一种北斗GNSS和静力水准仪融合变形监测方法及系统与流程

本发明涉及工程安全监测与卫星导航交叉，尤其涉及一种北斗gnss和静力水准仪融合变形监测方法及系统。

背景技术：

1、现有北斗gnss与静力水准仪融合变形监测技术，是结合gnss全天候实时三维绝对定位与静力水准仪高精度相对垂直位移测量的技术特性，通过松耦合数据展示叠加、后处理阶段加权滤波融合或将水准观测作为外部约束加入观测方程的初步紧耦合等技术路径，实现两类传感器观测数据结合应用的工程变形监测技术。

2、现有技术存在多方面的性能局限：松耦合模式下两类传感器独立解算、仅在结果层面叠加，空间基准偏差与观测时间不同步会引入显著系统误差，无法突破gnss垂直方向的精度瓶颈，传感器数据价值未得到充分挖掘；后处理融合模式依赖事后批量运算，数据输出时效性差，融合仅从数值层面加权计算，未充分利用两类观测的物理空间相关性，且系统整体缺乏冗余容错机制；初步紧耦合方案采用固定融合权重，无法适配动态变化的观测环境，模糊度解算未借助外部约束缩小搜索空间，收敛速度慢、固定成功率低，同时缺乏完善的实时质量控制与异常诊断机制，异常观测数据易导致解算结果失真，复杂遮挡环境下系统可用率与监测稳定性难以保障。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种北斗gnss和静力水准仪融合变形监测方法及系统，解决上述技术问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种北斗gnss和静力水准仪融合变形监测方法，包括以下步骤：

3、s1、根据监测点两种传感器的空间基准统一需求，通过将北斗多频天线相位中心与静力水准仪测量基准点设置于同一铅垂线的集成机械结构，得到共用的垂直测量基准；

4、s2、根据北斗双差载波相位和伪距观测方程，通过坐标转换将静力水准仪高程变化值映射为gnss三维基线向量的垂直分量约束，得到统一的扩展观测方程；

5、s3、基于扩展观测方程解算得到的实数模糊度及其方差-协方差矩阵，通过带外部垂直约束的lambda算法筛选过滤无效候选模糊度，得到收敛速度提升的最优整数模糊度固定解；

6、s4、基于实时卫星可见数、pdop值、信噪比，通过环境综合评分计算与线性插值处理，得到动态适配的gnss与静力水准仪融合权重；

7、s5、基于最优整数模糊度固定解和动态融合权重，通过扩展卡尔曼滤波进行状态预测与观测更新，得到监测点的三维变形状态估计结果；

8、s6、基于三维变形状态估计结果，通过多层质量控制检验与三级限差比对，得到可靠的监测点三维变形参数并触发分级预警。

9、优选的，s2中，基于gnss双差载波相位观测向量、双差伪距观测向量与静力水准高程观测值，通过矩阵拼接将垂直约束嵌入观测系数矩阵，得到的扩展观测方程具体为：

10、；

11、其中，为双差载波相位观测值向量，为双差伪距观测值向量，为静力水准仪高程变化观测值，为双差基线系数矩阵，为垂直分量转换行向量，为载波波长，为模糊度系数矩阵，、、为三维基线向量，为双差模糊度参数向量，、、分别为对应观测值的噪声向量。

12、优选的，s2之前还包括温度补偿步骤，具体为：基于连通管内液体的实时温度采集值，通过液体体膨胀系数模型计算热胀冷缩误差量，得到修正后的静力水准仪高程测量值，温度补偿公式为：

13、；

14、其中，为经温度补偿修正后的监测点相对于参考点的高程变化值，为液位传感器原始测量值，为硅油体膨胀系数，为连通管长度，为当前液体温度，为校准基准温度。

15、优选的，s2之前还包括数据同步采集步骤，具体为：基于gps/北斗双模授时的统一时间基准，通过数据采集控制器以1秒固定周期同步采集gnss原始观测数据与静力水准仪测量数据，得到时间同步精度优于10毫秒的两类对齐观测数据。

16、优选的，s3中，基于去相关变换后的候选模糊度集合，通过静力水准仪垂直分量约束条件逐点校验过滤候选解，得到缩减后的模糊度搜索集,约束条件为：

17、;

