專利名稱：衛星定位與加速度計緊集成變形測量及預警系統與方法
衛星定位與加速度計緊集成變形測量及預警系統與方法技術領域
本發明屬于工程變形監測及預警系統與方法，具體涉及一種衛星定位與加速度計緊集成變形測量及預警系統與方法。
背景技術：
全球定位系統(Global Positioning System - GPS)是20世紀70年代由美國陸海空三軍聯合研制的新一代空間衛星導航定位系統，GPS系統通過接收分布在空中的M顆導航衛星發送的無線信號進行定位，具有全球性，全能性(陸地、海洋、航空和航天)、全天候性等優點，可為用戶提供精確的導航定位、定時、測速信息，用戶可以在全球范圍內實現全天候、連續、實時的三維導航定位和測速。另外，利用該系統，用戶還能夠進行高精度的時間傳遞和高精度的精密定位。但GPS工作性能受環境條件、無線電干擾的影響，會對定位精度產生影響，而且GPS的單點定位精度不高，尤其是高程方向，并且GPS接收機的采樣頻率不夠高，在加上多路徑等誤差的影響，在需要較高精度的變形監測，尤其是實時動態變形監測時有一定的不足，僅靠GPS系統很難獲得較高精度定位精度。
加速度計是一種能夠監測物體加速度的元件，能夠檢測常規結構的高頻振動，它能夠輸出與加速度成正比的模擬電壓信號，不僅可測量靜態加速度，還可以測量動態加速度，不受環境、無線電干擾的影響，它具有低功耗、高頻率的特點。但加速度計輸出的數據沒有時間標記，將其用于變形監測時，通過積分可以得出監測區域的相對變形情況，但隨著時間累積，監測點的位置信息的誤差隨之累積，當建筑物及變形區域偏移速度較慢時，加速度計很難準確的得出結構的整體振動。發明內容
本發明的目的是要提供一種衛星定位與加速度計緊集成變形測量及預警系統與方法，解決單點GPS定位、尤其是高程方向定位精度差及加速度計積分得到的變形監測數據隨時間延續不斷增大的問題。
本發明的技術方案是該預警系統包括加速度計模塊，GPS接收機模塊，控制板模塊，上位機模塊及遠程終端模塊，其中加速度計模塊的輸出端與控制板模塊相連，GPS接收機模塊的輸出端與控制板模塊相連，控制板模塊的輸出端與上位機模塊相連，上位機模塊的輸出信息通過hternet或LAN同步傳輸到遠程終端模塊。
所述的加速度計模塊包括加速度計測量單元、轉換電路和A/D轉換模塊，加速度計測量單元、轉換電路和A/D轉換模塊順序連接，A/D轉換模塊的輸出端與控制板模塊連接；所述的GPS接收機模塊包括雙頻GPE_0EM板和GPS天線，GPS天線與雙頻GPE_0EM板連接，雙頻GPE_0EM板與控制模塊連接；所述的控制板模塊包括電源模塊和數據時間同步模塊，電源模塊和數據時間同步模塊連接，所述的數據時間同步模塊用于加速度計模塊和GPS接收機模塊輸出的數字信號的時刻配準；所述的加速度計模塊包括加速度計測量單元和數字電路；加速度計模塊用于輸出測站的加速度信息，加速度計模塊的測量單元為三軸正交的加速度計，數字電路包括轉換電路和A/D轉換模塊，所述轉換電路用于將加速度計輸出的信號傳送到A/D轉換模塊，所述A/D 轉換模塊用于將加速度計的信號轉換為數字信息；所述的GPS接收機模塊由雙頻GPS_0EM板和GPS天線組成，GPS接收機模塊用于并輸出測站的測量信息、衛星星歷數據和衛星健康狀態數據；所述的控制板模塊，為GPS_0EM板和加速度計模塊供電以及用于加速度計模塊和GPS 接收機模塊輸出的數字信號的時間同步；所述上位機模塊，控制系統工作狀態并接收控制板模塊輸出的已同步的GPS和加速度信號，通過卡爾曼濾波計算進行數據融合，并采用累積和算法進行預警，實時顯示相關信息并進行傳輸；所述遠程終端模塊，接收上位機傳輸的數據和警告信息； 