一种GNSS定位方法、观测目标定位方法、微位移监控方法、定位装置、微位移监控装置与流程

一种gnss定位方法、观测目标定位方法、微位移监控方法、定位装置、微位移监控装置
技术领域
1.本发明涉及一种定位方法，更具体地说，它涉及一种gnss定位方法、观测目标定位方法、微位移监控方法、定位装置、微位移监控装置。


背景技术：

2.微位移监控装置，主要用于监控山体的微位移变化量，通过微位移变化量的分析，可以实现对山体滑坡的预警；同理，也可以用在监控大楼、桥梁等设施。目前用于微位移监控的主要是gnss监测系统和微位移雷达检测系统。gnss监控系统，需要在监控地点大面积铺设gnss设备，通过设备的变化获取变化点的坐标值，但该系统仅能用于显著位移的变化，不能够提供毫米级微小位移的检测，且监测设备需预先安装在被观测目标上，只能进行单点位目标监测，不能实现面监测，不能实现地面活动的车辆、机械和动物的监测，不能实现便携使用；微位移雷达监控系统，是将雷达系统布置在监控区域外，通过雷达扫描获取山体毫米级微小的位移变化，也可以实现地面活动的车辆，机械和动物的检测，但不能提供被观测目标的大地坐标量值，不能准确锁定活动目标的位置，不能准确测量观测站与观测目标的相当位置，不可在动态移动中使用。为弥补现有技术的不足，亟需提供一种能够在野外，无参考站获取伪距改正数的情况下精确定位监控装置实时监控目标位置和位移量的方法。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种gnss定位的方法，达到在野外无参考站发送伪距改正数的情况下，实现精确定位的目的。
4.本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种 gnss定位的方法，包含如下步骤：获取卫星定位参数集合，所述卫星定位参数集合包括载波相位差分技术参数；根据所述初始位置坐标和所述卫星定位参数集合消除电离误差和大气误差；采用支持向量机分类算法将视距信道和非视距信道进行分类解析，筛选有效采样；根据原始状态的空间分布的有效采样，对非线性函数得到所需的函数值进行系列特征计算，获得精确的位置坐标。
5.为实现精准定位，现有技术方案需要设定参考站，参考站的位置坐标是已知的，参考站实时将伪距改正数发送给其他接收机，接收机接收卫星发送过来的位置坐标通过伪距改正数修正即可获得接收机精确的坐标，而在野外，往往附近没有参考站无法获取伪距改正数。通过采取上述方案，可以实现无参考站提供伪距改正数的情况下，实现精确定位的目的。
6.进一步的，采用支持向量机分类算法将视距信道和非视距信道进行分类解析，筛选有效采样包含如下步骤：通过载噪比、均方根误差为特征对模型进行训练，求解得超参数；将采样样本带入分类超平面公式进行判定，将结果大于零的采样样本作为有效采样。
7.进一步的，通过时间和位置坐标变化，计算大地坐标系各坐标轴方向的运动速度
和加速度；通过初始运动速度和加速度，获取即时位置坐标和即时速度。
8.本发明中当采样的时间间隔足够小，就越能反映当前物体运动的速度和加速度，通过速度和加速度即可求解当前的即时位置坐标和即时速度。
9.第二方面，本发明提供一种观测目标定位方法，包含如下步骤：采用上述方法获取基准站的即时位置坐标和即时速度；获取基准站到观测目标间的观测距离；消除误差，获取基准站到观测目标间精确的相对距离；获取观测目标与基准站相对速度；获取观测目标和基站连线的大地坐标轴角；获取观测目标的即时位置坐标和速度信息。
10.通过上述方案，可以获取观测目标精确的即时位置坐标和即时速度信息，无须在观测目标上安装gnss定位装置。基准站指带有测距功能的装置。如激光测距仪、雷达测距仪等。
11.进一步的，基准站到观测目标间的观测距离，通过光电传感器获取。
