2αj时，接收机观测间隔为12小时/次；当2αj<αi<3αj时，接收机观测间隔为6小时/次；当αi>3αj时，gnss接收机开始不间断的24小时连续观测，每秒钟观测一次，获得一个变形监测结果。。

实施例3

本实施例与实施例1的区别在于，在本实施例的监测方法中s4步骤中，监测设置的自动调整具体地根据灾害体当前的预警等级指标确定，根据所述预警等级对监测间隔设置进行调整的表达式可以表达为：

其中，t′为监测间隔，t为灾害体较稳定时的初始监测时间间隔。

例如，软件自动设置的观测间隔为t＝24小时，灾害体当前的预警情况为蓝色预警时，接收机保持原有观测间隔；当灾害体当前的预警情况为黄色预警时，接收机观测间隔为8小时/次；当灾害体当前的预警情况为橙色预警时，接收机观测间隔为4小时/次；当灾害体当前的预警情况为红色预警时，gnss接收机开始不间断的24小时连续观测，每秒钟观测一次，获得一个变形监测结果。

实施例4

本实施例与实施例1的区别在于，在本实施例的监测方法中s4步骤中，监测设置的自动调整具体地根据灾害体当前的风险发生概率指标确定，根据所述风险发生概率对监测间隔设置进行调整的表达式可以表达为：

其中，t′为监测间隔，t为灾害体较稳定时的初始监测时间间隔，pi为当前时刻该灾害体发生风险的概率。

例如，软件自动设置的观测间隔t＝24小时，当0％<pi<5％时，接收机保持原有观测间隔；当5％<pi<20％时，接收机观测间隔为12小时/次；当20％<pi<50％时，接收机观测间隔为6小时/次；当50％<pi<100％时，gnss接收机开始不间断的24小时连续观测，每秒钟观测一次，获得一个变形监测结果。

实施例5

本实施例与实施例1的区别在于，在本实施例的监测方法中s4步骤中，监测设置使用人工模式，人工模式每次调整监测间隔时需要人为手动配置与发送配置命令。在自动模式无法满足变化快速的恶劣环境时，人工模式能极大降低因自动模式反应不足造成的接收机观测数据的损失。

需要说明的是，以上实施例包括，但不限定使用于滑坡监测、地壳板块运动持续性监测、公路、铁路边坡监测、地面沉降监测、桥梁、大厦这样的建筑物形变监测。