具體的方法步驟為A、控制板模塊上電后，系統首先進行自檢，并開始初始化；B、系統正常后，加速度計模塊中的加速度計測量單元開始感知測站的加速度，并通過轉換電路和A/D轉換模塊轉換成數字信息，同時將其傳輸給控制板模塊；C、與b同時，GPS接收模塊開始工作，GPS接收天線接收GPS信號，通過雙頻GPS_0EM板實時處理，可以得到測站的定位信息及相關星歷數據和衛星狀態信息，同時將得到的測站位置信息傳輸給控制板模塊；D、控制板模塊同步接收來自加速度計模塊的加速度信息和來自GPS模塊的位置信息， 通過時間同步模塊得到同一時間標記的加速度信息和位置信息，并傳輸給上位機模塊；E、上位機模塊接收來自控制板模塊的數據，通過卡爾曼濾波器計算進行數據融合，獲取較高精度的位置變化信息，并將位置信息和加速度信息作為輸入，采用累積和算法進行預警，同步顯示相關數據和圖形信息，同時將相關數據和必要的警告信息傳給遠程終端；F、遠程終端接收來自上位機的信息，并根據實際情況做出決策。
有益效果，由于采用了上述方案，衛星定位與加速度計緊集成變形測量及預警系統與方法是通過將GPS數據和加速度數據進行融合，通過卡爾曼濾波計算，得到高精度的變形監測數據，并利用累積和算法對得到的數據進行分析，進而建立實時預警系統；增加了系統的可靠性和效率，衛星定位與加速度計緊集成變形測量及預警系統與方法在變形監測上的應用有較強的實際意義，提高了精度、降低了成本，能夠全天時、全天候、實時動態、變形監測。
加速度計模塊用于輸出測站的加速度信息，獲取結構的振動特性，GPS接收機模塊用于輸出測站的測量信息、衛星星歷和衛星健康狀態，控制板模塊為GPS_0EM板和單片機供電以及用于加速度計模塊和GPS接收機模塊輸出的數字信號的時間同步，上位機模塊控制系統工作狀態并接收控制板輸出的已同步的GPS和加速度信號，通過卡爾曼濾波計算進行數據融合，并采用累積和算法進行變形預警，可以實時顯示信息，遠程終端能夠接收來自上位機的數據和警告信息。
所述加速度計測量單元是一個三軸正交安裝的加速度計，能夠監測到結構及變形區域的振動情況，它是用于測量系統的加速度變化信息。所述數字電路單元包括轉換電路和A/D轉換模塊，所述轉換電路用于將加速度計測量單元輸出信號放大濾波并傳送到A/D 轉換模塊，A/D轉換模塊用于將轉換電路傳出的信號轉換為數字信息。
所述GPS接收機模塊包括雙頻GPS_0EM板和GPS接收天線。
所述的控制板模塊包含電源模塊和數據同步模塊，電源模塊用于為單片機和GPS_ OEM板供電，數據同步模塊用于將GPS數據和加速度計數據的時間同步，并輸出帶同一時間標記的數據。
所述上位機模塊用于處理控制板模塊輸出的同步數據，通過卡爾曼濾波計算得到精確的位置變化信息，再通過累積和算法進行預警并顯示輸出，并可通過網絡同步傳輸相關fe息。
所述遠程終端模塊，用于接收上位機傳輸的數據和警告信息。
解決了單點GPS定位、尤其是高程方向定位精度差及加速度計積分得到的變形監測數據隨時間延續不斷增大的問題，達到本發明的目的。
優點1、衛星定位與加速度計緊集成變形測量及預警系統與方法將GPS定位技術與加速度計的功能緊密結合，利用GPS快速定位、全天時、全天候的特點與加速度計采集的高頻、高精度的加速度數據的特點，利用現代單片機技術，將GPS數據和加速度計數據進行時間同步，并通過卡爾曼濾波計算得到高精度的變形監測數據，并以此通過累積和算法對獲得的數據進行處理進而進行變形預警，并利用現代通信技術進行數據傳輸，實現遠程實時監控。
