一种GNSS形变监测系统及其工作方法与流程

一种gnss形变监测系统及其工作方法
技术领域
1.本发明公开了一种gnss形变监测系统及其工作方法，属于gnss位移监测技术领域。


背景技术：

2.采用卫星差分定位的方式得到的定位精度能够达到厘米级甚至毫米级，极大的改变了传统的的测量方式，且在变形监测方面进行了广泛的应用；边缘计算减少了数据在网络上转移的过程，能够实现更快的网络服务，更低的网络负载。
3.但当前的gnss形变监测系统架构普遍采用分体式的gnss接收机，不能有效的降低监测的成本，所有接收机都直接或间接的与云服务器相连，一方面增加了数据传输的压力，对网络的要求较高，一方面将所有的计算都放在云端，对云端的计算能力也有较高的要求，且增加了云服务器的投入成本。


技术实现要素：

4.本发明提出了一种gnss形变监测系统及其工作方法，解决现有技术中gnss形变监测系统数据传输压力大、对云端算力要求高的问题。
5.一种gnss形变监测系统，包括数据采集端、边缘节点、中心节点和应用端；所述数据采集端包括一个提供基准数据的基准站和多个提供监测数据的监测站，所述基准站通过通信网络向所述中心节点提供基准站的真实坐标和观测数据，多个监测站构成一个监测网，监测站通过通信网络向最近的边缘节点提供观测数据；所述边缘节点对监测网内的所有监测站的观测数据进行基线解算和网平差，获取监测站间的相对位置关系，将相对位置关系数据和部分监测站的原始数据上传至中心节点；所述中心节点将从边缘节点获取到的信息进行差分处理，根据从边缘节点获取的相对位置关系数据还原出所有监测站的绝对位置，并通过应用程序接口提供给应用端使用；所述应用端将应用程序接口传来的数据通过应用界面与用户进行交互；所述监测站与边缘节点连接，所述基准站和中心节点连接，所述边缘节点和中心节点连接，所述应用端通过应用程序接口与中心节点连接。
6.优选地，所述监测站布设在测量区域内，基准站架设在已知点处，所述监测站和基准站均包括gnss接收机和网络传输模块，gnss接收机获取原始数据并通过通信网络向外播发，所述通信网络的通信方式为有线网络、无线网络、物联网和移动通信，通信网络采用tcp协议和串口进行双向通信；基准站的观测数据包括多频卫星系统的伪距、载波、多普勒、信噪比和广播星历。
7.优选地，所述边缘节点通过通信接口获取由监测站上传的原始数据，对原始数据进行平差，然后存储；
原始数据包括伪距、载波、多普勒和信噪比，所述通信网络通过通信接口向边缘节点下达指令。
8.优选地，所述边缘节点向中心节点上传接收机状态信息，接收机状态信息包括实时运行状况的电量、运行状态、设备温度和设备序列号信息，所述中心节点对接收机状态信息数据进行云端计算和播发，所述播发具体为将基准站和监测站的原始数据以及计算后的监测站的位置结果通过通信网络向外实时播发，所述云端计算包括位置计算和坐标网平差；位置计算采用载波差分定位并确定整周模糊度，坐标网平差采用联合基准站的方式；所述的中心节点利用sql数据库、图片、视频和文件形式将原始数据、中间结果和最终结果进行存储；所述中心节点包括数据分析系统与预警系统，数据分析系统对变形监测过程中产生的数据和中间结果进行统计和分析，分析过程中出现超出预设情况的值时，预警系统对应用端警报；所述应用端通过应用程序接口与中心节点进行交互，执行控制数据流的进出、解算模式的设定、数据库和文件的操作，应用端通过中心节点控制边缘节点、监测站和基准站设备。
9.优选地，所述应用端包括交互界面，用户通过交互界面查看系统和设备的运行状态、获取监测站的位置和位移趋势、获取监测区域的危险预警、获取原始数据获取和进行远程控制；所述应用端接收预警系统的报警后，向服务器发送指令，控制中心节点的工作状态并通过中心节点向数据采集端发送指令控制基准站和监测站的gnss接收机；所述数据分析系统向应用端传送监测站的实时位置信息、位移变化趋势和定位精度信息，应用端显示当前gnss形变监测系统的工作状态和各个监测站设备的运行状态。
