專利名稱：衛(wèi)星定位與加速度計(jì)緊集成變形測(cè)量及預(yù)警系統(tǒng)與方法
衛(wèi)星定位與加速度計(jì)緊集成變形測(cè)量及預(yù)警系統(tǒng)與方法技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于工程變形監(jiān)測(cè)及預(yù)警系統(tǒng)與方法，具體涉及一種衛(wèi)星定位與加速度計(jì)緊集成變形測(cè)量及預(yù)警系統(tǒng)與方法。
背景技術(shù)：
全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System - GPS)是20世紀(jì)70年代由美國(guó)陸海空三軍聯(lián)合研制的新一代空間衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，GPS系統(tǒng)通過(guò)接收分布在空中的M顆導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)送的無(wú)線信號(hào)進(jìn)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(yōu)點(diǎn)，可為用戶提供精確的導(dǎo)航定位、定時(shí)、測(cè)速信息，用戶可以在全球范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)全天候、連續(xù)、實(shí)時(shí)的三維導(dǎo)航定位和測(cè)速。另外，利用該系統(tǒng)，用戶還能夠進(jìn)行高精度的時(shí)間傳遞和高精度的精密定位。但GPS工作性能受環(huán)境條件、無(wú)線電干擾的影響，會(huì)對(duì)定位精度產(chǎn)生影響，而且GPS的單點(diǎn)定位精度不高，尤其是高程方向，并且GPS接收機(jī)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(jiān)測(cè)，尤其是實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)變形監(jiān)測(cè)時(shí)有一定的不足，僅靠GPS系統(tǒng)很難獲得較高精度定位精度。
加速度計(jì)是一種能夠監(jiān)測(cè)物體加速度的元件，能夠檢測(cè)常規(guī)結(jié)構(gòu)的高頻振動(dòng)，它能夠輸出與加速度成正比的模擬電壓信號(hào)，不僅可測(cè)量靜態(tài)加速度，還可以測(cè)量動(dòng)態(tài)加速度，不受環(huán)境、無(wú)線電干擾的影響，它具有低功耗、高頻率的特點(diǎn)。但加速度計(jì)輸出的數(shù)據(jù)沒(méi)有時(shí)間標(biāo)記，將其用于變形監(jiān)測(cè)時(shí)，通過(guò)積分可以得出監(jiān)測(cè)區(qū)域的相對(duì)變形情況，但隨著時(shí)間累積，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置信息的誤差隨之累積，當(dāng)建筑物及變形區(qū)域偏移速度較慢時(shí)，加速度計(jì)很難準(zhǔn)確的得出結(jié)構(gòu)的整體振動(dòng)。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是要提供一種衛(wèi)星定位與加速度計(jì)緊集成變形測(cè)量及預(yù)警系統(tǒng)與方法，解決單點(diǎn)GPS定位、尤其是高程方向定位精度差及加速度計(jì)積分得到的變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)隨時(shí)間延續(xù)不斷增大的問(wèn)題。
本發(fā)明的技術(shù)方案是該預(yù)警系統(tǒng)包括加速度計(jì)模塊，GPS接收機(jī)模塊，控制板模塊，上位機(jī)模塊及遠(yuǎn)程終端模塊，其中加速度計(jì)模塊的輸出端與控制板模塊相連，GPS接收機(jī)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(jī)模塊相連，上位機(jī)模塊的輸出信息通過(guò)hternet或LAN同步傳輸?shù)竭h(yuǎn)程終端模塊。
