基于GNSS与加速度计数据融合的滑坡变形监测方法技术

本发明专利技术公开了基于GNSS与加速度计数据融合的滑坡变形监测方法，首先在目标区域部署加速度计传感器与GNSS接收器，分别来获取位置位移变化和振动数据，并上传至中央处理器，通过融合滤波算法对GNSS异常值进行去噪自适应调整。根据加速度计传感器推算出来的位置误差信息，形成形变约束的观测信息，然后将数据构建GNSS量测矩阵进行位移解，从而获得高精度的变化序列。以此来提高复杂环境下的GNSS变形监测精度。精度。精度。

【技术实现步骤摘要】
基于GNSS与加速度计数据融合的滑坡变形监测方法


[0001]本专利技术涉及变形监测领域，尤其涉及基于GNSS与加速度计数据融合的滑坡变形监测方法。

技术介绍

[0002]全球卫星导航系统GNSS已经广泛应用于滑坡地表的变形监测，通过GNSS实时高精度的定位对地表空间位置动态监测，可以有效预警滑坡导致的地质灾害，但在复杂环境中GNSS的监测精度以及稳定性容易受到各种异常的干扰。加速度计可以得到高精度的加速度数据，通过加入加速度计技术融合GNSS系统能够有效的降低单一传感器监测的误差，提高滑坡变形监测的精度与稳定性。