10.一种gnss形变监测系统的工作方法，使用所述的一种gnss形变监测系统，包括：s1.在已知坐标点处架设gnss接收机作为基准站，在监测区域内布设多个gnss接收机作为监测站，多个gnss接收机通过通信网络将原始数据发送至边缘节点；s2.首先，边缘节点获取到原始数据后首先进行各个监测站的位置解算，获取各个测站的单点定位坐标；其次，边缘节点联合任意两个监测站进行gnss rtk基线解算，获取任意两个测站间的相对位置关系；最后，边缘节点进行gnss网平差，获取监测网内各个监测站经过误差改正的相对位置信息并通过通信网络发送至中心节点；s3.中心节点通过载波差分定位和模糊度固定获取部分监测站在地心地固坐标系下的绝对坐标，通过监测网各基准站的位置关系，还原出监测网内所有监测站在地心地固坐标系下的绝对坐标，然后将所述绝对坐标回传至监测站，替换监测站进行解算的单点定位结果，减少因基线解算采用近似坐标产生的误差对基线解算的影响；s4.完成步骤s3后，中心节点将步骤s3的处理结果通过应用程序接口输出至应用端；s5.所述应用端存储步骤s4传来的处理结果并显示在交互界面上；用户通过交互界面下达指令时，应用端控制数据采集端、边缘节点和中心节点执行对应指令。
11.优选地，所述步骤s2基线解算包含如下子步骤：s2.1.选择任意两个同步观测的测站构成一条基线，利用伪距单点定位的方式求解出两个测站的坐标，对于任意一个测站，其接收机位置和卫星的几何关系可表示为：一个测站，其接收机位置和卫星的几何关系可表示为：表示第颗卫星在地心地固坐标系下的坐标，表示接收机在地心地固坐标系下的坐标，和表示卫星和接收机的时间，表示光速，表示接收机和第颗卫星间的经过改正的伪距；根据计算出某一时刻各卫星的几何位置以及gnss接收机测量得到的卫星与接收机之间的距离，利用模型改正各种测量误差，之后根据上式采用最小二乘法和迭代的方式求得接收机在地心地固坐标系下的坐标；s2.2.对测站网内任意两个测站组成的基线进行gnss多频rtk模糊度解算，模糊度解算方法中选用最小二乘模糊度降相关平差法，其观测方程可表示为：解算方法中选用最小二乘模糊度降相关平差法，其观测方程可表示为：为gnss数据矢量，可以由单频、双频或三频双差伪距和载波相位观测量组成，、均为未知参数矢量，由基线分量和大气延迟参数组成，属于实数矢量i，由以周为单位的双差整周模糊度组成，属于整数矢量，、分别为相应未知参数矢量的系数矩阵，为随机噪声。
12.优选地，所述步骤s2中的gnss网平差包含如下子步骤：b2.1.根据任意两监测站之间的基线向量，选择一个测站作为坐标起算点，利用该站坐标和该站与其他测站构成的基线向量，推算出其他监测站的近似坐标信息：式中，表示坐标起算点的ecef坐标，表示第个监测站在地心地固坐标系下的近似坐标，表示由指向的基线向量；b2.2.设监测网中各待定监测站的空间直角坐标的改正值为参数，参数的纯量形式可表示为：
式中表示经过平差后的测站坐标，表示误差改正值；若基线向量的观测值为，则基线向量观测值的平差值为：式中：表示由测站指向测站的基线向量，表示误差改正值；基线向量的误差方程可表示为：可简写为：b2.3.随机模型用如下形式表示：b2.3.随机模型用如下形式表示：表示基线向量的协方差阵，由计算过程中得出，为权阵；b2.4.设置各个监测站的三维坐标平差值为参数的三维坐标平差值为参数误差方程：权阵：法方程：可得将公式带回即可求得经过网平差后得各测站坐标，以及各测站与的相对位置关系。