12.进一步的，消除误差，获取基准站到观测目标间的精确距离，包含如下步骤：计算第一大气补偿系数；采用自适应滤波方法对观测距离进行修正，获得修正后的观测距离；通过计算大气补偿系数与修正后的观测距离之和，获取精确的相对距离。
13.第一大气补偿系数是在测定观测目标距离时，受大气温度，杂质等影响产生误差后的补偿系数，即光电测距系统大气补偿系数。
14.进一步的，获取观测目标与基准站相对速度；采用相对距离变化与时间获取。
15.进一步的，观测目标的即时位置坐标获取步骤如下：通过相对距离与所述大地坐标轴角，计算观测目标在大地坐标系坐标轴上与基准站坐标的相对距离；通过相对距离计算观测目标在大地坐标系坐标轴上的位置坐标。
16.进一步的，观测目标的速度信息获取步骤如下：采用相对距离变化与时间获取观测目标与基准站的相对速度；通过相对速度与大地坐标轴角，计算观测目标在大地坐标系坐标轴上与基准站的相对速度；通过相对速度计算观测目标在大地坐标系坐标轴上的速度信息。
17.第三方面，本发明还提供一种微位移监控方法，包含如下步骤，采用上述方法获取观测目标与基准站精确的相对距离，以及观测目标的即时位置坐标和速度信息；根据精确距离计算第二大气补偿系数；通过微位移雷达检测系统获取观测目标的观测微位移量；通过自适应滤波获取修正后的观测微位移量；通过第二大气补偿系数与修正后的观测微位移量，获取精确的微位移量。
18.通过上述方法可以获取观测目标精确的微位移量，同时也能够获取观测目标即时的坐标位置、速度信息和微位移量。第二大气补偿系数是，雷达电磁波在穿越大气层时产生误差，而引入的补偿系数，即微位移检测系统的大气补偿系数。
19.进一步的，还包括如下步骤：发送观测目标的位置坐标、速度信息和微位移量。
20.通过上述方案，可以将上述信息发送至监控系统，对信息分析后做出反应。
21.第四方面，本发明还提供一种gnss定位装置，包括置包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述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上述gnss定位方法的步骤。
22.本发明还提供一种观测目标定位装置，包括置包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述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观
测目标定位方法的步骤。
23.本发明还提供一种微位移监控装置，包括置包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述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微位移监控方法之一的步骤。
24.第五方面，一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述gnss 定位方法的步骤。
25.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述观测目标定位方法的步骤。
26.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述微位移监控方法的步骤。
27.第六方面，本发明还一种定位装置，包含如下模块：卫星定位参数获取模块，用于获取卫星定位参数集合；误差消除模块，用于根据卫星定位参数集合消除电离误差和大气误差；分类解析模块，用于采用支持向量机分类算法将视距信道和非视距信道进行分类解析，筛选有效采样；坐标计算模块，用于根据原始状态的空间分布的有效采样，对非线性函数得到所需的函数值进行系列特征计算，获得定位装置精确的位置坐标。
28.通过上述装置可以实现无参考站精确定位的方法。