所述的加速度計(jì)模塊包括加速度計(jì)測(cè)量單元、轉(zhuǎn)換電路和A/D轉(zhuǎn)換模塊，加速度計(jì)測(cè)量單元、轉(zhuǎn)換電路和A/D轉(zhuǎn)換模塊順序連接，A/D轉(zhuǎn)換模塊的輸出端與控制板模塊連接；所述的GPS接收機(jī)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(shù)據(jù)時(shí)間同步模塊，電源模塊和數(shù)據(jù)時(shí)間同步模塊連接，所述的數(shù)據(jù)時(shí)間同步模塊用于加速度計(jì)模塊和GPS接收機(jī)模塊輸出的數(shù)字信號(hào)的時(shí)刻配準(zhǔn)；所述的加速度計(jì)模塊包括加速度計(jì)測(cè)量單元和數(shù)字電路；加速度計(jì)模塊用于輸出測(cè)站的加速度信息，加速度計(jì)模塊的測(cè)量單元為三軸正交的加速度計(jì)，數(shù)字電路包括轉(zhuǎn)換電路和A/D轉(zhuǎn)換模塊，所述轉(zhuǎn)換電路用于將加速度計(jì)輸出的信號(hào)傳送到A/D轉(zhuǎn)換模塊，所述A/D 轉(zhuǎn)換模塊用于將加速度計(jì)的信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息；所述的GPS接收機(jī)模塊由雙頻GPS_0EM板和GPS天線組成，GPS接收機(jī)模塊用于并輸出測(cè)站的測(cè)量信息、衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)和衛(wèi)星健康狀態(tài)數(shù)據(jù)；所述的控制板模塊，為GPS_0EM板和加速度計(jì)模塊供電以及用于加速度計(jì)模塊和GPS 接收機(jī)模塊輸出的數(shù)字信號(hào)的時(shí)間同步；所述上位機(jī)模塊，控制系統(tǒng)工作狀態(tài)并接收控制板模塊輸出的已同步的GPS和加速度信號(hào)，通過(guò)卡爾曼濾波計(jì)算進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，并采用累積和算法進(jìn)行預(yù)警，實(shí)時(shí)顯示相關(guān)信息并進(jìn)行傳輸；所述遠(yuǎn)程終端模塊，接收上位機(jī)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)和警告信息； 具體的方法步驟為A、控制板模塊上電后，系統(tǒng)首先進(jìn)行自檢，并開始初始化；B、系統(tǒng)正常后，加速度計(jì)模塊中的加速度計(jì)測(cè)量單元開始感知測(cè)站的加速度，并通過(guò)轉(zhuǎn)換電路和A/D轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字信息，同時(shí)將其傳輸給控制板模塊；C、與b同時(shí)，GPS接收模塊開始工作，GPS接收天線接收GPS信號(hào)，通過(guò)雙頻GPS_0EM板實(shí)時(shí)處理，可以得到測(cè)站的定位信息及相關(guān)星歷數(shù)據(jù)和衛(wèi)星狀態(tài)信息，同時(shí)將得到的測(cè)站位置信息傳輸給控制板模塊；D、控制板模塊同步接收來(lái)自加速度計(jì)模塊的加速度信息和來(lái)自GPS模塊的位置信息， 通過(guò)時(shí)間同步模塊得到同一時(shí)間標(biāo)記的加速度信息和位置信息，并傳輸給上位機(jī)模塊；E、上位機(jī)模塊接收來(lái)自控制板模塊的數(shù)據(jù)，通過(guò)卡爾曼濾波器計(jì)算進(jìn)行數(shù)據(jù)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(jìn)行預(yù)警，同步顯示相關(guān)數(shù)據(jù)和圖形信息，同時(shí)將相關(guān)數(shù)據(jù)和必要的警告信息傳給遠(yuǎn)程終端；F、遠(yuǎn)程終端接收來(lái)自上位機(jī)的信息，并根據(jù)實(shí)際情況做出決策。
有益效果，由于采用了上述方案，衛(wèi)星定位與加速度計(jì)緊集成變形測(cè)量及預(yù)警系統(tǒng)與方法是通過(guò)將GPS數(shù)據(jù)和加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，通過(guò)卡爾曼濾波計(jì)算，得到高精度的變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并利用累積和算法對(duì)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，進(jìn)而建立實(shí)時(shí)預(yù)警系統(tǒng)；增加了系統(tǒng)的可靠性和效率，衛(wèi)星定位與加速度計(jì)緊集成變形測(cè)量及預(yù)警系統(tǒng)與方法在變形監(jiān)測(cè)上的應(yīng)用有較強(qiáng)的實(shí)際意義，提高了精度、降低了成本，能夠全天時(shí)、全天候、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)、變形監(jiān)測(cè)。
