一种高边坡形变监测方法及系统技术方案

本发明专利技术提供的一种高边坡形变监测方法及系统，消除载波观测值粗差，使用无偏估计法消除残差，计算单差几何距离，每个监测站相对于基准站做载波单差运算，联立所有同步观测卫星的载波单差表达式，对相邻两个历元的载波单差矩阵做差分，建立历元间的基线向量变化量与单差接收机时钟差变化量的矩阵方程，运用最小二乘法计算出高边坡三维形变量上述监测方法，大大提高了监测效率和监测精度；在基准站和各监测站均设置GPS接收机，各监测站的监测数据通过基于TCP/IP通信协议的LXI发现机制经交换机传输至基准站，监测数据的准确性不受环境影响，且不会出现误传、错传等，既提高环境适应性，又提高监测精度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及地质灾害工程领域，用于高边坡监测预警，特别是涉及高边坡形变监测方法及系统。
技术介绍
土质边坡高度大于20m小于100m、岩质边坡高度大于30m小于100m范围的，为高边坡。我国地形、地质因素复杂，使得国家经济发展和人们日常生活时常受到高边坡的威胁。贵州关岭滑坡事件、重庆城口县山体滑坡以及汉源万工乡滑坡时间，均造成不同程度人员伤亡、财产损失；修建公路、铁路以及大型水电工程过程中，高边坡滑坡会阻碍施工进度、延误工期、带来经济损失，甚至会威胁施工人员生命安全。传统高边坡监测，使用多个传感器构成传感器网络，传感器网络将高边坡表面测点位移数据通过GPRS模块传输至数据中心，由数据中心依据预警模型对所测数据进行分析和对比，其缺点在于：传感器网络在一定程度上容易受到复杂地质环境的影响，导致传感器脱离网络、无法自适应调整网络的情况，需人工定期维护，导致自动化程度差、浪费人力物力；数据中心将传感器网络的采集数据直接运用至预警模型，直接进行数据分析和对比，会产生较大原始数据误差，模糊度搜索需进行大量计算，导致监测速率低、监测精度低。
技术实现思路
本专利技术提供一种高边坡形变监测方法及系统，解决现有技术存在的环境适应性差、监测精度低的问题。本专利技术通过以下技术方案解决上述问题：一种高边坡形变监测方法，包括以下步骤：步骤(1)消除载波观测值粗差：对基准站和每个监测站的载波观测值，分别进行历元间载波单差运算，剔除产生载波周跳的共视卫星数据，得到基准站和每个监测站的实测数据；基准站和每个监测站在每个历元的实测数据对应的共视卫星，为同步观测卫星；步骤(2)使用无偏估计法消除实测数据的残差：步骤(21)对每个监测站相对于基准站的实测数据，分别在历元间载波单差的基础上进行监测点间的载波差分，得到每个监测站相对于基准站的载波双差数组；步骤(22)分别计算每个监测站相对于基准站的载波双差数组的平均值和标准差；若载波双差数组中的某一元素与平均值相减后的绝对值超过2倍标准差，则将元素替换为平均值；否则，保留该元素；得到每个监测站的精确数据；步骤(3)求高边坡三维形变量：步骤(31)计算每个监测站相对于基准站，到各个同步观测卫星的单差几何距离；步骤(32)针对同一颗同步观测卫星，对每个监测站相对于基准站的精确数据进行载波单差运算，得到每个监测站相对于基准站的载波单差表达式；步骤(33)将步骤(31)所得的单差几何距离分别代入步骤(32)所得的对应载波单差表达式中，得到每一颗同步观测卫星的载波单差向量方程；联立所有同步观测卫星的载波单差表达式，得到载波单差矩阵方程组；并对相邻两个历元的载波单差矩阵做差分，得到载波双差矩阵方程组；步骤(34)建立历元间的基线向量变化量与单差接收机时钟差变化量的矩阵方程；步骤(35)联立步骤(33)的载波双差矩阵方程组以及步骤(34)的矩阵方程组，运用最小二乘法计算出高边坡三维形变量；步骤(4)当高边坡三维形变量超出阈值，说明有发生地质灾害的风险。进一步地，步骤(32)中的精确数据是以电磁波波长为单位的载波相位测量值。进一步地，步骤(34)中，基线向量是指由基准站指向各监测站的向量；单差接收机时钟差是指基准站的接收机与各监测站接收机的时钟差。进一步地，步骤(32)的精确数据与电磁波波长、电磁波频率、伪距测量值、电离层延时、对流层延时、接收机时钟误差、卫星时钟误差、整周模糊度以及测量误差有关；其中，由于各监测站与基准站之间距离小于预设值时，进行载波单差后可消除电离层延时误差、对流层延时误差以及测量误差。