地震救援现场坍塌建筑形变应急监测方法、装置及设备制造方法及图纸

本发明专利技术属于地震监测与预警技术领域，公开了一种地震坍塌建筑形变应急监测方法、装置及设备，主要是利用全天候、实时性、高精度的GNSS RTK/MEMS

【技术实现步骤摘要】
地震救援现场坍塌建筑形变应急监测方法、装置及设备


[0001]本专利技术属于地震监测与预警
，尤其涉及一种地震坍塌建筑形变应急监测方法、装置及设备。

技术介绍

[0002]地震灾难是任何一个国家和地区都不可避免的自然灾害，它不仅会造成财产的损失、居住环境的改变、还会造成人员伤亡。我国位于欧亚板块与印度洋和太平洋板块的碰撞挤压处，处于地震带，二十一世纪以来，我国大陆及周边地区进入了地震相对活跃时期，地震分布范围明显增大，发生频次也明显增高。近十年来已发生两次8.0级以上的地震，其中2008年汶川地震造成了69227人遇难，374643人受伤，17923人失踪。地震现场余震频发，建筑坍塌体内生命通道存在随时发生进一步倒塌的危险性，目前尚无有效监测手段。传统的变形监测设备也无法满足救援现场快速安装、信号提取、实时监测的需求。地震严重威胁着震区建筑物的安全和使用，特别是震后，建筑物的基本结构可能遭到破坏，随时有坍塌的可能，如何在震后对建筑物进行形变监测，掌握建筑物的形变发展趋势，保障救援人员的安全，寻求进一步的救援和处理方案，都有着非常重要的意义。
[0003]GNSS(Global Navigation Satellite System)
‑
RTK(Real Time Kinematic)定位作为一种新兴的空间测量技术，广泛应用于通信、交通、电力、地质勘探、导航测绘、灾害监测等领域，尤其是在桥梁、大坝及高边坡监测领域已经发挥较大优势。然而，GNSS虽然覆盖广、实时性好,而且定位误差不随时间积累，但是无法同时满足抗干扰性和动态跟踪性，且容易受到遮挡和干扰，数据更新率低。MEMS(Micro
‑
Electro
‑
Mechanical System)
‑
IMU(Inertial Measurement Unit)作为一种由硅微陀螺仪和加速度计构成的基于MEMS技术的惯性测量单元，具有自主性好、抗干扰能力强的优势，能够大批生产，成本低，体积小，便于携带，应用前景广阔。但是，MEMS
‑
IMU存在随时间积累误差增大、定位精度降低的缺点。因此，仅依靠单一的导航定位方法已经不能满足高精度、实时跟踪的导航定位需求，需要建立合理的动力学模型将二者进行融合，形成优势互补，从而为建筑坍塌体应急监测领域提供一种新的思路和方法。
[0004]现有技术的缺点和问题主要包括以下几个方面：
[0005]1)单一技术局限性：如前所述，单一的GNSS或MEMS
‑
IMU技术都存在一定的局限性，如GNSS容易受到遮挡和干扰、数据更新率低，而MEMS
‑
IMU定位精度随时间积累误差增大。这些局限性使得单一技术难以满足地震灾后建筑物形变监测的高精度、实时跟踪的需求。
[0006]2)数据融合不足：虽然已有研究将GNSS和MEMS
‑
IMU进行数据融合，但大多采用简单的数据融合方法，如加权平均法，这种方法不能充分利用两种技术的优势，导致融合数据的精度和实时性不高。
[0007]3)抗干扰能力差：地震灾后环境复杂多变，可能存在各种信号干扰和遮挡。现有技术在抗干扰能力方面尚有不足，容易受到外部环境的影响，降低监测精度。
[0008]4)动态跟踪性能不足：在地震灾后建筑物形变监测过程中，可能会出现突发性、瞬
间较大的形变，现有技术在动态跟踪方面性能有限，难以满足监测需求。
[0009]5)系统的可扩展性和普适性：地震灾后建筑物形变监测场景多样，需要具备较强的可扩展性和普适性。现有技术在这方面仍有待完善，可能无法适应不同场景的需求。
[0010]综上所述，现有技术在地震灾后建筑物形变监测方面存在一定的局限性，需要研究更为先进、高效的方法和技术，以便更好地满足高精度、实时、抗干扰、动态跟踪等方面的监测需求。