加速度計(jì)模塊用于輸出測(cè)站的加速度信息，獲取結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性，GPS接收機(jī)模塊用于輸出測(cè)站的測(cè)量信息、衛(wèi)星星歷和衛(wèi)星健康狀態(tài)，控制板模塊為GPS_0EM板和單片機(jī)供電以及用于加速度計(jì)模塊和GPS接收機(jī)模塊輸出的數(shù)字信號(hào)的時(shí)間同步，上位機(jī)模塊控制系統(tǒng)工作狀態(tài)并接收控制板輸出的已同步的GPS和加速度信號(hào)，通過(guò)卡爾曼濾波計(jì)算進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，并采用累積和算法進(jìn)行變形預(yù)警，可以實(shí)時(shí)顯示信息，遠(yuǎn)程終端能夠接收來(lái)自上位機(jī)的數(shù)據(jù)和警告信息。
所述加速度計(jì)測(cè)量單元是一個(gè)三軸正交安裝的加速度計(jì)，能夠監(jiān)測(cè)到結(jié)構(gòu)及變形區(qū)域的振動(dòng)情況，它是用于測(cè)量系統(tǒng)的加速度變化信息。所述數(shù)字電路單元包括轉(zhuǎn)換電路和A/D轉(zhuǎn)換模塊，所述轉(zhuǎn)換電路用于將加速度計(jì)測(cè)量單元輸出信號(hào)放大濾波并傳送到A/D 轉(zhuǎn)換模塊，A/D轉(zhuǎn)換模塊用于將轉(zhuǎn)換電路傳出的信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息。
所述GPS接收機(jī)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(shù)據(jù)同步模塊，電源模塊用于為單片機(jī)和GPS_ OEM板供電，數(shù)據(jù)同步模塊用于將GPS數(shù)據(jù)和加速度計(jì)數(shù)據(jù)的時(shí)間同步，并輸出帶同一時(shí)間標(biāo)記的數(shù)據(jù)。
所述上位機(jī)模塊用于處理控制板模塊輸出的同步數(shù)據(jù)，通過(guò)卡爾曼濾波計(jì)算得到精確的位置變化信息，再通過(guò)累積和算法進(jìn)行預(yù)警并顯示輸出，并可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)同步傳輸相關(guān)fe息。
所述遠(yuǎn)程終端模塊，用于接收上位機(jī)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)和警告信息。
解決了單點(diǎn)GPS定位、尤其是高程方向定位精度差及加速度計(jì)積分得到的變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)隨時(shí)間延續(xù)不斷增大的問(wèn)題，達(dá)到本發(fā)明的目的。
優(yōu)點(diǎn)1、衛(wèi)星定位與加速度計(jì)緊集成變形測(cè)量及預(yù)警系統(tǒng)與方法將GPS定位技術(shù)與加速度計(jì)的功能緊密結(jié)合，利用GPS快速定位、全天時(shí)、全天候的特點(diǎn)與加速度計(jì)采集的高頻、高精度的加速度數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，利用現(xiàn)代單片機(jī)技術(shù)，將GPS數(shù)據(jù)和加速度計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間同步，并通過(guò)卡爾曼濾波計(jì)算得到高精度的變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并以此通過(guò)累積和算法對(duì)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理進(jìn)而進(jìn)行變形預(yù)警，并利用現(xiàn)代通信技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控。