13.优选地，步骤s3中，所述中心节点从基准站和监测网同时接收用于位置和基线解算的数据，所述用于位置和基线解算的数据包括接收基准站的原始观测数据、基准站的真实坐标、监测网中作为坐标起算点的监测站的原始观测数据和表示其他测站相对相对位置关系的基线向量值；中心节点进行基线和位置解算包括如下子步骤：s3.1.中心节点从接收基准站接收原始观测数据和基准站的真实坐标，从监测网接收作为坐标起算点的监测站观测数据；s3.2.采用gnss rtk技术构建基准站和监测站的基线并求解出基线向量的值；s3.3.求解基线向量确定基准站和监测站的位置关系，由于基准站坐标值精确已知，可结合基线向量求解出监测站的真实坐标，即：式中，表示监测站在ecef的高精度坐标，表示基准站在ecef坐标系下的真实坐标，表示由指向的基线向量；s3.4.根据其他测站相对相对位置关系的基线向量值，以及求得的在地心地固坐标系下的高精度坐标，可以求解出各个其他监测站在地心地固坐标系的高精度坐标：。
14.优选地，所述的gnss形变监测系统具有多个，将不同监测网中作为坐标起算点的监测站之间进行基线解算，求得基线向量后进行网平差，获取平差后的各监测网的改正坐标，并以此改正坐标用于监测网内各监测站的坐标获取。
15.与现有技术对比，本发明的系统的有益效果是：1.提出的云加边缘计算的gnss监测工作模式，充分利用了数据采集端的计算能力，将部分计算放在边缘，减轻了云服务器的计算量，通过边缘对数据的预处理，极大的减少了数据传输的压力；2.利用云服务的平台，客户可以通过各种客户端与云端的交互实现监测系统的的实时可视化；采用模块化的构网方式，能够根据需要便捷的进行监测网构建；采用集成式的
接收机，能够有效的降低设备成本，在一台设备上同时实现多个监测站的监测任务部署和配置，通过可增减和替换不同级别gnss板卡和天线的方式，来进一步适配不同监测场景对于精度和成本的要求；充分利用了接收机的空余性能在数据采集端进行数据的就近处理和计算，有效的减少数据传输的负担和云端的负载，而且能够实现和传统监测方式同样的监测效果，能够有效的减低gnss监测系统的部署成本；3.提出监测网内进行基线解算与网平差的工作模式，充分的利用了接收机的计算性能，又有效的解决了数据传输量大，云端计算量大的问题，监测网和云服务器所采用基线解算加网平差的工作模式，能够充分利用各个监测站的数据，实现更为可靠的gnss形变监测；具有良好的可扩展性，可以自由的增加和删除监测网以及监测网内的测站而不会影响到整体；边缘端监测网的gnss实时解算和云端总体的gnss位置解算，实现了监测网数据的即时处理和负载均衡。
附图说明
16.图1为本发明的系统框图；图2为本发明的方法流程图；图3为本发明实施例的系统结构示意图。
具体实施方式
17.下面结合具体实施例对本发明的具体实施方式做进一步说明：一种gnss形变监测系统，包括数据采集端、边缘节点、中心节点和应用端；所述数据采集端包括一个提供基准数据的基准站和多个提供监测数据的监测站，所述基准站通过通信网络向所述中心节点提供基准站的真实坐标和观测数据，多个监测站构成一个监测网，监测站通过通信网络向最近的边缘节点提供观测数据；所述边缘节点对监测网内的所有监测站的观测数据进行基线解算和网平差，获取监测站间的相对位置关系，将相对位置关系数据和部分监测站的原始数据上传至中心节点；所述中心节点将从边缘节点获取到的信息进行差分处理，根据从边缘节点获取的相对位置关系数据还原出所有监测站的绝对位置，并通过应用程序接口提供给应用端使用；所述应用端将应用程序接口传来的数据通过应用界面与用户进行交互；所述监测站与边缘节点连接，所述基准站和中心节点连接，所述边缘节点和中心节点连接，所述应用端通过应用程序接口与中心节点连接。