2、衛星定位與加速度計緊集成變形測量及預警系統可以很方便的安置在任何建筑或地點，能夠快速獲取及更新數據，受環境條件影響小，只需可見天空即可。
3、衛星定位與加速度計緊集成變形測量及預警系統可以同自動全站儀、傾斜傳感器、測斜儀等整合使用，以適應不同精度或監測要求。
4、衛星定位與加速度計緊集成變形測量及預警系統使用低成本、中等精度的硬件，組合成具有較高精度的測量系統，能夠在建筑物、橋梁、大壩、礦山等領域的變形監測中得以應用。
5、能夠應用在滑坡或傾斜等地形復雜區域，而常規手段很難到達，也很難維護、只能提供不定期觀測。
6、提供移動向量的決定性信息，能提供連續數據，具有較強的實時性、數據處理能力和通訊能力。
7、實時動態處理結果以簡單的圖形人機交互形式表達，免去費時低效的人工數據處理。
8、提供低成本高效率監測的同時還可以為其他監測手段提供多余觀測量。
用于礦區井筒、高層建筑物、橋梁等各類動態變形安全的監測及預警，并能保證預警的完備性、系統優化，具有廣泛的實用性。


圖1為本發明的衛星定位與加速度計緊集成變形測量及預警系統的結構示意圖。
圖2為本發明的控制板模塊GPS數據和加速度計數據時間同步原理圖。
圖3為本發明的上位機數據融合及預警示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明的具體實施方式
進一步詳細說明實施例1 該預警系統包括加速度計模塊，GPS接收機模塊，控制板模塊，上位機模塊及遠程終端模塊，其中加速度計模塊的輸出端與控制板模塊相連，GPS接收機模塊的輸出端與控制板模塊相連，控制板模塊的輸出端與上位機模塊相連，上位機模塊的輸出信息通過 Internet或LAN同步傳輸到遠程終端模塊。
所述的加速度計模塊為電容式硅微加速度計，包括加速度計測量單元、轉換電路和A/D轉換模塊，加速度計測量單元、轉換電路和A/D轉換模塊順序連接，A/D轉換模塊的輸出端與控制板模塊連接；所述的GPS接收機模塊包括雙頻GPE_0EM板和GPS天線，GPS天線與雙頻GPE_0EM板連接，雙頻GPE_0EM板與控制模塊連接；所述的控制板模塊包括電源模塊和數據時間同步模塊，電源模塊和數據時間同步模塊連接，所述的數據時間同步模塊用于加速度計模塊和GPS接收機模塊輸出的數字信號的時刻配準；所述的加速度計模塊包括加速度計測量單元和數字電路；加速度計模塊用于輸出測站的加速度信息，加速度計模塊的測量單元為三軸正交的加速度計，數字電路包括轉換電路和A/D轉換模塊，所述轉換電路用于將加速度計輸出的信號傳送到A/D轉換模塊，所述A/D 轉換模塊用于將加速度計的信號轉換為數字信息；所述的GPS接收機模塊由雙頻GPS_0EM板和GPS天線組成，GPS接收機模塊用于并輸出測站的測量信息、衛星星歷數據和衛星健康狀態數據；所述的控制板模塊，為GPS_0EM板和加速度計模塊供電以及用于加速度計模塊和GPS 接收機模塊輸出的數字信號的時間同步；所述上位機模塊，控制系統工作狀態并接收控制板模塊輸出的已同步的GPS和加速度信號，通過卡爾曼濾波計算進行數據融合，并采用累積和算法進行預警，實時顯示相關信息并進行傳輸；所述遠程終端模塊，接收上位機傳輸的數據和警告信息；具體的方法步驟為A、控制板模塊上電后，系統首先進行自檢，并開始初始化；B、系統正常后，加速度計模塊中的加速度計測量單元開始感知測站的加速度，并通過轉換電路和A/D轉換模塊轉換成數字信息，同時將其傳輸給控制板模塊；C、與b同時，GPS接收模塊開始工作，GPS接收天線接收GPS信號，通過雙頻GPS_0EM板實時處理，可以得到測站的定位信息及相關星歷數據和衛星狀態信息，同時將得到的測站位置信息傳輸給控制板模塊；D、控制板模塊同步接收來自加速度計模塊的加速度信息和來自GPS模塊的位置信息， 通過時間同步模塊得到同一時間標記的加速度信息和位置信息，并傳輸給上位機模塊；E、上位機模塊接收來自控制板模塊的數據，通過卡爾曼濾波器計算進行數據融合，獲取較高精度的位置變化信息，并將位置信息和加速度信息作為輸入，采用累積和算法進行預警，同步顯示信息，同時將相關數據和必要的警告信息傳給遠程終端； F、遠程終端接收來自上位機的信息，并根據實際情況做出決策。