29.第六方面，本发明还提供一种微位移监控装置，包括上述定位装置；还包括：
30.环境监控模块，用于获取环境信息，包括温度，气压信息；
31.距离测定模块，用于对观测目标进行测距获取观测距离；
32.方位获取模块，用于获取观测目标与装置连线的大地坐标轴角；
33.微位移获取模块，用于获取观测目标的微位移量；
34.中央处理器，用于对定位装置、环境监控模块、距离测定模块、方位获取模块、微位移获取模块的信息进行修正和计算，获取观测目标精确的相对距离、相对速度；观测目标的位置坐标、速度信息、精确的微位移量。
35.本发明中的gnss定位的方法可以在任何需要定位的装置或设备中实现。
36.本发明中卫星定位参数获取模块，可以针对北斗卫星定位系统、 gps定位系统、伽利略定位系统三者中至少一项。
37.本发明中环境监测模块，可以采用温度传感器、湿度传感器、气压传感器等设备获取环境信息。
38.本发明中距离测定模块，可以采用光电测距传感器作为测距装置。
39.本发明中方位获取模块可以采用寻北仪和编码器，由寻北仪提供真北参考，配合编码器产生转台方向数据，进而获知观测目标与装置的连线与大地坐标系各坐标轴之间的夹角。
40.本发明中微位移获取模块可以是连续波雷达。
41.本发明所述的位置坐标可以是指wgs-84坐标系下的位置坐标，大地坐标系可以是指wgs-84坐标系。
42.本发明的速度信息可以是指在wgs-84坐标系在各坐标轴方向上的速度信息。
43.综上所述，本发明具有以下至少一项有益效果：
44.1、通过本发明可以在无参考站获取伪距改正数的情况下，实现精确定位。
45.2、通过本发明不仅仅可以实现精准定位，在定位同时能够获取当前的速度信息。
46.3、通过本发明不需要在监控目标上布置定位装置即可获取监控目标的位置坐标和速度信息中至少一项。
47.4、通过本发明获得的微位移检测装置，可以布置于移动的平台上，如汽车；大大提高了装置的适应性。
48.5、通过本发明不仅仅可以监控山体、楼房、大坝的微位移，也能够实时监控运动中的无人机、汽车、动物等目标。
附图说明
49.图1是实施例一种gnss定位方法流程图
50.图2是实施例一种观测目标定位方法流程图
51.图3是实施例一种微位移监控方法流程图
52.图4是实施例一种定位装置示意图
53.图5是实施例第二种定位装置示意图
54.图6是实施例一种微位移监控装置示意图
具体实施方式
55.为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。
56.需说明的是，当部件被称为“固定于”或“设置于”另一个部件，它可以直接在另一个部件上或者间接在该另一个部件上。当一个部件被称为是“连接”另一个部件，它可以是直接或者间接连接至该另一个部件上，该“连接”不限定固定连接或活动连接，具体连接方式应根据所要解决的具体技术问题来判断。
57.需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
58.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
59.实施例：
60.第一方面，本实施例提供了一种gnss定位方法，包含如下步骤：
61.a1.获取卫星定位参数集合，所述卫星定位参数集合包括载波相位差分技术参数；
62.在步骤a1中，卫星定位参数集合包括多颗卫星的定位参数集合，在实际工作中，需要至少四颗卫星提供相关的参数。
63.a2.根据所述初始位置坐标和所述卫星定位参数集合消除电离误差和大气误差；
64.a2步骤的原理如下：
65.根据卫星定位原理建立伪距方程：
[0066][0067]
相应的载波相位动态方程可以推导如下：
[0068][0069]
其中：为接收机到第i颗卫星的伪距；为t时刻的动态测相伪距；为接收机到第i颗卫星的真实距离；δtm为接收机钟差；δti为第δti颗卫星的钟差；c(δt