18.所述监测站布设在测量区域内，基准站架设在已知点处，所述监测站和基准站均包括gnss接收机和网络传输模块，gnss接收机获取原始数据并通过通信网络向外播发，所述通信网络的通信方式为有线网络、无线网络、物联网和移动通信，通信网络采用tcp协议和串口进行双向通信；基准站的观测数据包括多频卫星系统的伪距、载波、多普勒、信噪比和广播星历。
19.所述边缘节点通过通信接口获取由监测站上传的原始数据，对原始数据进行平差，然后存储；
原始数据包括伪距、载波、多普勒和信噪比，所述通信网络通过通信接口向边缘节点下达指令。
20.所述边缘节点向中心节点上传接收机状态信息，接收机状态信息包括实时运行状况的电量、运行状态、设备温度和设备序列号信息，所述中心节点对接收机状态信息数据进行云端计算和播发，所述播发具体为将基准站和监测站的原始数据以及计算后的监测站的位置结果通过通信网络向外实时播发，所述云端计算包括位置计算和坐标网平差；位置计算采用载波差分定位并确定整周模糊度，坐标网平差采用联合基准站的方式；所述的中心节点利用sql数据库、图片、视频和文件形式将原始数据、中间结果和最终结果进行存储；所述中心节点包括数据分析系统与预警系统，数据分析系统对变形监测过程中产生的数据和中间结果进行统计和分析，分析过程中出现超出预设情况的值时，预警系统对应用端警报；所述应用端通过应用程序接口与中心节点进行交互，执行控制数据流的进出、解算模式的设定、数据库和文件的操作，应用端通过中心节点控制边缘节点、监测站和基准站设备。
21.所述应用端包括交互界面，用户通过交互界面查看系统和设备的运行状态、获取监测站的位置和位移趋势、获取监测区域的危险预警、获取原始数据获取和进行远程控制；所述应用端接收预警系统的报警后，向服务器发送指令，控制中心节点的工作状态并通过中心节点向数据采集端发送指令控制基准站和监测站的gnss接收机；所述数据分析系统向应用端传送监测站的实时位置信息、位移变化趋势和定位精度信息，应用端显示当前gnss形变监测系统的工作状态和各个监测站设备的运行状态。
22.一种gnss形变监测系统的工作方法，使用所述的一种gnss形变监测系统，包括：s1.在已知坐标点处架设gnss接收机作为基准站，在监测区域内布设多个gnss接收机作为监测站，多个gnss接收机通过通信网络将原始数据发送至边缘节点；s2.首先，边缘节点获取到原始数据后首先进行各个监测站的位置解算，获取各个测站的单点定位坐标；其次，边缘节点联合任意两个监测站进行gnss rtk基线解算，获取任意两个测站间的相对位置关系；最后，边缘节点进行gnss网平差，获取监测网内各个监测站经过误差改正的相对位置信息并通过通信网络发送至中心节点；s3.中心节点通过载波差分定位和模糊度固定获取部分监测站在地心地固坐标系下的绝对坐标，通过监测网各基准站的位置关系，还原出监测网内所有监测站在地心地固坐标系下的绝对坐标，然后将所述绝对坐标回传至监测站，替换监测站进行解算的单点定位结果，减少因基线解算采用近似坐标产生的误差对基线解算的影响；s4.完成步骤s3后，中心节点将步骤s3的处理结果通过应用程序接口输出至应用端；s5.所述应用端存储步骤s4传来的处理结果并显示在交互界面上；用户通过交互界面下达指令时，应用端控制数据采集端、边缘节点和中心节点执行对应指令。
23.所述步骤s2基线解算包含如下子步骤：s2.1.选择任意两个同步观测的测站构成一条基线，利用伪距单点定位的方式求