技术实现思路

[0003]为了解决上述问题，本专利技术的目的在于提供基于GNSS与加速度计数据融合的滑坡变形监测方法。
[0004]为了达到上述目的，本专利技术提供的基于GNSS与加速度计数据融合的滑坡变形监测方法包括按顺序进行的下列步骤：
[0005]步骤一：将加速度传感器以及GNSS接收器部署到目标监测区域，并将信号传输连接到中央处理器；
[0006]步骤二：通过加速度计的感应数据变化判断是否存在形变，如果存在则获取GNSS位移变化数据；
[0007]步骤三：将GNSS位移变化数据进行初步去噪处理；
[0008]步骤四：融合加速度计与GNSS位移数据；
[0009]步骤五：解算运动量测矩阵方程获取高精度的位移序列，从而完成滑坡变形监测。
[0010]在上述处理流程中，步骤一中，选取XYZ方向三轴敏感加速度计，用于测量空间位移变化，其采样率为20HZ，GNSS接收器采样率同样选择20HZ的接收器。
[0011]在上述处理流程中，步骤二中，加速度计本身并不能直接感知形变，但可以通过测量滑坡受力引起的加速度变化来间接推断物体的形变情况。当滑坡发生形变时，其质心或被监测点会在空间中产生位移，从而引起物体的加速度变化。加速度计可以通过测量这种加速度变化来推断滑坡的形变情况。具体来说，加速度计是基于惯性原理工作的，它包含一个质量块和一系列传感器。当滑坡发生形变时，质量块会随之发生相应的位移，导致传感器检测到加速度的变化。这些变化的信号经过处理后可以得到滑坡所受的加速度信息，进而推断出滑坡的形变情况
[0012]在上述处理流程中，步骤三中，在滑坡环境中，GNSS的观测值会不可避免的出现粗差等问题，按照经验，一般是给定GNSS噪声经验常值，但这种情况无法真实反映滑坡位移情况。因此引入方差自适应模型用来修正GNSS噪声矩阵，以此降低异常观测对参数解算的影响。
[0013]在上述处理流程中，在步骤四中，通过叠加两种传感器的观测数据，使其误差大大降低，精度显著提高，主要是将加速计位移观测值同步到GNSS观测方程中构建滤波系统的量测矩阵方程。
[0014]在上述处理流程中，在步骤五中，首先定义9维向量，包括方向上的三维向量，三个方向的速度向量，以及加速度计三轴上的位移向量。然后根据加速计状态时间的更新，将其映射到滤波噪声矩阵中构建量测噪声序列，最后通过GNSS位移量测数据来组建量测方程。
[0015]与现有技术相比，本专利技术的优点是：通过融合GNSS与加速度计来降低单一传感器的不稳定性，能够抵抗GNSS在复杂环境中信号干扰带来的影响，提出在GNSS/加速度计融合的卡尔曼滤波中加入随机模型，来对GNSS异常值进行自适应修正，从而提高变形监测的位移序列解算精度。
附图说明
[0016]图1为本专利技术提供的基于GNSS与加速度计数据融合的滑坡变形监测方法流程图。
具体实施方式
[0017]基于GNSS与加速度计数据融合的滑坡变形监测方法包括按顺序进行的下列步骤：
[0018]步骤一：将加速度传感器以及GNSS接收器部署到目标监测区域，并将信号传输连接到中央处理器；
[0019]步骤二：通过加速度计的感应数据变化判断是否存在形变，如果存在则获取GNSS位移变化数据；
[0020]步骤三：将GNSS位移变化数据进行初步去噪处理；
[0021]步骤四：融合加速度计与GNSS位移数据；
[0022]步骤五：解算运动量测矩阵方程获取高精度的位移序列，从而完成滑坡变形监测。
[0023]在上述处理流程中，步骤一中，选取XYZ方向三轴敏感加速度计，用于测量空间位移变化，其采样率为20HZ，GNSS接收器采样率同样选择20HZ的接收器。
[0024]在上述处理流程中，在步骤二中，加速度计本身并不能直接感知形变，但可以通过测量滑坡受力引起的加速度变化来间接推断物体的形变情况。当滑坡发生形变时，其质心或被监测点会在空间中产生位移，从而引起物体的加速度变化。加速度计可以通过测量这种加速度变化来推断滑坡的形变情况。具体来说，加速度计是基于惯性原理工作的，它包含一个质量块和一系列传感器。当滑坡发生形变时，质量块会随之发生相应的位移，导致传感器检测到加速度的变化。这些变化的信号经过处理后可以得到滑坡所受的加速度信息，进而推断出滑坡的形变情况。
[0025]在上述处理流程中，在步骤三中，对异常GNSS量测数据进行去噪，选用方差自适应模型，对噪声矩阵进行修正，以此降低异常观测对参数解算的影响。变形监测误差主要来源于GNSS解算结果，通过基于观测残差计算方差误差因子，然后用于GNSS观测噪声的修正。(1)构建融合的观测残差：其中i为三维方向，V
i
为GNSS位移与加速度计的差值。
[0026](2)构建方差因子分段函数：其中c为1～1.5的数值，d为大于1
的常数，当越大表明GNSS观测信息精度越差。
[0027](3)组合噪声矩阵：其中E U N代表三维方向。
[0028](4)将方差因子代入噪声矩阵：
[0029]在上述处理流程中，在步骤四中，通过叠加两种传感器的观测数据，使其误差大大降低，精度显著提高，主要是将加速计位移观测值同步到GNSS观测方程中构建滤波系统的量测矩阵方程。具体步骤如下：
[0030](1)定义状态参数矩阵X
k
＝[d3×
1 v3×
1 u3×1],其中k为时刻，d为GNSS三维位移，v为方向上的速度，u为加速度计三维位移。
[0031](2)定义状态转移矩阵其中Δt为加速计采样间隔。
[0032](3)定义输入矩阵输入向量U
k
。
[0033](4)推导出状态方程为
[0034](5)采用GNSS形变观测信息，构建量测方程其中H
k
为系数矩阵。
[0035]在上述处理流程中，在步骤五中，主要通过计算增益矩阵K
k
，然后根据量测方程求出系数矩阵以及高精度的滤波解从而最终算出位移序列:
[0036]
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于GNSS与加速度计数据融合的滑坡变形监测方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一：将加速度传感器以及GNSS接收器部署到目标监测区域，并将信号传输连接到中央处理器；步骤二：通过加速度计的感应数据变化判断是否存在形变，如果存在则获取GNSS位移变化数据；步骤三：将GNSS位移变化数据进行初步去噪处理；步骤四：融合加速度计与GNSS位移数据；步骤五：解算状态量测矩阵方程获取高精度的位移序列，从而完成滑坡变形监测。2.如权利要求1所述的基于GNSS与加速度计数据融合的滑坡变形监测方法，其特征在于：步骤一中，选取XYZ方向三轴敏感加速度计，用于测量空间位移变化，其采样率为20HZ，GNSS接收器采样率同样选择20HZ的接收器。3.如权利要求1所述的基于GNSS与加速度计数据融合的滑坡变形监测方法，其特征在于：步骤二中，加速度计本身并不能直接感知形变，但可以通过测量滑坡受力引起的加速度变化来间接推断物体的形变情况。当滑坡发生形变时，其质心或被监测点会在空间中产生位移，从而引起物体的加速度变化。加速度计可以通过测量这种加速度变化来推断滑坡的形变情况。具体来说，加速度计是基...

【专利技术属性】
技术研发人员：周强波，黄乐真，雒金泉，李杰，刘俊辉，
申请(专利权)人：核工业二三零研究所，
类型：发明
国别省市：