进一步地，步骤(33)中，载波单差矩阵方程为：步骤(33)中，载波双差矩阵方程为：其中，载波单差矩阵方程中，为第n个同步观测卫星对应的精确数据中各监测站相对于基准站的相位差，λ为电磁波波长，c为电磁波速度，为基准站到第n个同步观测卫星的单位向量的转置，bBA为基准站A到监测站B的基线向量，δtBA为单差接收机时钟差，第n个同步观测卫星下的单差整周模糊度；载波双差矩阵方程是由载波单差矩阵方程做历元ti和ti+1的差分而得，1≤n≤M。进一步地，步骤(34)中，建立历元间的基线向量变化量与单差接收机时钟差变化量的矩阵方程：其中，ΔbBA为历元ti和ti+1间基线向量变化量，ΔδtBA为ti和ti+1间单差接收机始终差变化量。一种高边坡形变监测系统，包括基准站、交换机以及至少一个监测站；所述监测站包括监测站端GPS接收机以及监测站端控制器模块；所述监测站端GPS接收机接收外部卫星信号；所述监测站端GPS接收机与监测站端控制器模块相连；所述各监测站端控制器模块基于TCP/IP协议上的LXI总线机制与交换机传输数据；所述基准站包括基准站端控制器模块以及基准站端GPS接收机；所述基准站端GPS接收机接收外部卫星信号；所述基准站端GPS接收机与基准站端控制器模块相连；所述基准站端控制器模块基于TCP/IP协议上的LXI总线机制接收交换机传输的数据。进一步地，所述各监测站端GPS接收机接收外部卫星信号，获取各监测站相对于外部卫星的载波观测值和伪距测量值；所述载波观测值和伪距测量值输入至相应的监测站端控制器模块，在所述监测站端控制器模块的控制下经交换机输入至基准站端控制器模块；所述基准站端GPS接收机接收外部卫星信号，获取基准站的载波观测值和伪距测量值，输入至基准站端控制器模块中，所述基准站端控制器模块对获取的数据进行形变监测运算和处理后，获取各监测点的高边坡形变量。进一步地，所述监测站端GPS接收机及基准站端GPS接收机均为诺瓦泰GPS接收机。进一步地，所述监测站端控制器模块以及基准站端控制器模块均为S3C2440。与现有技术相比，具有如下特点：1、对基准站和每个监测站的载波观测值，分别进行历元间载波单差运算，消除载波观测值粗差，再使用无偏估计法消除残差，结合每个监测站相对于基准站到各个同步观测卫星的单差几何距离，以及每个监测站相对于基准站载波单差运算，再联立所有同步观测卫星的载波单差表达式，并对相邻两个历元的载波单差矩阵做差分，再建立历元间的基线向量变化量与单差接收机时钟差变化量的矩阵方程，运用最小二乘法计算出高边坡三维形变量上述监测方法，既提高了用于计算高边坡三维变量的数据准确度，又避免了整周模糊度搜索的大量计算，大大提高了监测效率和监测精度；2、在基准站和各监测站均设置GPS接收机，各监测站的监测数据通过基于TCP/IP通信协议的LXI发现机制经交换机传输至基准站，用于三维形变量的计算，使用GPS接收机，监测数据的准确性不受环境影响，且以LXI的发现机制进行数据传输，不会出现误传、错传等，既提高环境适应性，又提高监测精度。附图说明图1为本专利技术的原理框图。图2为基准站、监测站以及卫星之间的向量图。具体实施方式以下结合实施例对本专利技术作进一步说明，但本专利技术并不局限于这些实施例。基于上述高边坡形变监测方法的系统，包括基准站、交换机以及至少一个监测站；所述监测站包括监测站端GPS接收机以及监测站端控制器模块；所述监测站端GPS接收机接收外部卫星信号；所述监测站端GPS接收机与监测站端控制器模块相连；所述各监测站端控制器模块基于TCP/IP协议上的LXI总线机制与交换机传输数据；所述基准站包括基准站端控制器模块以及本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高边坡形变监测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤(1)消除载波观测值粗差：对基准站和每个监测站的载波观测值，分别进行历元间载波单差运算，剔除产生载波周跳的共视卫星数据，得到基准站和每个监测站的实测数据；基准站和每个监