18、其中，为候选模糊度向量对应的三维基线解，为静力水准仪观测噪声标准差；通过ratio检验确定最优整数模糊度固定解。

19、优选的，s4中，基于卫星可见数、pdop值、信噪比加权计算得到环境综合评分，通过线性插值与一阶低通滤波平滑处理，得到渐变更新的gnss观测权重与静力水准仪观测权重；观测环境良好时增大gnss权重、减小静力水准仪权重，观测环境恶劣时减小gnss权重、增大静力水准仪权重。

20、优选的，s5中，基于包含三维坐标、三维速度、模糊度参数的状态向量，通过状态转移矩阵完成预测步、通过扩展观测矩阵与自适应权重完成更新步，得到滤波后的监测点三维坐标、速度与模糊度状态估计结果。

21、优选的，s6中，基于三维变形状态估计结果，通过依次执行包括观测值质量控制、模糊度质量控制、坐标质量控制、残差分析的可靠性检验，以剔除异常解与不可靠解，得到验证后的三维坐标变化量、变形速率与累积变形量；再通过与三级监测限差阈值逐一比对，分别触发对应等级的预警信号。

22、一种北斗gnss和静力水准仪融合变形监测系统，包括：集成监测模块、基准站子系统、数据处理中心和通信网络；

23、所述集成监测模块内置北斗多频天线、多频gnss接收机、高精度静力水准仪和数据采集控制器，所述北斗多频天线的相位中心与所述静力水准仪的测量基准点位于同一铅垂线上；

24、所述基准站子系统用于提供差分参考坐标；

25、所述数据处理中心通过通信网络分别连接所述集成监测模块和所述基准站子系统，用于执行融合变形监测方法。

26、优选的，所述集成监测模块还包括防护机箱、时钟同步模块和电源管理模块；所述北斗多频天线安装于防护机箱顶部，所述静力水准仪安装于机箱内部对应铅垂线位置；所述数据采集控制器分别与所述gnss接收机、所述静力水准仪和所述时钟同步模块电性连接，用于同步采集两类传感器数据；所述防护机箱通过膨胀螺栓或抱箍固定于监测点位。

27、因此，本发明采用上述一种北斗gnss和静力水准仪融合变形监测方法及系统，具有的有益效果为：

28、1、通过精密机械结构实现北斗多频天线相位中心与静力水准仪测量基准点的铅垂共线，结合双模授时的时钟同步模块完成两类观测数据的毫秒级时间对齐，同时统一空间基准与时间基准，消除了传统松耦合方案中传感器空间偏差、时间不同步引入的系统误差。

29、2、通过坐标转换将静力水准仪高程变化值映射为gnss三维基线向量的垂直分量约束，构建包含载波相位、伪距、静力水准观测的统一扩展观测方程，配合液体温度补偿模型修正静力水准测量误差，将高程约束直接嵌入解算模型而非事后修正，实现了观测层面的深度紧耦合融合，充分利用两种观测值的物理空间相关性，为垂直方向监测精度提升提供了模型支撑。

30、3、引入静力水准仪高精度垂直分量约束，逐点校验并过滤无效候选模糊度，缩小了模糊度搜索空间，提升了模糊度收敛速度与固定成功率，缩短了模糊度固定时间，尤其在卫星可见数少、观测环境恶劣的场景下，能够有效改善gnss模糊度解算性能，保障定位解算的效率与可靠性。

31、4、基于卫星可见数、pdop值、信噪比实时计算环境综合评分，通过线性插值与平滑处理动态分配gnss与静力水准仪的融合权重，在观测环境良好时侧重发挥gnss三维监测优势，观测环境恶劣时提升静力水准仪权重以保障垂直精度，实现了全场景下的最优精度适配，提升了复杂观测环境下的系统可用率与监测精度稳定性。

32、5、基于扩展卡尔曼滤波构建实时状态估计器，实现监测点三维变形参数的动态实时估计；配套四层质量控制机制逐级剔除异常与不可靠解算结果，保障输出变形参数的可靠性；同时设置三级限差分级预警机制，能够及时识别变形异常并触发对应等级的预警，实现了低延迟、高可靠的实时三维变形监测，为工程结构安全预警提供实时、可靠的监测数据依据。

33、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。