一种基于地基基站和UWB技术结合的桥梁形变定位监测方法

一种基于地基基站和uwb技术结合的桥梁形变定位监测方法
技术领域
1.本发明属于桥梁监测技术领域，具体涉及一种基于地基基站和uwb技术结合的桥梁形变定位监测方法。


背景技术：

2.近年来，随着经济的快速发展，交通基础设施的建设使得越来越多的大型桥梁进入了大众的视野，而与之相关的桥梁安全也越来越受到大家的重视。桥梁长期健康监测是评估桥梁健康状态、保障桥梁安全、避免事故发生的重要环节。监测桥梁形变可以有效反映桥梁结构的工作状况，为相应的管理部门提供可靠的数据依据。因此，以形变监测提供桥梁的健康状况预警,是一项必须长期进行的工作，意义重大。
3.当前，全球主流的gnss(global navigation satellite system全球导航卫星系统)系统均能够实现全球组网定位，但是gnss信号从距离地面两万多公里以外的位置传输到地面处，信号的质量较差且十分容易被遮挡，同时gnss卫星在竖直方向上布局较差，导致垂直定位误差相较于水平定位误差更大。
4.现有技术存在以下缺陷：
5.gps定位在实际运行当中，信号从距离地面两万多公里以外的位置传输到地面处，信号的质量较差且十分容易被遮挡，同时gps卫星在竖直方向上布局较差，导致垂直定位误差相较于水平定位误差更大，导致gps定位结果与实际存在着较大误差，接收机的信号传递可能会因车辆的遮挡或部分基站宕机导致造成部分gps接收机定位错误或定位失败，从而无法确定桥梁形变的结果。
6.预先构建包括gnss和uwb的桥梁形变监测系统情况，gnss的定位精度较差，需要额外建设uwb基站，增加了建设成本以及维护成本。