在圖1中，本發明包括加速度計模塊1，GPS接收機模塊2，控制板模塊3，上位機4 以及遠程終端5。
加速度計模塊1包括加速度計測量單元11，轉換電路12和A/D轉換模塊13。所述加速度計測量單元11用于測量監測點的線性加速度；轉換電路12包含差動放大，交流放大，相敏解調，低通濾波，反饋環節。差動電容的變化通過激勵信號進行調制，經過放大、解調和濾波等處理后，再反饋回電容器的極板上，使電容器動極板始終處于平衡位置，反饋信號同時作為輸出，輸出信號表征了輸入加速度的大小。A/D轉換模塊13用于將采樣得到加速度計信號轉換成數字量，作為后續處理模塊的輸入。
GPS接收機模塊2包括GPS天線21和雙頻GPS_0EM板22，主要用來捕獲、跟蹤衛星，接收、放大、解調來自GPS衛星的信號，還原出GPS衛星發送的導航電文，并獲得位置、速度、時間等數據，給GPS數據/加速度計數據時間同步模塊提供IHz的位置、時間信息。
控制板模塊3包含電源模塊和數據同步模塊，電源模塊用于為單片機和GPS_0EM 板供電；在圖2中，為具體時間同步原理圖，數據同步模塊用于將GPS數據和加速度計數據的時間同步，并輸出帶同一時間標記的一組數據。
上位機模塊4用于接收已進行時間同步的GPS數據和加速度計數據，在圖3中，為具體上位機數據融合及預警示意圖，通過卡爾曼濾波計算，輸出較高精度的位置數據，并通過累積和預警算法對卡爾曼濾波估計輸出的數據進行處理，并發出警告信息。
遠程終端5用于接收來自上位機的數據和警告信息。
整個系統具體工作過程如下控制板模塊上電后，系統首先進行自檢，并開始初始化，系統正常后，加速度計模塊中加速度計感知測站加速度變化并通過轉換電路和A/D轉換模塊高頻輸出三個軸的加速度( , , ~)，進入控制板模塊中數據時間同步模塊。同時GPS接收機模塊接收GPS天線的信號，經過變頻、放大、濾波、計算等一系列處理得到測站的位置(X，Y，Ζ)，同時接收機內部時鐘源生成秒脈沖信號lpps，輸入到控制板模塊中的數據時間同步模塊。控制板模塊中的時間同步模塊接收加速度數據和GPS數據，當Ipp信號到達時，單片機晶振觸發，進行計數，并通過脈沖發出時的GPS時和寄存器中的數值給加速度脈沖信號打上時間標記，并輸出GPS數據和與之相同時刻或相距最近時刻的加速度數據。同時上位機通過RS232接口接收時間同步后的GPS數據和加速度數據，將加速度計信號和GPS 信號一起輸入一個共同的卡爾曼濾波器，進行組合處理，這種方式無量測輸入相關問題，組合緊湊，更適合實時應用。進行卡爾曼濾波處理，將GPS數據和加速度數據作為卡爾曼濾波量測方程的輸入，以X方向為例，狀態變量為I zi^Vp^。卡爾曼濾波基本方程見⑴ 式
權利要求
1.一種衛星定位與加速度計緊集成變形測量及預警系統，其特征在于該預警系統包括加速度計模塊，GPS接收機模塊，控制板模塊，上位機模塊及遠程終端模塊，其中加速度計模塊的輸出端與控制板模塊相連，GPS接收機模塊的輸出端與控制板模塊相連，控制板模塊的輸出端與上位機模塊相連，上位機模塊的輸出信息通過^ternet或LAN同步傳輸到遠程終端模塊。