2、衛(wèi)星定位與加速度計(jì)緊集成變形測(cè)量及預(yù)警系統(tǒng)可以很方便的安置在任何建筑或地點(diǎn)，能夠快速獲取及更新數(shù)據(jù)，受環(huán)境條件影響小，只需可見天空即可。
3、衛(wèi)星定位與加速度計(jì)緊集成變形測(cè)量及預(yù)警系統(tǒng)可以同自動(dòng)全站儀、傾斜傳感器、測(cè)斜儀等整合使用，以適應(yīng)不同精度或監(jiān)測(cè)要求。
4、衛(wèi)星定位與加速度計(jì)緊集成變形測(cè)量及預(yù)警系統(tǒng)使用低成本、中等精度的硬件，組合成具有較高精度的測(cè)量系統(tǒng)，能夠在建筑物、橋梁、大壩、礦山等領(lǐng)域的變形監(jiān)測(cè)中得以應(yīng)用。
5、能夠應(yīng)用在滑坡或傾斜等地形復(fù)雜區(qū)域，而常規(guī)手段很難到達(dá)，也很難維護(hù)、只能提供不定期觀測(cè)。
6、提供移動(dòng)向量的決定性信息，能提供連續(xù)數(shù)據(jù)，具有較強(qiáng)的實(shí)時(shí)性、數(shù)據(jù)處理能力和通訊能力。
7、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)處理結(jié)果以簡(jiǎn)單的圖形人機(jī)交互形式表達(dá)，免去費(fèi)時(shí)低效的人工數(shù)據(jù)處理。
8、提供低成本高效率監(jiān)測(cè)的同時(shí)還可以為其他監(jiān)測(cè)手段提供多余觀測(cè)量。
用于礦區(qū)井筒、高層建筑物、橋梁等各類動(dòng)態(tài)變形安全的監(jiān)測(cè)及預(yù)警，并能保證預(yù)警的完備性、系統(tǒng)優(yōu)化，具有廣泛的實(shí)用性。


圖1為本發(fā)明的衛(wèi)星定位與加速度計(jì)緊集成變形測(cè)量及預(yù)警系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本發(fā)明的控制板模塊GPS數(shù)據(jù)和加速度計(jì)數(shù)據(jù)時(shí)間同步原理圖。
圖3為本發(fā)明的上位機(jī)數(shù)據(jù)融合及預(yù)警示意圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明實(shí)施例1 該預(yù)警系統(tǒng)包括加速度計(jì)模塊，GPS接收機(jī)模塊，控制板模塊，上位機(jī)模塊及遠(yuǎn)程終端模塊，其中加速度計(jì)模塊的輸出端與控制板模塊相連，GPS接收機(jī)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(jī)模塊相連，上位機(jī)模塊的輸出信息通過(guò) Internet或LAN同步傳輸?shù)竭h(yuǎn)程終端模塊。
所述的加速度計(jì)模塊為電容式硅微加速度計(jì)，包括加速度計(jì)測(cè)量單元、轉(zhuǎn)換電路和A/D轉(zhuǎn)換模塊，加速度計(jì)測(cè)量單元、轉(zhuǎn)換電路和A/D轉(zhuǎn)換模塊順序連接，A/D轉(zhuǎn)換模塊的輸出端與控制板模塊連接；所述的GPS接收機(jī)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(shù)據(jù)時(shí)間同步模塊，電源模塊和數(shù)據(jù)時(shí)間同步模塊連接，所述的數(shù)據(jù)時(shí)間同步模塊用于加速度計(jì)模塊和GPS接收機(jī)模塊輸出的數(shù)字信號(hào)的時(shí)刻配準(zhǔn)；所述的加速度計(jì)模塊包括加速度計(jì)測(cè)量單元和數(shù)字電路；加速度計(jì)模塊用于輸出測(cè)站的加速度信息，加速度計(jì)模塊的測(cè)量單元為三軸正交的加速度計(jì)，數(shù)字電路包括轉(zhuǎn)換電路和A/D轉(zhuǎn)換模塊，所述轉(zhuǎn)換電路用于將加速度計(jì)輸出的信號(hào)傳送到A/D轉(zhuǎn)換模塊，所述A/D 轉(zhuǎn)換模塊用于將加速度計(jì)的信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息；所述的GPS接收機(jī)模塊由雙頻GPS_0EM板和GPS天線組成，GPS接收機(jī)模塊用于并輸出測(cè)站的測(cè)量信息、衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)和衛(wèi)星健康狀態(tài)數(shù)據(jù)；所述的控制板模塊，為GPS_0EM板和加速度計(jì)模塊供電以及用于加速度計(jì)模塊和GPS 