技术实现要素：

7.因此，在某些特定区域可以用地基导航定位系统来辅助或者是替代gnss系统进行定位。由于地基定位基准站能达到毫米级的实时定位精度，目前可用在高精度桥梁形变实时动态监测系统当中。
8.uwb(ultra wide band超宽带)技术是一种无线载波通信技术，具有收发时间短、抗多径效果好、系统安全性高、整体功耗低等优点。因此，uwb技术能够应用于室内静止或移动的人和物的快速高精度定位跟踪与导航。
9.目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于地基基站和uwb技术结合的桥梁形变定位监测方法。定位时能够正常接收地基定位基准站信号的形变监测接收机，首先利用地基定位基准站定位技术获取自身的位置信息，完成与基站间的时钟同步，再作为uwb定位的基站，为不能够正常接收地基定位基准站信号的形变监测接收机提供uwb定位方法。
10.技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
11.第一方面，提供一种基于地基基站和uwb技术结合的桥梁形变定位监测方法，预先在桥梁两侧构建地基定位基准站，待监测的桥梁上安装多个形变监测接收机，所述形变监测接收机包含地基定位基准站信号接收模块、uwb信号发送模块、uwb信号接收模块，桥梁形变定位监测方法包括：
12.步骤a、监测过程中，所述形变监测接收机包括能够接收到地基定位基准站发送信号的第一形变监测接收机和因信号遮挡而无法定位的第二形变监测接收机；
13.步骤b、第一形变监测接收机实时获取地基定位基准站发送的基站信号；
14.步骤c、基于所述地基定位基准站发送的基站信号，利用伪距与载波相结合的方法，求解出第一形变监测接收机的三维坐标以及与地基定位基准站的时钟差值；
15.步骤d、利用步骤c中获得的时钟差值完成第一形变监测接收机与地基定位基准站的时钟同步；
16.步骤e、将步骤c中获得的第一形变监测接收机坐标作为形变监测接收机的位置信息，利用形变监测接收机的uwb信号发送模块作为uwb基站播发uwb信号，其中所述uwb信号包含第一形变监测接收机的三维坐标和发送时间；
17.步骤f、步骤b中因信号遮挡而无法定位的第二形变监测接收机，接收来自步骤e的uwb信号；
18.步骤g、基于所述uwb信号，利用uwb定位方法，求解出因信号遮挡而无法定位的第二形变监测接收机的三维坐标；
19.步骤h、重复执行步骤b至骤g，得到所有形变监测接收机实时的三维坐标并进行解算，确定桥梁的形变定位结果。
20.在一些实施例中，所述地基定位基准站用于发送基站信号，所述基站信号包括该地基定位基准站的位置信息和伪距信息。
21.在一些实施例中，第一形变监测接收机是指定位时能够正常接收所述地基定位基准站发送的基站信号，并能够完成地基定位的若干个形变监测接收机。
22.在一些实施例中，第二形变监测接收机是指接收机与地基定位基准站之间有遮挡，或部分地基定位基准站宕机，使得接收机无法正常接收所述地基定位基准站发送的基站信号，而无法完成地基定位的若干个形变监测接收机。
23.在一些实施例中，第一形变监测接收机利用伪距与载波相结合的方法对接收的基站信号进行解算得到第一形变监测接收机的定位结果，并根据定位结果完成第一形变监测接收机位置信息及时钟信息的更新，所述第一形变监测接收机的uwb信号发送模块用来发送包含第一形变监测接收机位置信息及时钟信息的uwb信号。
24.在一些实施例中，第二形变监测接收机利用自身的uwb信号定位模块接收所述的第一形变监测接收机的uwb信号，并利用uwb定位方法对所述uwb信号进行解算得到第二形变监测接收机的定位结果。
25.在一些实施例中，所述伪距与载波相结合的方法包括：载波相位平滑伪距——利用精度更高但存在整周模糊度的载波相位观测值来平滑粗糙的伪距观测值；采用hatch filter的形式对观测值进行实时处理。
26.在一些实施例中，所述uwb定位方法包括到达时间差定位法tdoa、飞行时间测距法tof、到达角度定位法aoa。
27.第二方面，本发明提供了一种基于地基基站和uwb技术结合的桥梁形变定位监测系统，包括地基定位基准站和多个形变监测接收机，所述地基定位基准站设置在桥梁两侧的地基定位基准站，待监测的桥梁上安装的多个形变监测接收机，所述形变监测接收机包含地基定位基准站信号接收模块、uwb信号发送模块、uwb信号接收模块；桥梁形变定位监测方法包括：
28.步骤a、监测过程中，所述形变监测接收机包括能够接收到地基定位基准站发送信号的第一形变监测接收机和因信号遮挡而无法定位的第二形变监测接收机；
29.步骤b、第一形变监测接收机实时获取地基定位基准站发送的基站信号；
30.步骤c、基于所述地基定位基准站发送的基站信号，利用伪距与载波相结合的方法，求解出第一形变监测接收机的三维坐标以及与地基定位基准站的时钟差值；
31.步骤d、利用步骤c中获得的时钟差值完成第一形变监测接收机与地基定位基准站的时钟同步；
32.步骤e、将步骤c中获得的第一形变监测接收机坐标作为形变监测接收机的位置信息，利用形变监测接收机的uwb信号发送模块作为uwb基站播发uwb信号，其中所述uwb信号包含第一形变监测接收机的三维坐标和发送时间；
33.步骤f、步骤b中因信号遮挡而无法定位的第二形变监测接收机，接收来自步骤e的uwb信号；
34.步骤g、基于所述uwb信号，利用uwb定位方法，求解出因信号遮挡而无法定位的第二形变监测接收机的三维坐标；
35.步骤h、重复执行步骤b至骤g，得到所有形变监测接收机实时的三维坐标并进行解算，确定桥梁的形变定位结果。
36.有益效果：本发明提供的基于地基基站和uwb技术结合的桥梁形变定位监测方法，具有以下优点：通过将uwb信号发送模块集成在接收机中，实现了正常地基定位的形变监测接收机为非正常地基定位的形变监测接收机提供uwb定位，避免了另建uwb定位基站的成本问题，解决了信号遮挡及部分地基基准站的宕机问题，实现复杂环境下的定位。
37.通过使用地基定位技术提高了定位的精准度，能够更好地实现桥梁形变监测。
38.保证了桥梁形变监测系统的稳定性，解决了部分形变监测接收机因地基定位的信号遮挡而无法定位的问题；
39.uwb信号发送模块集成在形变监测接收机中，无需额外建设uwb基站，节约了成本；
40.通过求解地基定位基准站的基站信号完成形变监测接收机与监测基站之间时钟同步，只需要确保地基定位基准站之间的时钟同步，无需与uwb基站的同步。
附图说明
41.图1为根据本发明一实施例的实施方法中所构造的示意图；
42.图2为根据本发明一实施例中基于地基基站和uwb技术结合的桥梁形变定位监测方法的流程图。
具体实施方式
43.下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说
明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