2.如權利要求1所述的衛星定位與加速度計緊集成變形測量及預警系統，其特征在于所述的加速度計模塊包括加速度計測量單元、轉換電路和A/D轉換模塊，加速度計測量單元、轉換電路和A/D轉換模塊順序連接，A/D轉換模塊的輸出端與控制板模塊連接；所述的GPS接收機模塊包括雙頻GPE_0EM板和GPS天線，GPS天線與雙頻GPE_0EM板連接，雙頻GPE_0EM板與控制模塊連接；所述的控制板模塊包括電源模塊和數據時間同步模塊，電源模塊和數據時間同步模塊連接，所述的數據時間同步模塊用于加速度計模塊和GPS接收機模塊輸出的數字信號的時刻配準。
3.—種衛星定位與加速度計緊集成變形測量及預警方法，其特征在于所述的加速度計模塊包括加速度計測量單元和數字電路；加速度計模塊用于輸出測站的加速度信息，加速度計模塊的測量單元為三軸正交的加速度計，數字電路包括轉換電路和A/D轉換模塊，所述轉換電路用于將加速度計輸出的信號傳送到A/D轉換模塊，所述A/D 轉換模塊用于將加速度計的信號轉換為數字信息；所述的GPS接收機模塊由雙頻GPS_0EM板和GPS天線組成，GPS接收機模塊用于并輸出測站的測量信息、衛星星歷數據和衛星健康狀態數據；所述的控制板模塊，為GPS_0EM板和加速度計模塊供電以及用于加速度計模塊和GPS 接收機模塊輸出的數字信號的時間同步；所述上位機模塊，控制系統工作狀態并接收控制板模塊輸出的已同步的GPS和加速度信號，通過卡爾曼濾波計算進行數據融合，并采用累積和算法進行預警，實時顯示相關信息并進行傳輸；所述遠程終端模塊，接收上位機傳輸的數據和警告信息；具體的方法步驟為A、控制板模塊上電后，系統首先進行自檢，并開始初始化；B、系統正常后，加速度計模塊中的加速度計測量單元開始感知測站的加速度，并通過轉換電路和A/D轉換模塊轉換成數字信息，同時將其傳輸給控制板模塊；C、與b同時，GPS接收模塊開始工作，GPS接收天線接收GPS信號，通過雙頻GPS_0EM板實時處理，可以得到測站的定位信息及相關星歷數據和衛星狀態信息，同時將得到的測站位置信息傳輸給控制板模塊；D、控制板模塊同步接收來自加速度計模塊的加速度信息和來自GPS模塊的位置信息， 通過時間同步模塊得到同一時間標記的加速度信息和位置信息，并傳輸給上位機模塊；E、上位機模塊接收來自控制板模塊的數據，通過卡爾曼濾波器計算進行數據融合，獲取較高精度的位置變化信息，并將位置信息和加速度信息作為輸入，采用累積和算法進行預警，同步顯示信息，同時將相關數據和必要的警告信息傳給遠程終端；F、遠程終端接收來自上位機的信息，并根據實際情況做出決策。
全文摘要
本發明公開了一種衛星定位與加速度計緊集成變形測量及預警系統與方法，該系統包括加速度計模塊，GPS接收機模塊，控制板模塊，上位機和遠程終端。加速度計模塊用于輸出測站的加速度信息，GPS接收機模塊用于輸出測站的測量信息、衛星星歷和衛星健康狀態，控制板用于為GPS_OEM板和加速度計模塊供電及用于上述加速度計模塊和GPS接收機模塊輸出的數字信號的時間同步，上位機用于控制系統工作狀態并接收控制板輸出的已同步的數字信號，通過卡爾曼濾波計算進行數據融合，并采用累積和算法進行預警，實時顯示相關信息并進行傳輸，遠程終端模塊用于接收上位機傳輸的數據和警告信息。用于礦區井筒、高層建筑物等各類動態變形的監測及預警，并能保證預警的完備性。
文檔編號G01B21/32GK102538742SQ201210003609
公開日2012年7月4日 申請日期2012年1月9日 優先權日2012年1月9日
發明者王堅, 韓厚增, 高井祥 申請人:中國礦業大學