[发明专利]基于惯性辅助定位接收机的实时形变监测预警系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种实时形变监测预警系统及其方法，尤其是涉及一种基于惯性辅助定位接收机的实时形变监测预警系统及方法。

背景技术

近年来随着全球地震、滑坡、地表沉降等地质灾害的增多和大型人工土木结构和建筑结构的出现，大型结构的形变监测和异常预警已成为亟待解决的技术问题。其技术难点包括：测量的实时性，精密静态测量和动态测量的兼顾、长期海量数据的存储问题等。全球卫星导航技术(GNSS)具有布设方便、成本低、精度稳定等优点。尤其是随着GNSS精密定位技术(包括RTK和PPP等)的成熟，GNSS得以逐渐应用于上述形变监测领域。但是，采用GNSS精密定位技术存在动态测量精度不足和实时性差的局限，因此一旦所监测的结构出现剧烈形变或破坏时(实际应用中往往是最关键的时候)，GNSS就无法胜任了。虽然高动态、高采样率的GNSS接收机已经出现(如Trimble Net R8实现了50Hz的数据输出率)，但还是无法完全满足对剧烈形变的准确测量，且价格昂贵。另一方面，GNSS技术所依赖的卫星信号容易受到干扰和遮挡，也影响了形变测量的可靠性和可信性。与此相反，惯性测量技术(INS，Inertial Navigation System)采用惯性传感器(包括加速度计和陀螺仪)测量加速度(及重力，合称比力)和角速度(或角度变化)，经过投影和积分等运算得到位置、速度和姿态等运动信息。惯性测量具有动态特性好、采样率高、自主测量、稳定可靠等优点，在军工、航天等领域获得了广泛应用。其缺点是在解算过程中由于积分环节的作用，其定位精度随时间而快速发散，因此无法长时间独立工作。对比上述卫星定位和惯性测量的特性可知，两者具有天然的互补性，因此两者的组合成为一种完美的解决方案。例如，GNSS/INS组合导航系统能够兼顾静态和动态精度、性能稳定可靠、不易受干扰，近年来成为导航应用的主流方案。因此，将GNSS精密定位技术与惯性测量技术结合用于形变监测成为一种技术趋势。

在形变监测数据的采集和保存方面，存在采样率上的矛盾。为了能够捕捉到结构形变中可能出现的动态信息，要求采样率尽量高；但这又造成数据存储负担过重，长期记录需巨量存储空间和相应硬件成本。而且，多数被监测结构在正常情况下其形变量中基本不含高动态信息，只有缓慢的接近静态的变化，完全没有必要保存高采样率数据。但是如果只记录低采样率数据，那么一旦发生剧烈形变，则无法捕捉到高动态位移，错失最关键的信息。为此，应该考虑根据被测结构的形变情况来调整数据采集和存储的采样率。这种自适应调整机制要及时准确，以保证高动态形变信息不被损失。

发明内容

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种基于惯性辅助定位接收机的实时形变监测预警系统，其特征在于，包括一个GNSS接收机、一个加速度计(三轴)、一个包含有数据接口和时间同步模块的形变数据处理装置、以及一个分别与GNSS接收机以及形变数据处理装置连接的GNSS更正信息获取装置，所述数据接口和时间同步模块依次相连，所述GNSS接收机和加速度计同时与数据接口连接。

本发明中的形变监测系统由GNSS天线(及其接收机)和加速度计共同感知结构形变，前者侧重静态形变，后者侧重动态形变。GNSS接收机和加速度计数据被送到控制器进行数据处理和数据存储，并在需要时对外发布警报。控制器还负责对其它模块的配置、管理和供电等。另外系统还包含电源模块、对外通信模块，并需要外界提供GNSS精密定位所需的改正信息的支持。

系统中GNSS接收机采用实时的RTK(Real-Time Kinematics)或PPP(Precise Point Positioning)实现精密定位，以满足实时形变监测和预警对实时精密位移测量的需求。控制器进行数据处理时，将采用Kalman滤波器等算法对GNSS采集的位移信息和加速度信息进行实时融合，得到结构动态形变的最优估计。在控制器进行数据存储时，为了兼顾动态信息的保存和数据存储空间的节省，本发明根据结构形变的动态情况自适应调整存储信息的采样率。在只有缓慢形变时(多为正常情况)采用低采样率(如1Hz或更低)；在出现剧烈形变时(多为突发异常情况)采用高采样率(如50Hz，200Hz)。其中，动态情况的判断利用加速度计数据中丰富的动态信息(并可结合GNSS实时精密定位信息)进行及时准确的检测。数据存储机制还设计了一定长度的数据缓冲区，暂时保存当前时刻之前一定长度的GNSS和加速度计的高采样率原始数据，以便在判断发生剧烈形变时能够将之前的一定长度的高频数据也保存下来，为事后分析保留充足的原始数据。