基于北斗多频信息感知的突发地质灾害监测预警方法

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1.通过对北斗多频载波信息的感知与处理，可为突发的滑坡、矿区沉陷、路基崩塌等地质灾害监测预警提。供研判信息和技术支持。

背景技术：

2.近年来，全球自然灾害呈现分布地域广、持续时间长、反常性大等特征，严重危害着人类工程建设、运行和人居安全。我国是世界上受地质灾害影响最严重的国家，据统计2021年，全国共发生地质灾害4772起，造成80人死亡、11人失踪，直接经济损失32亿元。从灾情类型看，滑坡2335起、崩塌1746起、泥石流374起、地面塌陷285起、地裂缝21起、地面沉降11起。从灾情等级看，特大型地质灾害35起，大型地质灾害27起，中型地质灾害328起，小型地质灾害4382起。在地质灾害频发的情况下，2021年全国成功预报地质灾害905起，占全年地质灾害发生总数的18％左右，可以说地质灾害监测预警工作任重道远。
3.尤其在以煤炭资源开采为主的地区，该地区经济的强劲增长得益于煤炭事业的发展，但是随着煤炭资源的大量开采，也带来了一系列的地质环境问题，其中以地面塌陷、崩塌、滑坡三种突发性地质灾害为主，给当地的人民生命与财产造成了巨大的损失。所以，为了减小地质灾害非人类带来的损失，已经将基于北斗/gnss的高精度监测技术应用到地质灾害系统中来保障人们的生活。但目前基于北斗/gnss的高精度监测技术仍存在一些问题，主要流程、方法和存在的问题如下：
4.目前，基于北斗/gnss的高精度监测的主要工作模式和流程是：
5.(1)获取载波相位原始观测数据、卫星星历数据；
6.(2)推算卫星实时坐标，解算载波相位整周模糊度，计算监测点坐标；
7.(3)与前期观测点的坐标比较，分析变形情况。
8.从数据获取方面看，现有的方法主要有两种途径：
9.(1)人工定期到观测点设站获取；
10.(2)在线获取。按文件定期获取或按照历元实时获取。
11.从数据处理方面看，现有的方法主要有两类：
12.(1)事后处理。人工在外业采集数据后，进行室内数据下载与处理；
13.(2)在线半实时处理。由于载波相位整周模糊度求解复杂，坐标计算、转换、比较问题繁琐耗时，难以满足实时数据处理要求。
14.主要存在以下问题：
15.(1)实时响应性欠佳。传统方法数据处理往往采用事后处理或在线半实时处理的方法，其数据的处理不是实时性的，难以满足实时分析预警的需求；
16.(2)时变信息难以感知。传统方法其获取的数据不是实时化的，一般采样间隔为5秒、10秒、15秒、30秒等，难以感知时变信息；
17.(3)复杂场景下精度较差。传统方法采用rtk或ppp技术进行高精度的坐标解算，其解算高精度坐标需要一定数量的可见星和低噪声的观测数据。然而地质灾害检测现场往往
存在于山区、森林等遮挡、干扰严重的复杂场景，直接影响到rtk或ppp技术的定位精度；
18.(4)设备成本昂贵。传统方法采用的gnss监测接收机一般由卫星天线、定位模块、通信模块和太阳能供电模块构成，设备成本较高。并且类似滑坡的地质灾害一般形变比较破碎，相距较近的两个点形变特征却可能迥异，需要在滑坡体等地质灾害检测现场部署多台监测接收机；
19.(5)自动化不足。传统方法的数据获取采用人工获取或在线获取的方法。人工获取方法需要人员到达现场部署设备，自动化不足，这在高位远程滑坡和应急高位滑坡等易发生地质灾害的场景下危险系数较高，且部署设备难度较大。