解出两个测站的坐标，对于任意一个测站，其接收机位置和卫星的几何关系可表示为：解出两个测站的坐标，对于任意一个测站，其接收机位置和卫星的几何关系可表示为：表示第颗卫星在地心地固坐标系下的坐标，表示接收机在地心地固坐标系下的坐标，和表示卫星和接收机的时间，表示光速，表示接收机和第颗卫星间的经过改正的伪距；根据计算出某一时刻各卫星的几何位置以及gnss接收机测量得到的卫星与接收机之间的距离，利用模型改正各种测量误差，之后根据上式采用最小二乘法和迭代的方式求得接收机在地心地固坐标系下的坐标；s2.2.对测站网内任意两个测站组成的基线进行gnss多频rtk模糊度解算，模糊度解算方法中选用最小二乘模糊度降相关平差法，其观测方程可表示为：解算方法中选用最小二乘模糊度降相关平差法，其观测方程可表示为：为gnss数据矢量，可以由单频、双频或三频双差伪距和载波相位观测量组成，、均为未知参数矢量，由基线分量和大气延迟参数组成，属于实数矢量i，由以周为单位的双差整周模糊度组成，属于整数矢量，、分别为相应未知参数矢量的系数矩阵，为随机噪声；计算整周模糊度包括：（1）计算整周模糊度的实数解将观测方程用误差方程表示为：式中为残差矢量，为双差观测量的权阵；忽略模糊度矢量的整数特性，依据最小二乘的方法：求解未知参数矢量估值,相应法方程为：可简写为解法方程可获得和的实数估计值及其协方差阵：
（2）将整周模糊度实数解约束为整数解基于如下准则将模糊度实数解固定为整数解固定为整数解使用整数变换矩阵来进行模糊度降相关处理，来降低模糊度实数解各分量之间的相关性，降低搜索空间：的相关性，降低搜索空间：的相关性，降低搜索空间：从而有：经过搜索后获得唯一确认的后，带入下式获得模糊度的整数解：（3）整周模糊度整数解回代计算出未知参数矢量的整数解矢量的整数解整数解中包含的即为所求的基线向量。
24.所述步骤s2中的gnss网平差包含如下子步骤：b2.1.根据任意两监测站之间的基线向量，选择一个测站作为坐标起算点，利用该站坐标和该站与其他测站构成的基线向量，推算出其他监测站的近似坐标信息：
式中，表示坐标起算点的ecef坐标，表示第个监测站在地心地固坐标系下的近似坐标，表示由指向的基线向量；b2.2.设监测网中各待定监测站的空间直角坐标的改正值为参数，参数的纯量形式可表示为：式中表示经过平差后的测站坐标，表示误差改正值；若基线向量的观测值为，则基线向量观测值的平差值为：式中：表示由测站指向测站的基线向量，表示误差改正值；基线向量的误差方程可表示为：可简写为：b2.3.随机模型用如下形式表示：b2.3.随机模型用如下形式表示：表示基线向量的协方差阵，由计算过程中得出，为权阵；b2.4.设置各个监测站的三维坐标平差值为参数的三维坐标平差值为参数误差方程：
权阵：法方程：可得将公式带回即可求得经过网平差后得各测站坐标，以及各测站与的相对位置关系。
25.步骤s3中，所述中心节点从基准站和监测网同时接收用于位置和基线解算的数据，所述用于位置和基线解算的数据包括接收基准站的原始观测数据、基准站的真实坐标、监测网中作为坐标起算点的监测站的原始观测数据和表示其他测站相对相对位置关系的基线向量值；中心节点进行基线和位置解算包括如下子步骤：s3.1.中心节点从接收基准站接收原始观测数据和基准站的真实坐标，从监测网接收作为坐标起算点的监测站观测数据；s3.2.采用gnss rtk技术构建基准站和监测站的基线并求解出基线向量的值；s3.3.求解基线向量确定基准站和监测站的位置关系，由于基准站坐标值精确已知，可结合基线向量求解出监测站的真实坐标，即：式中，表示监测站在ecef的高精度坐标，表示基准站在ecef坐标系下的真实坐标，表示由指向的基线向量；s3.4.根据其他测站相对相对位置关系的基线向量值，以及求得的在地心地固坐标系下的高精度坐标，可以求解出各个其他监测站在地心地固坐标系的高精度坐标：。
26.所述的gnss形变监测系统具有多个，将不同监测网中作为坐标起算点的监测站之
间进行基线解算，求得基线向量后进行网平差，获取平差后的各监测网的改正坐标，并以此改正坐标用于监测网内各监测站的坐标获取。
27.当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。