m-δti)为钟差导致的测距误差；c
·
[δtm(t)-δti(t)] 为t时刻的动态钟差误差；为电离层误差；为t时刻的动态电离层误差；为大气层误差；为t时刻的动态大气层误差；为星历误差；为第i颗卫星非视距信道传播引起的绕射路程误差；为计算过程中的噪声误差。
[0070]
在进行实际观测时，时刻一定，将伪距方程和载波相位方程联解，可消除电离层误差项；
[0071]
并进一步对第j颗卫星进行观测，通过多星观测联解消除大气误差，噪声误差和合并为，得伪距方程为：
[0072]
r＝r δt 0.5nλ d
nlos
ε
[0073]
通过上述步骤，伪距中的误差还有钟差δt、波长误差nλ、噪声误差ε等系统误差和非视距信号误差d
nlos
。其中，系统误差校正后，可以视为固定值，后续演算可以直接带入。
[0074]
为了进一步消除非视距信号误差，筛选出无非视距信号误差的有效采样，进入下一步。
[0075]
a3.采用支持向量机分类算法将视距信道和非视距信道进行分类解析，筛选有效采样；
[0076]
步骤原理和方法如下：
[0077]
设分类目标为非线性可分，采用高斯核函数进行高维空间映射求出最优超平面模型，核函数为：
[0078][0079]
x、x’：样本的最大值和最小值)；
[0080]
γ：超参数；高斯核函数唯一的超参数；过载噪比、均方根误差等为特征对模型进行训练，求解得超参数。
[0081]
||x-x’||：表示向量的范数，可以理解为向量的模；表示两个向量之间的关系，结果为一个具体值；高斯核函数的定义公式就是进行点乘的计算公式；
[0082]
假设w为法向量，决定超平面的方向，b为位移量，可以决定超平面与原点之间的距离，则w和b可以在空间内确定的唯一超平面为w*x b＝0。则可得分类超平面公式为：
[0083][0084]
通过载噪比、均方根误差等为特征对模型进行训练，求解得超参数γ。当f(x)＞0时，样本属于视距信号(los)，否则为非视距信号 (nlos)。同理可以筛选大地坐标系y轴和z轴上的视距信号样本。
[0085]
通过上述方案可以筛选出属于视距信号的样本，剔除非视距信号样本，消除非视距信号的绕射误差。
[0086]
a4.根据原始状态的空间分布的有效采样，对非线性函数得到所需的函数值进行系列特征计算，获得精确的位置坐标。
[0087]
根据前述原理，可得第j视距信道伪距方程为：
[0088]rj
＝rj δtj 0.5njλ εj[0089]
进一步得到第j颗卫星观测后的伪距校正方程：
[0090][0091]
δtu εj通过校准，可以视为常数。
[0092]
根据原始状态的空间分布进行有效采样，从而有效的确保采样点的各种特征值，特别是均值与协方差与原状态保持一致。然后对非线性函数得到所需的函数值进行系列特征计算，从而实现精密定位。
[0093]
进一步，可以通过时间和位置坐标变化，计算大地坐标系各坐标轴方向的运动速度和加速度；进而获取即时位置坐标和即时速度。
[0094]
原理如下：
[0095]
根据动力学关系，建立运动状态下的距离坐标方程为：
[0096]d(k 1)
＝d
(k)
vts 0.5at
s2
[0097]
其中，d为大地坐标系与原点的距离坐标，k为元历时刻，ts为元历间隔时间，v为速度，a为加速度。将经度和纬度方向的位置坐标和速度作为状态量，则状态向量可以表示为：
[0098][0099]
设坐标为(xd,yd,zd)，进一步可建立线性状态方程为：
[0100][0101]
其中：
[0102]
为在大地坐标系x轴向的加速度；其中为装置在大地坐标系y轴向的加速度；其中为装置在大地坐标系z轴向的加速度。
[0103]
通过上述方案可以精确的获取精确的即时位置坐标和即时速度。解决了无参考站获取伪距改正数的情况，毫米级精确定位的问题。同时能够获取当前的速度信息。