接收機(jī)模塊輸出的數(shù)字信號(hào)的時(shí)間同步；所述上位機(jī)模塊，控制系統(tǒng)工作狀態(tài)并接收控制板模塊輸出的已同步的GPS和加速度信號(hào)，通過(guò)卡爾曼濾波計(jì)算進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，并采用累積和算法進(jìn)行預(yù)警，實(shí)時(shí)顯示相關(guān)信息并進(jìn)行傳輸；所述遠(yuǎn)程終端模塊，接收上位機(jī)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)和警告信息；具體的方法步驟為A、控制板模塊上電后，系統(tǒng)首先進(jìn)行自檢，并開始初始化；B、系統(tǒng)正常后，加速度計(jì)模塊中的加速度計(jì)測(cè)量單元開始感知測(cè)站的加速度，并通過(guò)轉(zhuǎn)換電路和A/D轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字信息，同時(shí)將其傳輸給控制板模塊；C、與b同時(shí)，GPS接收模塊開始工作，GPS接收天線接收GPS信號(hào)，通過(guò)雙頻GPS_0EM板實(shí)時(shí)處理，可以得到測(cè)站的定位信息及相關(guān)星歷數(shù)據(jù)和衛(wèi)星狀態(tài)信息，同時(shí)將得到的測(cè)站位置信息傳輸給控制板模塊；D、控制板模塊同步接收來(lái)自加速度計(jì)模塊的加速度信息和來(lái)自GPS模塊的位置信息， 通過(guò)時(shí)間同步模塊得到同一時(shí)間標(biāo)記的加速度信息和位置信息，并傳輸給上位機(jī)模塊；E、上位機(jī)模塊接收來(lái)自控制板模塊的數(shù)據(jù)，通過(guò)卡爾曼濾波器計(jì)算進(jìn)行數(shù)據(jù)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(jìn)行預(yù)警，同步顯示信息，同時(shí)將相關(guān)數(shù)據(jù)和必要的警告信息傳給遠(yuǎn)程終端； F、遠(yuǎn)程終端接收來(lái)自上位機(jī)的信息，并根據(jù)實(shí)際情況做出決策。
在圖1中，本發(fā)明包括加速度計(jì)模塊1，GPS接收機(jī)模塊2，控制板模塊3，上位機(jī)4 以及遠(yuǎn)程終端5。
加速度計(jì)模塊1包括加速度計(jì)測(cè)量單元11，轉(zhuǎn)換電路12和A/D轉(zhuǎn)換模塊13。所述加速度計(jì)測(cè)量單元11用于測(cè)量監(jiān)測(cè)點(diǎn)的線性加速度；轉(zhuǎn)換電路12包含差動(dòng)放大，交流放大，相敏解調(diào)，低通濾波，反饋環(huán)節(jié)。差動(dòng)電容的變化通過(guò)激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，經(jīng)過(guò)放大、解調(diào)和濾波等處理后，再反饋回電容器的極板上，使電容器動(dòng)極板始終處于平衡位置，反饋信號(hào)同時(shí)作為輸出，輸出信號(hào)表征了輸入加速度的大小。A/D轉(zhuǎn)換模塊13用于將采樣得到加速度計(jì)信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，作為后續(xù)處理模塊的輸入。
GPS接收機(jī)模塊2包括GPS天線21和雙頻GPS_0EM板22，主要用來(lái)捕獲、跟蹤衛(wèi)星，接收、放大、解調(diào)來(lái)自GPS衛(wèi)星的信號(hào)，還原出GPS衛(wèi)星發(fā)送的導(dǎo)航電文，并獲得位置、速度、時(shí)間等數(shù)據(jù)，給GPS數(shù)據(jù)/加速度計(jì)數(shù)據(jù)時(shí)間同步模塊提供IHz的位置、時(shí)間信息。
控制板模塊3包含電源模塊和數(shù)據(jù)同步模塊，電源模塊用于為單片機(jī)和GPS_0EM 板供電；在圖2中，為具體時(shí)間同步原理圖，數(shù)據(jù)同步模塊用于將GPS數(shù)據(jù)和加速度計(jì)數(shù)據(jù)的時(shí)間同步，并輸出帶同一時(shí)間標(biāo)記的一組數(shù)據(jù)。
上位機(jī)模塊4用于接收已進(jìn)行時(shí)間同步的GPS數(shù)據(jù)和加速度計(jì)數(shù)據(jù)，在圖3中，為具體上位機(jī)數(shù)據(jù)融合及預(yù)警示意圖，通過(guò)卡爾曼濾波計(jì)算，輸出較高精度的位置數(shù)據(jù)，并通過(guò)累積和預(yù)警算法對(duì)卡爾曼濾波估計(jì)輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并發(fā)出警告信息。