技术实现思路

[0011]针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种地震坍塌建筑形变应急监测方法、装置及设备。
[0012]本专利技术是这样实现的，一种地震坍塌建筑形变应急监测方法，利用全天候、实时性、高精度的GNSS RTK/MEMS
‑
IMU组合传感器获取原始GNSS及IMU观测数据，进行双天线GNSS测姿辅助IMU快速对准，对准后采用双天线GNSS/MEMS
‑
IMU组合快速定位测姿算法，获取载体的姿态、速度及位置信息，再利用高背景噪声下的振动信号提取方法，实时监测建筑物形变监测及相应的时间信息，当形变量超过阈值时及时发出警告以通知相关人员及时做出防护措施。
[0013]进一步，所述实现双天线GNSS/IMU快速组合定位测姿方法包括以下步骤：
[0014]第一步，GNSS伪距和载波相位观测方程可以写为：
[0015][0016][0017]式中，j为所使用的观测值频点，P为伪距观测值，φ为载波相位观测值，λ为载波波长，ρ为星地几何距离，dt
r
和dt
s
分别为接收机钟差和卫星钟差，T为对流层延迟，I为电离层延迟，d
r
和d
s
分别为接收机和卫星的码硬件延迟，δ
r
和δ
s
分别为接收机和卫星的载波相位硬件延迟，ω
r
和ω
s
分别为接收机和卫星的初始相位值，N为非差整周模糊度，e和ε分别为伪距和载波相位观测值噪声(包括多径等未模型化的误差)；
[0018]第二步，在进行RTK解算之前，需要构建双差观测方程，每个系统GNSS观测值各自选择独立的参考卫星以保证双差模糊度的整数特性；短基线同步观测条件下，在系统内部卫星间进行双差后，仅与接收机相关和仅与卫星相关的误差(如钟差、硬件延迟、载波相位初始相位值)完全被消除，而电离层延迟和对流层延迟也基本被消除以致可以忽视；因此，由接收机r和b以及卫星s和k构建的双差观测方程可表示为：
[0019][0020][0021]式中，为双差操作算子，由广播星历计算得到卫星近似坐标和已知基准站和流动站近似坐标为和对式(1
‑
3)和式(1
‑
4)进行线性化，并忽略卫星坐标和基准站坐标误差影响，则伪距和载波相位双差观测方程可分别写为：
[0022][0023][0024]式中，为由卫星和接收机近似坐标计算得到的星地几何距离，u
r
为接收机到卫星的方向余弦，Δr为基线分量改正数；由式(1
‑
5)和式(1
‑
6)可知，待估参数仅为三维基线向量改正数和双差整周模糊度；利用最小二乘法或Kalman滤波算法，可得双差模糊度实数解及其协方差矩阵构建如下目标函数：
[0025][0026]式中，N为双差模糊度整数解，利用最小二乘模糊度降相关平差法(Least square AMBiguity Decorrelation Adjustment本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种地震坍塌建筑形变应急监测方法，其特征在于，利用全天候、实时性、高精度的GNSS RTK/MEMS
‑
IMU组合传感器获取原始GNSS及IMU观测数据，进行双天线GNSS测姿辅助IMU快速对准，对准后采用双天线GNSS/MEMS
‑
IMU组合快速定位测姿算法，获取载体的姿态、速度及位置信息，再利用高背景噪声下的振动信号提取方法，实时监测建筑物形变监测及相应的时间信息，当形变量超过阈值时及时发出警告以通知相关人员及时做出防护措施。2.如权利要求1所述地震坍塌建筑形变应急监测方法，其特征在于，具体包括以下步骤：第一步，GNSS伪距和载波相位观测方程可以写为：第一步，GNSS伪距和载波相位观测方程可以写为：式中，j为所使用的观测值频点，P为伪距观测值，φ为载波相位观测值，λ为载波波长，ρ为星地几何距离，dt
r
和dt
s
分别为接收机钟差和卫星钟差，T为对流层延迟，I为电离层延迟，d
r
和d