[0104]
第二方面，本实施例提供一种观测目标的定位方法，
[0105]
b1.采用上述方法获取基准站的即时位置坐标和即时速度。
[0106]
基准站为执行确定观测目标定位的实体装置，可以为光电测距仪、雷达测距仪、激光测距仪等装置。本实施例中采用光电测距仪。
[0107]
b2.获取基准站到观测目标间的观测距离；
[0108]
通过光电测距仪获取基准站到观测目标的观测距离。
[0109]
b3.消除误差，获取基准站到观测目标间精确的相对距离；步骤如下：
[0110]
b31.计算第一大气补偿系数；
[0111]
根据光电气象学原理，建立光电测距仪第一大气补偿系数的计算公式：
[0112][0113]
其中，k为光电测距系统的大气补偿系数，kr、k
p
为光电测距系统本身的仪器系数，p为光路上的平均气压，t为光路上的平均温度。
[0114]
b32.采用自适应滤波方法对观测距离进行修正，获得修正后的观测距离；
[0115]
由于实际使用时，基站与观测对象之间距离较大，观测视线上将存在动态扰动的温度和气压误差，这将导致实测距离值的扰动。因此，则进一步采用自适应滤波方法对实测距离值r值进行修正。具体方法为，对上一次扫描数据进行傅里叶变换得到频域曲线，得到最大分布点的频率值，然后求得最大分布概率的扰动周期，通过与测距扫描频率相除，从而求出扰动周期内的采样个数n，设实测距离值为l，滤波后的距离值为r，修正后的精确测距值为d，则有在i时刻：
[0116][0117]di
＝ri ki[0118]
b4.获取观测目标与基准站相对速度；
[0119]
设目标的移动速度为v则有在i时刻的观测目标与基准站的相对速度为：
[0120][0121]
上述相对速度反应的是基准站与观测目标之间的距离变化速度。
[0122]
b5.获取观测目标和基站连线的大地坐标轴角；
[0123]
本实施例中，基准站上的寻北仪，通过寻北仪器可以构建以基准站为原点的坐标系，x，y，z轴分别与大地坐标系的x，y，z轴方向相同。基准站的光电测距仪可以通过电机调整水平方向和俯仰角度，通过编码器可以获取电机调整的水平角度和俯仰角度。由北向水平角、俯仰角即可解出观测目标和基站连线的大地坐标轴角θ
x
、θy、θz。
[0124]
b5.获取观测目标的即时位置坐标和速度信息。
[0125]
b51.通过相对距离与所述大地坐标轴角，计算观测目标在大地坐标系坐标轴上与基准站坐标的相对距离；采用相对距离变化与时间获取观测目标与基准站的相对速度；
[0126][0127]
其中：x
l
为基准站与观测目标在大地坐标系x轴上相对距离，为基准站与观测目标在大地坐标系x轴上的相对速度；
[0128]yl
为基准站与观测目标在大地坐标系y轴上相对距离，为基准站与观测目标在大地坐标系y轴上的相对速度；
[0129]zl
为基准站与观测目标在大地坐标系x轴上相对距离，为基准站与观测目标在
大地坐标系y轴上的相对速度。
[0130]
b52.通过相对距离计算观测目标在大地坐标系坐标轴上的位置坐标；通过相对速度计算观测目标在大地坐标系坐标轴上的速度信息。
[0131]
在已知基准站状态向量x的基础上，设观测目标坐标为(x,y,z)则有：
[0132][0133]vx
为观测目标在x轴上的速度；vy为观测目标在y轴上的速度； vz为观测目标在z轴上的速度。
[0134]
通过上述方案无须在观测目标上布置定位装置，即可获取观测目标的位置坐标和速度信息。
[0135]
通过上述方案，实现了基准站在移动的状态下可以获取观测目标毫米级的即时位置坐标和速度信息。使得基准站可以部署于移动设备上。
[0136]
第三方面，本实施例提供一种微位移监控方法，
[0137]
c1.采用上述方案获取观测目标与基准站精确的相对距离，以及观测目标的即时位置坐标和速度信息.