测站在每个历元的实测数据对应的共视卫星，为同步观测卫星；步骤(2)使用无偏估计法消除实测数据的残差：步骤(21)对每个监测站相对于基准站的实测数据，分别在历元间载波单差的基础上进行监测点间的载波差分，得到每个监测站相对于基准站的载波双差数组；步骤(22)分别计算每个监测站相对于基准站的载波双差数组的平均值和标准差；若载波双差数组中的某一元素与平均值相减后的绝对值超过2倍标准差，则将元素替换为平均值；否则，保留该元素；得到每个监测站的精确数据；步骤(3)求高边坡三维形变量：步骤(31)计算每个监测站相对于基准站，到各个同步观测卫星的单差几何距离；步骤(32)针对同一颗同步观测卫星，对每个监测站相对于基准站的精确数据进行载波单差运算，得到每个监测站相对于基准站的载波单差表达式；步骤(33)将步骤(31)所得的单差几何距离分别代入步骤(32)所得的对应载波单差表达式中，得到每一颗同步观测卫星的载波单差向量方程；联立所有同步观测卫星的载波单差表达式，得到载波单差矩阵方程组；并对相邻两个历元的载波单差矩阵做差分，得到载波双差矩阵方程组；步骤(34)建立历元间的基线向量变化量与单差接收机时钟差变化量的矩阵方程；步骤(35)联立步骤(33)的载波双差矩阵方程组以及步骤(34)的矩阵方程组，运用最小二乘法计算出高边坡三维形变量；步骤(4)当高边坡三维形变量超出阈值，说明有发生地质灾害的风险。...

【技术特征摘要】
1.一种高边坡形变监测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤(1)消除载波观测值粗差：对基准站和每个监测站的载波观测值，分别进行历元间载波单差运算，剔除产生载波周跳的共视卫星数据，得到基准站和每个监测站的实测数据；基准站和每个监测站在每个历元的实测数据对应的共视卫星，为同步观测卫星；步骤(2)使用无偏估计法消除实测数据的残差：步骤(21)对每个监测站相对于基准站的实测数据，分别在历元间载波单差的基础上进行监测点间的载波差分，得到每个监测站相对于基准站的载波双差数组；步骤(22)分别计算每个监测站相对于基准站的载波双差数组的平均值和标准差；若载波双差数组中的某一元素与平均值相减后的绝对值超过2倍标准差，则将元素替换为平均值；否则，保留该元素；得到每个监测站的精确数据；步骤(3)求高边坡三维形变量：步骤(31)计算每个监测站相对于基准站，到各个同步观测卫星的单差几何距离；步骤(32)针对同一颗同步观测卫星，对每个监测站相对于基准站的精确数据进行载波单差运算，得到每个监测站相对于基准站的载波单差表达式；步骤(33)将步骤(31)所得的单差几何距离分别代入步骤(32)所得的对应载波单差表达式中，得到每一颗同步观测卫星的载波单差向量方程；联立所有同步观测卫星的载波单差表达式，得到载波单差矩阵方程组；并对相邻两个历元的载波单差矩阵做差分，得到载波双差矩阵方程组；步骤(34)建立历元间的基线向量变化量与单差接收机时钟差变化量的矩阵方程；步骤(35)联立步骤(33)的载波双差矩阵方程组以及步骤(34)的矩阵方程组，运用最小二乘法计算出高边坡三维形变量；步骤(4)当高边坡三维形变量超出阈值，说明有发生地质灾害的风险。2.根据权利要求1所述的一种高边坡形变监测方法，其特征在于：步骤(32)中的精确数据是以电磁波波长为单位的载波相位测量值。3.根据权利要求1所述的一种高边坡形变监测方法，其特征在于：步骤(34)中，基线向量是指由基准站指向各监测站的向量；单差接收机时钟差是指基准站的接收机与各监测站接收机的时钟差。4.根据权利要求2所述的一种高边坡形变监测方法，其特征在于：步骤(32)的精确数据与电磁波波长、电磁波频率、伪距测量值、电离层延时、对流层延时、接收机时钟误差、卫星时钟误差、整周模糊度以及测量误差有关；其中，由于各监测站与基准站之间距离小于预设值时，进行载波单差后可消除电离层延时误差、对流层延时误差以及测量误差。5.根据权利要求1所述的一种高边坡形变监测方法，其特征在于：步骤(33)中，...

【专利技术属性】
技术研发人员：王守华，周团，邓桂辉，陆明炽，纪元法，孙希延，
申请(专利权)人：桂林电子科技大学，
类型：发明
国别省市：广西;45