遠(yuǎn)程終端5用于接收來(lái)自上位機(jī)的數(shù)據(jù)和警告信息。
整個(gè)系統(tǒng)具體工作過(guò)程如下控制板模塊上電后，系統(tǒng)首先進(jìn)行自檢，并開始初始化，系統(tǒng)正常后，加速度計(jì)模塊中加速度計(jì)感知測(cè)站加速度變化并通過(guò)轉(zhuǎn)換電路和A/D轉(zhuǎn)換模塊高頻輸出三個(gè)軸的加速度( , , ~)，進(jìn)入控制板模塊中數(shù)據(jù)時(shí)間同步模塊。同時(shí)GPS接收機(jī)模塊接收GPS天線的信號(hào)，經(jīng)過(guò)變頻、放大、濾波、計(jì)算等一系列處理得到測(cè)站的位置(X，Y，Ζ)，同時(shí)接收機(jī)內(nèi)部時(shí)鐘源生成秒脈沖信號(hào)lpps，輸入到控制板模塊中的數(shù)據(jù)時(shí)間同步模塊。控制板模塊中的時(shí)間同步模塊接收加速度數(shù)據(jù)和GPS數(shù)據(jù)，當(dāng)Ipp信號(hào)到達(dá)時(shí)，單片機(jī)晶振觸發(fā)，進(jìn)行計(jì)數(shù)，并通過(guò)脈沖發(fā)出時(shí)的GPS時(shí)和寄存器中的數(shù)值給加速度脈沖信號(hào)打上時(shí)間標(biāo)記，并輸出GPS數(shù)據(jù)和與之相同時(shí)刻或相距最近時(shí)刻的加速度數(shù)據(jù)。同時(shí)上位機(jī)通過(guò)RS232接口接收時(shí)間同步后的GPS數(shù)據(jù)和加速度數(shù)據(jù)，將加速度計(jì)信號(hào)和GPS 信號(hào)一起輸入一個(gè)共同的卡爾曼濾波器，進(jìn)行組合處理，這種方式無(wú)量測(cè)輸入相關(guān)問(wèn)題，組合緊湊，更適合實(shí)時(shí)應(yīng)用。進(jìn)行卡爾曼濾波處理，將GPS數(shù)據(jù)和加速度數(shù)據(jù)作為卡爾曼濾波量測(cè)方程的輸入，以X方向?yàn)槔瑺顟B(tài)變量為I zi^Vp^。卡爾曼濾波基本方程見⑴ 式
權(quán)利要求
1.一種衛(wèi)星定位與加速度計(jì)緊集成變形測(cè)量及預(yù)警系統(tǒng)，其特征在于該預(yù)警系統(tǒng)包括加速度計(jì)模塊，GPS接收機(jī)模塊，控制板模塊，上位機(jī)模塊及遠(yuǎn)程終端模塊，其中加速度計(jì)模塊的輸出端與控制板模塊相連，GPS接收機(jī)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(jī)模塊相連，上位機(jī)模塊的輸出信息通過(guò)^ternet或LAN同步傳輸?shù)竭h(yuǎn)程終端模塊。
2.如權(quán)利要求1所述的衛(wèi)星定位與加速度計(jì)緊集成變形測(cè)量及預(yù)警系統(tǒng)，其特征在于所述的加速度計(jì)模塊包括加速度計(jì)測(cè)量單元、轉(zhuǎn)換電路和A/D轉(zhuǎn)換模塊，加速度計(jì)測(cè)量單元、轉(zhuǎn)換電路和A/D轉(zhuǎn)換模塊順序連接，A/D轉(zhuǎn)換模塊的輸出端與控制板模塊連接；所述的GPS接收機(jī)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(shù)據(jù)時(shí)間同步模塊，電源模塊和數(shù)據(jù)時(shí)間同步模塊連接，所述的數(shù)據(jù)時(shí)間同步模塊用于加速度計(jì)模塊和GPS接收機(jī)模塊輸出的數(shù)字信號(hào)的時(shí)刻配準(zhǔn)。
3.—種衛(wèi)星定位與加速度計(jì)緊集成變形測(cè)量及預(yù)警方法，其特征在于所述的加速度計(jì)模塊包括加速度計(jì)測(cè)量單元和數(shù)字電路；加速度計(jì)模塊用于輸出測(cè)站的加速度信息，加速度計(jì)模塊的測(cè)量單元為三軸正交的加速度計(jì)，數(shù)字電路包括轉(zhuǎn)換電路和A/D轉(zhuǎn)換模塊，所述轉(zhuǎn)換電路用于將加速度計(jì)輸出的信號(hào)傳送到A/D轉(zhuǎn)換模塊，所述A/D 