s
分别为接收机和卫星的码硬件延迟，δ
r
和δ
s
分别为接收机和卫星的载波相位硬件延迟，ω
r
和ω
s
分别为接收机和卫星的初始相位值，N为非差整周模糊度，e和ε分别为伪距和载波相位观测值噪声(包括多径等未模型化的误差)；第二步，在进行RTK解算之前，需要构建双差观测方程，每个系统GNSS观测值各自选择独立的参考卫星以保证双差模糊度的整数特性；短基线同步观测条件下，在系统内部卫星间进行双差后，仅与接收机相关和仅与卫星相关的误差(如钟差、硬件延迟、载波相位初始相位值)完全被消除，而电离层延迟和对流层延迟也基本被消除以致可以忽视；因此，由接收机r和b以及卫星s和k构建的双差观测方程可表示为：收机r和b以及卫星s和k构建的双差观测方程可表示为：式中，为双差操作算子，由广播星历计算得到卫星近似坐标和已知基准站和流动站近似坐标为和对式(1
‑
3)和式(1
‑
4)进行线性化，并忽略卫星坐标和基准站坐标误差影响，则伪距和载波相位双差观测方程可分别写为：忽略卫星坐标和基准站坐标误差影响，则伪距和载波相位双差观测方程可分别写为：式中，为由卫星和接收机近似坐标计算得到的星地几何距离，u
r
为接收机到卫星的方向余弦，Δr为基线分量改正数；由式(1
‑
5)和式(1
‑
6)可知，待估参数仅为三维基线向量改正数和双差整周模糊度；利用最小二乘法或Kalman滤波算法，可得双差模糊度实数解及其协方差矩阵构建如下目标函数：式中，N为双差模糊度整数解，利用最小二乘模糊度降相关平差法(Least square AMBiguity Decorrelation Adjustment，LAMBDA)方法进行模糊度搜索，采用Ratio检验法确认模糊度：
当Ratio大于2时，固定模糊度为整数解N，进而可解算得到高精度的三维基线向量解；第三步，完成双天线GNSS测姿辅助惯导初始化，双天线GNSS测姿可以提供外部姿态信息，尤其可提高航向角的可观测性，在双天线GNSS一旦正确固定模糊度之后，即可得到准确的天线基线向量，从而可以计算得到航向角和俯仰角：的天线基线向量，从而可以计算得到航向角和俯仰角：对于地震救援现场坍塌建筑形变应急监测而言，假定设备刚固定到建筑物时，建筑物处于准静止状态，可以基于静基座加速度计调平原理计算得到翻滚角，而用双天线GNSS测姿可以获得航向角和俯仰角，此时，可完成粗对准过程，然后，采用Kalman滤波精对准，并将双天线GNSS测姿得到航向角和俯仰角作为虚拟观测值融合到滤波模型中，最终可以实现双天线GNSS测姿辅助的惯性导航快速初始化；第四步，进行GNSS RTK/MEMS
‑
IMU组合测姿及定位；选择n系作为导航系，则导航参数的状态方程可以表示为：式中，和φ分别为位置误差、速度误差和失准角；f
b
和δf
b
分别表示比力和比力误差；为陀螺仪角速率误差；δg
n
表示重力误差；表示b系到n系的坐标转换矩阵，基于状态方程，可以进行时间更新：基于状态方程，可以进行时间更新：式中，和分别表示历元k
‑
1时刻的状态参数估计值及协方差矩阵；和则分别表示历元k时刻的状态参数预测值及对应协方差矩阵；Φ
k，k
‑1表示历元k
‑
1时刻到历元k时刻的状态转移矩阵；进而，考虑GNSS杆臂改正后，松组合测量模型表示如下：其中其中式中，和表示GNSS位置和速度矢量；[ε
p ε
v
]
T
代表位置和速度误差，其相应的方差矩阵为R
k
；l
b
为GNSS杆臂改正；H
k
为设计矩阵；Z
k
为新息向量；基于观测方程，可以进行量测更新：
GNSS经过数据预处理，进行RTK解算，输出定位结果，MEMS
‑
IMU经过机械编排后，输出航位推算结果，两种量测信息...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢霄峰，聂志喜，王振杰，吴会胜，张远帆，周庐艳，
申请(专利权)人：中国石油大学华东，
类型：发明
国别省市：