工程结构动态形变的协同监测方法及装置

本发明涉及工程结构安全监测 ，尤其涉及一种工程结构动态形变的协同监测方法及装置。

背景技术：

1、在超高层建筑、大跨度桥梁等大型工程结构的健康监测领域，实时获取结构的高精度动态形变信息对于评估结构安全性与耐久性具有重要意义。由于单一传感器难以同时满足高精度、高频率及强抗干扰性的监测需求，通常引入微机电惯导系统（micro-electro-mechanical systems inertial navigation systems，mimus）与全球卫星导航系统（global navigation satellite system，gnss）构成组合监测终端，利用gnss提供绝对位置基准、mimus提供高频动态响应的互补特性，实现对结构振动与缓慢形变的协同感知。

2、在上述异构传感器硬件集成中，gnss天线相位中心与mimus测量中心之间的相对空间物理位置向量被称为杠臂（lever-arm）。杠臂参数的精确标定是确保gnss与mimus数据正确融合的前提。目前，与本技术最相近似的现有技术主要包括两类：其一，在设备安装前通过全站仪等测量工具进行一次性静态杠臂测量，并在后续组合导航解算中将其作为恒定参数使用；其二，在组合导航卡尔曼滤波中将杠臂参数赋予恒定的经验高斯白噪声，通过滤波迭代进行在线估计。

3、然而，上述现有技术存在以下缺陷：

4、第一，超高层建筑在强风载和日照温差等环境作用下，不仅会发生高频振动，还会产生低频的扭转和倾斜（即准静态缓变），这种结构柔性变形会导致硬件设备之间的物理杠臂发生动态形变，传统恒定杠臂的假设在此工况下完全失效，导致组合滤波精度严重退化，无法满足毫米级形变监测的精度要求。

5、第二，在复杂高空环境下，gnss信号极易受到飞鸟、临时塔吊等障碍物的瞬间遮挡，产生突发观测粗差，现有的松/紧耦合滤波器在面对这种突发粗差时，缺乏有效的冗余验证机制，极易将其错误吸收到状态向量中，导致整个组合导航系统迅速发散崩溃，严重影响监测数据的连续性与可靠性。

6、因此，亟需一种能够适应结构柔性变形导致的杠臂误差动态失准，并具备强抗粗差能力的gnss/mimus协同监测方案，以提升大型工程结构健康监测的精度与鲁棒性。

技术实现思路

1、本发明提供一种工程结构动态形变的协同监测方法及装置，用以解决现有技术中无法适应结构柔性变形导致杠臂参数动态产生偏差，以及滤波器抗突发观测粗差能力弱的缺陷，实现工程结构动态形变工况下杠臂误差的在线自适应校准与gnss突发粗差的隔离剔除，以输出连续平滑的高精度监测点定位坐标。

2、本发明提供一种工程结构动态形变的协同监测方法，包括：

3、同步获取工程结构的监测点上全球卫星导航系统的天线阵列输出的绝对位置与速度观测数据，以及微机电惯导系统模块输出的不低于第一采样频率的动态比力与角速度测量数据；

4、对所述动态比力与角速度测量数据进行低通滤波与高通滤波，提取得到准静态缓变分量与振动分量，并基于所述准静态缓变分量与所述振动分量构建双重物理几何约束；

5、建立用于数据融合的扩展卡尔曼滤波器，将反映所述全球卫星导航系统的天线阵列相位中心与所述微机电惯导系统模块的测量中心的相对位置偏差的三维空间杠臂误差向量扩充进所述扩展卡尔曼滤波器的状态向量，并在所述扩展卡尔曼滤波器的量测更新阶段，将所述双重物理几何约束作为虚拟观测值输入扩展卡尔曼滤波器，通过滤波迭代在线估计并补偿所述三维空间杠臂误差，得到补偿后的状态信息；

6、利用所述补偿后的状态信息对应的微机电惯导系统的状态转移矩阵前向推算下一历元的理论观测阈值区间，将所述理论观测阈值区间与所述绝对位置与速度观测数据进行比对得到新息序列；

7、基于所述新息序列判定是否触发粗差隔离机制，以输出所述监测点的平滑定位坐标，作为所述工程结构动态形变的监测结果。

8、在一个可能的实施方式中，所述方法还包括：

9、通过硬件时钟同步触发电路向所述监测点上全球卫星导航系统的天线阵列与所述微机电惯导系统模块输出同步触发信号；

10、响应于所述同步触发信号，获取绝对位置与速度观测数据以及动态比力与角速度测量数据，并控制所述绝对位置与速度观测数据和所述动态比力与角速度测量数据在时序上对齐。