44.在本发明的描述中，若干的含义是一个以上，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，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或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
45.本发明的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
46.实施例1
47.如图1所示，基于地基定位和uwb技术结合的桥梁形变定位系统包括地基定位基准站、第一形变监测接收机和第二形变监测接收机。
48.所述地基定位基准站用于发送基站信号，所述基站信号包括该地基定位基准站的位置信息和伪距信息等。
49.所述第一形变监测接收机是指能够正常接收所述地基定位基准站发送的基站信号的若干个形变监测接收机，通过对接收的基站信号进行解算得到第一形变监测接收机的定位结果，并根据定位结果完成第一形变监测接收机位置信息及时钟信息的更新，所述第一形变监测接收机的uwb信号发送模块用来发送包含第一形变监测接收机位置信息及时钟信息的uwb信号。
50.所述第二形变监测接收机是指因遮挡无法正常接收所述地基定位基准站发送的基站信号的形变监测接收机，其利用uwb信号定位模块接收所述的第一形变监测接收机的uwb信号，并对所述uwb信号进行解算得到第二形变监测接收机的定位结果。
51.一种基于地基基站和uwb技术结合的桥梁形变定位监测系统，包括地基定位基准站和多个形变监测接收机，所述地基定位基准站设置在桥梁两侧的地基定位基准站，待监测的桥梁上安装的多个形变监测接收机，所述形变监测接收机包含地基定位基准站信号接收模块、uwb信号发送模块、uwb信号接收模块；桥梁形变定位监测方法包括：
52.步骤a、监测过程中，所述形变监测接收机包括能够接收到地基定位基准站发送信号的第一形变监测接收机和因信号遮挡而无法定位的第二形变监测接收机；
53.步骤b、第一形变监测接收机实时获取地基定位基准站发送的基站信号；
54.步骤c、基于所述地基定位基准站发送的基站信号，利用伪距与载波相结合的方法，求解出第一形变监测接收机的三维坐标以及与地基定位基准站的时钟差值；
55.步骤d、利用步骤c中获得的时钟差值完成第一形变监测接收机与地基定位基准站的时钟同步；
56.步骤e、将步骤c中获得的第一形变监测接收机坐标作为形变监测接收机的位置信息，利用形变监测接收机的uwb信号发送模块作为uwb基站播发uwb信号，其中所述uwb信号包含第一形变监测接收机的三维坐标和发送时间；
57.步骤f、步骤b中因信号遮挡而无法定位的第二形变监测接收机，接收来自步骤e的uwb信号；
58.步骤g、基于所述uwb信号，利用uwb定位方法，求解出因信号遮挡而无法定位的第二形变监测接收机的三维坐标；
59.步骤h、重复执行步骤b至骤g，得到所有形变监测接收机实时的三维坐标并进行解算，确定桥梁的形变定位结果。
60.实施例2
61.如图2所示，基于地基定位和uwb技术结合的桥梁形变定位方法如下：
62.步骤1、预先在在桥梁两侧构建地基定位基准站、待监测的桥梁上安装第一形变监测接收机和第二形变监测接收机，构建包括地基定位基准站、形变监测接收机以及uwb定位的桥梁形变监测系统。
63.步骤2、地基定位基准站发送包括该地基定位基准站的位置信息和伪距信息等的基站信号；
64.步骤3、第一形变监测接收机接收步骤2所述的基站信号，利用伪距与载波相结合的方法求解出第一形变监测接收机的三维坐标及接收机与地基定位基准站1的时钟之差；
65.步骤4、利用步骤3所述的时钟之差完成第一形变监测接收机与基站的时钟同步，利用第一形变监测接收机的uwb信号发送模块作为uwb基站，播发包含形变监测接收机时间及坐标信息的uwb信号；
66.步骤5、第二形变监测接收机利用uwb信号接收模块接收步骤4所述的uwb信号，利用uwb定位方法(如到达时间差定位法tdoa、飞行时间测距法tof、到达角度定位法aoa等)，求解出第二形变监测接收机的三维坐标；
67.步骤6、将步骤3中第一形变监测接收机的三维坐标与步骤5第二形变监测接收机的三维坐标作为桥梁形变监测结果发送到监测平台；
68.上述步骤中，在第一形变监测接收机完成基站定位的同时，利用基站信号求解得到第一形变监测接收机与地基定位基准站之间的时钟之差，完成第一形变监测接收机与地基定位基准站之间的时钟同步，由于地基定位时地基定位基准站之间的时钟是高度同步的，因此通过第一形变监测接收机与地基定位基准站之间的时钟同步确保第一形变监测接收机之间的时钟是高度同步的，保证了uwb定位时的时钟同步问题。
69.在使用uwb定位时，其uwb信号是由集成在第一形变监测接收机中的uwb信号发送模块完成的，与其他uwb结合方法相比无需额外建设uwb基站，节约了建设成本和维护成本。
70.通过上述步骤，利用能够正常地基定位的第一形变监测接收机为无法正常地基定位的第二形变监测接收机提供uwb定位服务，解决了定位工作中的信号遮挡及部分地基基准站的宕机问题，实现复杂环境下的定位。
71.在一些实施例中，第一形变监测接收机利用伪距与载波相结合的方法对接收的基站信号进行解算得到第一形变监测接收机的定位结果，并根据定位结果完成第一形变监测接收机位置信息及时钟信息的更新，所述第一形变监测接收机的uwb信号发送模块用来发送包含第一形变监测接收机位置信息及时钟信息的uwb信号。
72.在一些实施例中，第二形变监测接收机利用自身的uwb信号定位模块接收所述的第一形变监测接收机的uwb信号，并利用uwb定位方法对所述uwb信号进行解算得到第二形变监测接收机的定位结果。
73.在一些实施例中，所述伪距与载波相结合的方法包括：载波相位平滑伪距——利
用精度更高但存在整周模糊度的载波相位观测值来平滑粗糙的伪距观测值；采用hatch filter的形式对观测值进行实时处理。
74.本领域内的技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本技术可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本技术可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
75.本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
76.这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
77.这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
78.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。