技术实现要素：

20.针对传统的北斗/gnss监测方法的实时响应性欠佳、时变信息难以感知、复杂场景下精度较差等问题，提出基于北斗多频信息感知的突发地质灾害监测预警方法。
21.北斗/gnss观测数据是数字化产品，可提供时变信息感知数据，但现有的北斗/gnss数据采集和处理方法，很难做到实时传输实时处理和分析的水平，难以满足突发地质灾害的实时监测预警需求。本发明直接根据多频相位数据差异之变化，进行地质灾害的实时监测与预警分析。以北斗卫星导航系统的b1i和b2i频点的载波相位观测值为例，给出其t观测历元的载波相位观测方程如下：
[0022][0023][0024]
式中：为t观测历元，i测站相对于s卫星b1i和b2i频点所对应的载波相位观测值；为b1i和b2i频点所对应的载波观测初相；为t观测历元b1i和b2i频点所对应的多普勒积分值；为t观测历元b1i和b2i频点所对应的载波相位观测不足整周部分；f
b1i
、f
b2i
为b1i和b2i频点所对应的载波频率；c为电磁波传播速度；为t观测历元，i测站相对于s卫星的理想距离；为t观测历元，i测站相对于s卫星的对流层延迟影响；为t观测历元，i测站相对于s卫星的电离层延迟影响；δti(t)为t观测历元，i测站接收机钟差；δts(t)为t观测历元，s卫星钟差；为b1i和b2i频点所对应的载波整周模糊度。
[0025]
给(1)式或(2)式分别乘以b1i和b2i频点所对应的波长并求差，从理论上讲，该差值应该为一常数，但由于多普勒频移的存在，该差值并非常数。如果多
普勒频移完全是由卫星轨道运动所引起，则该差值的变化呈现一定的规律，如出现不规则现象，说明接收机端有变化，可以通过此现象研判是否有突发地质灾害发生。
[0026]
相对于传统的北斗/gnss地质灾害监测方法，本发明所提的基于北斗多频信息感知方法具有如下三方面优势：
[0027]
(1)实时的响应能力，对时变信息敏感。相较于传统方法事后或在线半实时处理数据，与前期坐标比较，分析形变信息，基于北斗多频信息感知方法可直接通过同颗卫星的多频差异突变实现形变的实时监测预警，且处理的数据采样率为1hz，对时变信息更加敏感。
[0028]
(2)成本低廉，便于部署。相较于传统方法的多台gnss观测设备组网监测，基于北斗多频信息感知方法不需要组网，只需要单台多频北斗接收机即可，减少了监测系统软硬件的投入成本，降低了在危险复杂观测环境下的部署难度。
[0029]
(3)复杂场景下仍有较好效果。相较于传统方法在山区、森林等遮挡、干扰严重、可见星数量不足的复杂场景中精度迅速下降，基于北斗多频信息感知方法只需要接收1颗卫星的多频信息和星历数据即可得到较好的监测效果。
附图说明
[0030]
图1为本发明基于北斗多频信息感知的突发地质灾害监测预警方法系统组成图。
[0031]
图2为本发明基于北斗多频信息感知的突发地质灾害监测预警方法流程图。
具体实施方式
[0032]
下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
[0033]
需要注意的是，除非另有说明，本技术使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。
[0034]
如图1所示，基于北斗多频信息感知的突发地质灾害监测预警方法包括监测终端设备：北斗/gnss接收机4台(套)、自主模拟形变平台设备2台(套)、数据的实时传输设备、能源供给设备、存储计算显示设备、其他配件，后端数据处理软件：基于北斗多频信息感知的突发地质灾害监测预警系统。
[0035]
监测终端设备主要功能如下：
[0036]
(1)数据的自动化采集功能：4台(套)北斗/gnss接收机作为监测数据获取的终端设备，其中3台(套)安置在基准站，1台(套)安置在监测站。1台(套)自主模拟形变平台设备配套在监测站，模拟监测站的形变，1台(套)自主模拟形变平台设备配套在1基准站，模拟基准站的形变，验证双差基线子系统的基准站稳定性检测模块功能。自主模拟形变平台设备具有自动水平旋转和上下、左右移动的功能。
[0037]
(2)数据的实时传输功能：数据实时传输设备能够把北斗/gnss接收机接收的数据实时地传输到数据处理中心，能够满足1s/历元的要求。
[0038]
(3)持续的能源供给功能：通过太阳能、高能电池、储能等设备，为接收机、自主模拟形变平台设备、数据的实时传输设备提供长久的能源供给。
[0039]
(4)持续的数据存储、计算、显示功能：计算中心的服务器、计算机、显示设备能够
满足长期运行功能。
[0040]
如图2所示，本实施方式中的基于北斗多频信息感知的突发地质灾害监测预警方法，具体流程如下：
[0041]
步骤1：在地质灾害监测地区布设用于监测地面形变信息的北斗/gnss监测点；
[0042]
步骤2：获取地面监测点区域的实时北斗/gnss卫星观测数据，进行预处理；
[0043]
步骤3：采用预处理后的实时北斗/gnss数据，绘制出实时北斗/gnss卫星星空图、北斗/gnss卫星信号信噪比图；
[0044]
步骤4：采用预处理后的实时北斗/gnss数据，将实时的北斗/gnss数据导入北斗多频信息感知突发地质灾害模型中，分析是否发生形变；
[0045]
步骤5：根据北斗多频信息感知突发地质灾害模型，导出模型计算结果，并绘制在计算机上，可以清晰的展示出地面的形变信息；
[0046]
具体的，所属步骤2中获取地面监测点区域的实时北斗/gnss卫星观测数据，进行预处理，其预处理步骤包括如下几个步骤：
[0047]
步骤2.1：对获取的地面监测点的北斗/gnss数据进行粗差探测，提出粗差大的数据和卫星运行不稳定的数据；
[0048]
步骤2.2：对获取的地面监测点的北斗/gnss数据，采用turboedit方法进行周跳探测与修复。
[0049]
具体的，所属步骤4中采用预处理后的实时北斗/gnss数据，将实时的北斗/gnss数据导入北斗多频信息感知突发地质灾害模型中，分析是否发生形变；其北斗多频信息感知突发地质灾害模型能够给出实时的多频差异结果。当该差异处于平稳状态时，表明监测站没有突发形变；当监测站有形变时，该差异值所对应的曲线则出现突变。
[0050]
基于北斗多频信息感知的突发地质灾害监测预警方法，在泥石流和滑坡等自然灾害预警上能起到良好的灾害预报功能。
[0051]
以上所述仅为发明的较佳实施例，但并不限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：