轉(zhuǎn)換模塊用于將加速度計(jì)的信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息；所述的GPS接收機(jī)模塊由雙頻GPS_0EM板和GPS天線組成，GPS接收機(jī)模塊用于并輸出測(cè)站的測(cè)量信息、衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)和衛(wèi)星健康狀態(tài)數(shù)據(jù)；所述的控制板模塊，為GPS_0EM板和加速度計(jì)模塊供電以及用于加速度計(jì)模塊和GPS 接收機(jī)模塊輸出的數(shù)字信號(hào)的時(shí)間同步；所述上位機(jī)模塊，控制系統(tǒng)工作狀態(tài)并接收控制板模塊輸出的已同步的GPS和加速度信號(hào)，通過(guò)卡爾曼濾波計(jì)算進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，并采用累積和算法進(jìn)行預(yù)警，實(shí)時(shí)顯示相關(guān)信息并進(jìn)行傳輸；所述遠(yuǎn)程終端模塊，接收上位機(jī)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)和警告信息；具體的方法步驟為A、控制板模塊上電后，系統(tǒng)首先進(jìn)行自檢，并開始初始化；B、系統(tǒng)正常后，加速度計(jì)模塊中的加速度計(jì)測(cè)量單元開始感知測(cè)站的加速度，并通過(guò)轉(zhuǎn)換電路和A/D轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字信息，同時(shí)將其傳輸給控制板模塊；C、與b同時(shí)，GPS接收模塊開始工作，GPS接收天線接收GPS信號(hào)，通過(guò)雙頻GPS_0EM板實(shí)時(shí)處理，可以得到測(cè)站的定位信息及相關(guān)星歷數(shù)據(jù)和衛(wèi)星狀態(tài)信息，同時(shí)將得到的測(cè)站位置信息傳輸給控制板模塊；D、控制板模塊同步接收來(lái)自加速度計(jì)模塊的加速度信息和來(lái)自GPS模塊的位置信息， 通過(guò)時(shí)間同步模塊得到同一時(shí)間標(biāo)記的加速度信息和位置信息，并傳輸給上位機(jī)模塊；E、上位機(jī)模塊接收來(lái)自控制板模塊的數(shù)據(jù)，通過(guò)卡爾曼濾波器計(jì)算進(jìn)行數(shù)據(jù)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(jìn)行預(yù)警，同步顯示信息，同時(shí)將相關(guān)數(shù)據(jù)和必要的警告信息傳給遠(yuǎn)程終端；F、遠(yuǎn)程終端接收來(lái)自上位機(jī)的信息，并根據(jù)實(shí)際情況做出決策。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種衛(wèi)星定位與加速度計(jì)緊集成變形測(cè)量及預(yù)警系統(tǒng)與方法，該系統(tǒng)包括加速度計(jì)模塊，GPS接收機(jī)模塊，控制板模塊，上位機(jī)和遠(yuǎn)程終端。加速度計(jì)模塊用于輸出測(cè)站的加速度信息，GPS接收機(jī)模塊用于輸出測(cè)站的測(cè)量信息、衛(wèi)星星歷和衛(wèi)星健康狀態(tài)，控制板用于為GPS_OEM板和加速度計(jì)模塊供電及用于上述加速度計(jì)模塊和GPS接收機(jī)模塊輸出的數(shù)字信號(hào)的時(shí)間同步，上位機(jī)用于控制系統(tǒng)工作狀態(tài)并接收控制板輸出的已同步的數(shù)字信號(hào)，通過(guò)卡爾曼濾波計(jì)算進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，并采用累積和算法進(jìn)行預(yù)警，實(shí)時(shí)顯示相關(guān)信息并進(jìn)行傳輸，遠(yuǎn)程終端模塊用于接收上位機(jī)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)和警告信息。用于礦區(qū)井筒、高層建筑物等各類動(dòng)態(tài)變形的監(jiān)測(cè)及預(yù)警，并能保證預(yù)警的完備性。
文檔編號(hào)G01B21/32GK102538742SQ201210003609
公開日2012年7月4日 申請(qǐng)日期2012年1月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月9日
發(fā)明者王堅(jiān), 韓厚增, 高井祥 申請(qǐng)人:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)