[0138]
c2.根据精确距离计算第二大气补偿系数
[0139]
根据雷达波在空气中的传播受大气特性变化的影响。建立微位移测量系统大气补偿系数的计算公式为：
[0140][0141]
在本计算公式中：
[0142]
p是大气压强(hpa)，t是温度(k)，e是的水气压(hpa)，d是目标和传感器之间的精确距离；r为单位距离长度。等式的第一部分静水或者干燥成分，第二部分是潮湿成分。通常气象站观测的是相对湿度h，而不是水汽的相对压差。e和h的关系如下所示：
[0143][0144]
e：t温度下的饱和蒸汽压
[0145]
c3.通过自适应滤波获取修正后的观测微位移量；
[0146]
本方案中观测微位移量通过微位移雷达监控系统获取。
[0147]
对微位移直接测量r值进行自适应滤波，采用方法与距离测量的滤波方法相同，即在i时刻：
[0148][0149]
r'i为滤波后的微位移值。
[0150]
c4.通过第二大气补偿系数与修正后的观测微位移量，获取精确的微位移量，即
[0151]
mi＝r'i k'i[0152]
mi为精确的微位移量。
[0153]
c5.发送观测目标的位置坐标、速度信息和微位移量。
[0154]
将观测目标的监控数据集合发送至其他终端或服务器。数据集合为：
[0155]
s＝{x，v
x
，y，vy，z，vz，m}
[0156]
由于微位移雷达监控系统可以实现对面的微位移监控，因此提高了监控的广度。同时与现有微位移雷达监控系统相比，本装置可以提供观测目标的实施位置信息和速度信息。可以为后台判断监控状态提供更多地参考数据。使得本发明方法能够使用更多的场景。例如对飞行器的监控、山体塌方的监控、建筑物沉降监控等等。
[0157]
第四方面，本实施例提供了一种定位装置。定位装置包含卫星定位参数获取模块101，用于获取卫星定位参数集合；卫星定位参数获取模块，包含gnss天线，用于接收卫星信号。还包括gnss定位单元，gnss定位单元包括，误差消除模块102，用于根据卫星定位参数集合消除电离误差和大气误差；分类解析模块103，用于采用支持向量机分类算法将视距信道和非视距信道进行分类解析，筛选有效采样；坐标计算模块104，用于根据原始状态的空间分布的有效采样，对非线性函数得到所需的函数值进行系列特征计算，获得定位装置精确的位置坐标。
[0158]
具体的实现方法参考第一方面，此处不再赘述。
[0159]
采用上述定位装置可以实现微位移监控装置无参考站提供伪距改正数的情况下，精确定位的功能。
[0160]
在其他可能的实施例中提供了第二种定位装置，第二种定位装置包括gnss天线、存储器202和处理器201。gnss天线用于接收卫星信号，存储器202用于存储相应计算机程序。处理器201调用该计算机程序可以实现本实施例第一方面所述的步骤。
[0161]
第五方面，本实施例提供一种微位移监控装置包括，第四部分提供的一种定位装置；还包括：
[0162]
环境监控模块，用于获取环境信息，包括温度，气压信息和湿度信息；环境监控模块包括，温度传感器、湿度传感器、气压传感器。
[0163]
距离测定模块，用于对观测目标进行测距获取观测距离；距离测定模块采用光电测距传感器。
[0164]
转台控制模块，用于控制俯仰转动电机和水平转动电机。
[0165]
方位获取模块，用于方位获取模块包括寻北仪和编码器，寻北仪提供正北参考，配合编码器产生转台数据，获取观测目标与装置连线的大地坐标轴角。编码器可以获取转台控制模块的转向数据。
[0166]
微位移获取模块，包括连续波雷达，用于获取观测目标的微位移量。
[0167]
存储模块，存储模块用于存储实现本实施例第一方面至第三方面的计算机程序，还包含数据存储模块，数据存储模块用于存储本实施例中包括第三部分中产生数据集合在内的数据文件。
[0168]
中央处理器，调用存储模块中的计算机程序，用于对定位装置、环境监控模块、距离测定模块、方位获取模块、微位移获取模块的信息进行修正和计算，获取观测目标精确的
相对距离、相对速度；观测目标的位置坐标、速度信息、精确的微位移量。
[0169]
通讯模块，包括通讯天线，用于发送包括数据集合在内的数据文件。
[0170]
电源模块，用于对本微位移监控装置供电。
[0171]
本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。