1.基于北斗多频信息感知的突发地质灾害监测预警方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：步骤1：在地质灾害监测地区布设用于监测地面形变信息的北斗/gnss监测点；步骤2：获取地面监测点区域的实时北斗/gnss卫星观测数据，进行预处理；步骤3：采用预处理后的实时北斗/gnss数据，绘制出实时北斗/gnss卫星星空图、北斗/gnss卫星信号信噪比图；步骤4：采用预处理后的实时北斗/gnss数据，将实时的北斗/gnss数据导入北斗多频信息感知突发地质灾害模型中，分析是否发生形变；步骤5：根据北斗多频信息感知突发地质灾害模型，导出模型计算结果，并绘制在计算机上，可以清晰的展示出地面的形变信息。2.根据权利要求1中，所诉的基于北斗多频信息感知的突发地质灾害监测预警方法，其特征在于，所述步骤2中，获取地面监测点区域的北斗/gnss卫星观测数据，进行预处理时，还包括以下步骤：步骤2.1：对获取的地面监测点的北斗/gnss数据进行粗差探测，提出粗差大的数据和卫星运行不稳定的数据；步骤2.2：对获取的地面监测点的北斗/gnss数据，采用turboedit方法进行周跳探测与修复，其具体公式如下：其中δn
bd1(i)
、δn
bd2(i)
分别为b1i和b2i频率上的周跳，f
bd1(i)
、f
bd2(i)
分别为b1i和b2i的频率，λ
bd1(i)
、λ
bd2(i)
分别为b1i和b2i的频率的波长，δp
bd1(i)
、δp
bd2(i)
分别为b1i和b2i的频率上伪距观测值，分别为b1i和b2i的频率上的载波相位观测值。3.根据权利要求1中，所诉的基于北斗多频信息感知的突发地质灾害监测预警方法，其特征在于，所述步骤3中，绘制出实时北斗/gnss卫星星空图、北斗/gnss卫星信号信噪比图时，还包括以下步骤：步骤3.1：采用周跳修复后的北斗/gnss数据，计算每个观测卫星的方位角和高度角，绘制北斗/gnss卫星星空图，其计算具体公式如下：其中a
h
、h
h
、r
h
是卫星的方位角、高度角和距离，b0、l0是观测点的大地维度和大地精度，δx
t
、δy
t
、δz
t
是卫星参心坐标系和观测点参心坐标系的差；步骤3.2：采用周跳修复后的北斗/gnss数据，提取出其信噪比，绘制北斗/gnss卫星信号信噪比图。
4.根据权利要求1中，所述的基于北斗多频信息感知的突发地质灾害监测预警方法，其特征在于，所述步骤4中采集实时北斗/gnss数据，将实时的北斗/gnss数据导入北斗多频信息感知突发地质灾害模型中，分析是否发生形变，其北斗多频信息感知突发地质灾害模型具体公式如下：其中c为光速，c为常数，和为b1i和b2i得频率，和卫星载波信号在b1i和b2i上的整周数。5.基于北斗多频信息感知的突发地质灾害监测预警方法，其特征在于，包括权利要求1-4所述的基于北斗多频信息感知的突发地质灾害监测预警方法，包括一下内容：数据采集系统：用于采集监测地面形变信息的北斗/gnss监测点的gnss数据；数据处理系统：用于处理采集到监测地面形变信息的北斗/gnss监测点的gnss数据，并进行计算，分析；显示系统：用于显示数据处理系统的处理结果。6.根据权利要求5所述的基于北斗多频信息感知的突发地质灾害监测预警方法，其特征在于，显示系统包括星空图模块、载噪比模块和形变信息模块。

技术总结

本发明涉及地质灾害监测预警领域，具体是基于北斗多频信息感知的突发地质灾害监测预警方法，包括监测终端设备：北斗/GNSS接收机4台（套）、自主模拟形变平台设备2台（套）、数据的实时传输设备、能源供给设备、存储计算显示设备、其他配件，后端数据处理软件：基于北斗多频信息感知的突发地质灾害监测预警系统。本发明通过实时接收的北斗数据，进行卫星轨道运动对多频相位观测值影响规律的研究，反演消除或削弱卫星运动造成多频观测差异的估计模型，可以为多环境下重大地质灾害的实时监测和预警提供一种可靠手段。供一种可靠手段。供一种可靠手段。