11、在一个可能的实施方式中，所述方法还包括：

12、利用低通滤波通道对所述动态比力与角速度测量数据进行滤波，得到所述准静态缓变分量，其中，所述低通滤波通道的截止频率根据所述工程结构的基频确定；

13、利用高通滤波通道对所述动态比力与角速度测量数据进行滤波，得到所述振动分量，其中，所述高通滤波通道的截止频率高于所述工程结构的基频；

14、基于所述准静态缓变分量和所述振动分量，构建描述所述全球卫星导航系统的天线阵列相位中心与所述微机电惯导系统模块的测量中心之间相对运动的双重物理几何约束。

15、在一个可能的实施方式中，所述方法还包括：

16、所述双重物理几何约束包括：准静态几何约束方程和振动几何约束方程；

17、基于所述准静态缓变分量构建准静态几何约束方程，所述准静态几何约束方程用于描述所述天线阵列相位中心与所述测量中心之间的低频相对位置变化关系；

18、基于所述振动分量构建振动几何约束方程，所述振动几何约束方程用于描述所述天线阵列相位中心与所述测量中心之间的动态相对姿态变化关系。

19、在一个可能的实施方式中，所述方法还包括：

20、所述卡尔曼滤波器的状态向量还包括位置、速度、姿态及惯导零偏；

21、所述三维空间杠臂误差向量包括所述天线阵列相位中心与所述测量中心之间的安装偏差分量，以及由结构柔性变形引起的动态形变分量。

22、在一个可能的实施方式中，所述方法还包括：

23、将所述准静态几何约束方程作为第一虚拟观测方程，以及将所述振动几何约束方程作为第二虚拟观测方程，输入所述扩展卡尔曼滤波器；

24、联合所述第一虚拟观测方程与所述第二虚拟观测方程，对所述扩展卡尔曼滤波器的状态向量进行约束更新。

25、在一个可能的实施方式中，所述方法还包括：

26、利用所述状态转移矩阵，基于当前历元的状态向量外推下一历元的位置与速度预测值；

27、根据所述微机电惯导系统模块的测量精度及外推时间长度，计算所述下一历元的理论观测阈值区间的安全阈值边界。

28、在一个可能的实施方式中，所述方法还包括：

29、基于预设的假设检验模型对所述新息序列进行统计检验，当所述新息序列超越所述下一历元的理论观测阈值区间的安全阈值边界时，判定触发所述粗差隔离机制；

30、其中，所述假设检验模型包括基于卡方分布的新息检验模型或基于3σ准则的残差阈值检验模型。

31、在一个可能的实施方式中，所述方法还包括：

32、动态降低所述全球卫星导航系统的量测权重，或将当前历元的所述绝对位置与速度观测值标记为粗差并予以拒斥；

33、在所述绝对位置与速度观测值被标记为粗差期间，基于所述微机电惯导系统模块推算维持定位坐标输出，直至所述新息序列回落至所述下一历元的理论观测阈值区间的安全阈值边界以内。

34、本发明还提供一种工程结构动态形变的协同监测装置，包括如下模块：

35、获取模块，用于同步获取工程结构的监测点上全球卫星导航系统的天线阵列输出的绝对位置与速度观测数据，以及微机电惯导系统模块输出的不低于第一采样频率的动态比力与角速度测量数据；

36、滤波模块，用于对所述动态比力与角速度测量数据进行低通滤波与高通滤波，提取得到准静态缓变分量与振动分量，并基于所述准静态缓变分量与所述振动分量构建双重物理几何约束；

37、补偿模块，用于建立用于数据融合的扩展卡尔曼滤波器，将反映所述全球卫星导航系统的天线阵列相位中心与所述微机电惯导系统模块的测量中心的相对位置偏差的三维空间杠臂误差向量扩充进所述扩展卡尔曼滤波器的状态向量，并在所述扩展卡尔曼滤波器的量测更新阶段，将所述双重物理几何约束作为虚拟观测值输入扩展卡尔曼滤波器，通过滤波迭代在线估计并补偿所述三维空间杠臂误差，得到补偿后的状态信息；

38、推算模块，用于利用所述补偿后的状态信息对应的微机电惯导系统的状态转移矩阵前向推算下一历元的理论观测阈值区间，将所述理论观测阈值区间与所述绝对位置与速度观测数据进行比对得到新息序列；

39、判定模块，用于基于所述新息序列判定是否触发粗差隔离机制，以输出所述监测点的平滑定位坐标，作为所述工程结构动态形变的监测结果。

40、本发明还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上述任一种所述的工程结构动态形变的协同监测方法。

41、本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如上述任一种所述的工程结构动态形变的协同监测方法。

42、本发明还提供一种计算机程序产品，包括计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述任一种所述的工程结构动态形变的协同监测方法。

43、本发明提供的工程结构动态形变的协同监测方法及装置，通过同步获取工程结构的监测点上全球卫星导航系统的天线阵列输出的绝对位置与速度观测数据，以及微机电惯导系统模块输出的不低于第一采样频率的动态比力与角速度测量数据；对所述动态比力与角速度测量数据进行低通滤波与高通滤波，提取得到准静态缓变分量与振动分量，并基于所述准静态缓变分量与所述振动分量构建双重物理几何约束；建立用于数据融合的扩展卡尔曼滤波器，将反映所述全球卫星导航系统的天线阵列相位中心与所述微机电惯导系统模块的测量中心的相对位置偏差的三维空间杠臂误差向量扩充进所述扩展卡尔曼滤波器的状态向量，并在所述扩展卡尔曼滤波器的量测更新阶段，将所述双重物理几何约束作为虚拟观测值输入扩展卡尔曼滤波器，通过滤波迭代在线估计并补偿所述三维空间杠臂误差，得到补偿后的状态信息；利用所述补偿后的状态信息对应的微机电惯导系统的状态转移矩阵前向推算下一历元的理论观测阈值区间，将所述理论观测阈值区间与所述绝对位置与速度观测数据进行比对得到新息序列；基于所述新息序列判定是否触发粗差隔离机制，以输出所述监测点的平滑定位坐标，作为所述工程结构动态形变的监测结果。相比于现有技术中无法适应结构柔性变形导致杠臂参数动态产生偏差，以及滤波器抗突发观测粗差能力弱的缺陷，由本方案，实现工程结构动态形变工况下杠臂误差的在线自适应校准与gnss突发粗差的隔离剔除，以输出连续平滑的高精度监测点定位坐标。