[发明专利]一种双层多维滑坡监测方法

权利要求书

1.一种双层多维滑坡监测方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)构建双层滑坡监测系统，所述系统包括一个基准站和若干监测站，基准站位于滑坡体外固定不动的区域，监测站布置在滑坡体中，系统第一层监测网由基准站和各个监测站组成，第二层监测网由各个监测站之间组成，每个监测站和基站都使用多模接收机，将原始观测数据和星历通过4G网络发送到远程服务端进行解算；

2)第一层监测网对每个监测站进行位移监测，得到监测站的坐标和位移形变量；

3)第二层监测网对监测区域的姿态角进行监测，得到滑坡体的姿态角；

4)根据步骤2)得到监测站坐标和位移形变量，结合步骤3)得到的滑坡体的姿态角，得到直观的滑坡体形变趋势；

步骤2)中，监测站的坐标和位移形变量的求解，包括如下步骤：

2-1)基站和监测站建立载波双差观测方程，消除GNSS信号在电离层和对流层传输过程中产生的误差，载波双差观测方程为：

上述公式(1)中，为监测站和基站的载波双差值，首先对基站和监测站接收机对同一颗卫星j的载波观测值做差，另取一颗卫星k进行观测再做双差；为接收机到卫星的几何距离双差值，求解前基站位置需提前已知；λ为载波波长；为载波矫正量，当监测站和基站距离较近时，载波矫正量可以忽略；B^j和B^k是接收机对卫星j和k的单差载波相位偏差；ε是测量噪声误差；

2-2)利用扩展卡尔曼滤波，得到系统对监测点形变量的最优估计，建立的观测模型为：

K＝PH(HPH^T+R)^-1 (2)

P_new＝(I-KH)P_last (4)

上述公式(2)、(3)、(4)中，K为滤波增益，和P_new分别为系统状态估计值向量和协方差矩阵,new和last表示滤波后和滤波前的值，V、H、R分别是系统观测量残差、偏导数雅克比矩阵、观测误差协方差矩阵，定义观测向量为：

上述公式(5)中，r为监测站三维坐标位置；v和a分别为三轴速度和加速度；B^k为单差载波相位偏差，单位为周，定义为(dCⁱ)-(dPⁱ)/λ,dCⁱ为基站和监测站接收机分别对卫星1到i所有共视卫星测量给出的载波相位值之差，dPi为伪距之差，λ为载波波长，假设基站和监测站所有共视卫星都与仰角最高的卫星1做差，则组成如下公式(6)所示的双差观测矩阵：

上述公式(6)中，表示监测站和基站对卫星i和j的几何距离双差值，基站位置提前已知；B^k为单差载波相位偏差；λ为载波波长；|r_r-r_b|表示监测站到基站的几何距离；

2-3)将步骤2-2)中的双差观测矩阵，分别对向量中的变量求偏导，得到如下雅可比矩阵：

公式(7)中，表示移动站到卫星n位置矢量，b_e表示监测站位置到基站位置的单位矢量；

参照现有技术已知文献观测误差模型给出的经验值，观测量中三轴位置方差为30，速度和加速度为10，其余观测量均为0，得到系统观测量协方差矩阵P的初始值为：

载波测量误差方差设为其中el表示当前监测站与卫星的仰角，基线测量误差方差设为预先测量得到的监测站到基站的长度则得到观测量测量误差矩阵R为：

上述公式(9)中，D为单差转换矩阵，D的表达式为：

系统载波观测残差V定义为：

公式(11)中，为监测站对卫星n的观测值非差分残差量，为基站对卫星n的观测值非差分残差，定义为如下所示：

上述公式(12)中，φ_r,b是监测站或基站对卫星载波向量观测值，单位是米；C为光速，Δt为信号从卫星发射到接收机收到信号的传播时间；

公式(11)中，表示载波相位偏差单差值，定义为：

式中ρ_r为监测站接收机伪距观测值，ρ_b为基站伪距观测值；

基线长度残差为V_b＝b-b_ret，b为当前计算出的值，b_ret为事先测量的值；

假设系统模型是线性的，则系统状态向量和其协方差矩阵的时间更新如下式：

P_k+1＝FPF^T+Q (15)

公式(14)和公式(15)中，F是转移矩阵，Q为系统过程噪声协方差矩阵，k+1表示后一历元进过滤波前的值；

转移矩阵的表达式为：

系统过程噪声协方差矩阵主要是对接收机加速度影响，大小定义为系统运动过程中东北天三轴坐标系噪声标准差，系统过程噪声协方差矩阵的表达式为：

公式(17)中，E，N，U分别为监测站通过单点定位在站心坐标系中的三轴坐标；

通过求解卡尔曼滤波方程，求得的监测站2-3毫米精度的位置，由于基站位置是固定已知的，通过做差求得精确的基线向量和形变量。

2.根据权利要求1所述的一种双层多维滑坡监测方法，其特征在于，步骤3)中，监测站的姿态角求解，包括如下步骤：

3-1)根据监测站之间形成的多组基线向量，选取监测区域内的其中一个监测站作为参考站；

3-2)通过单点定位，得到参考站的坐标，从而得到监测站到参考站的向量，选取相关基线向量组成基线观测矩阵R，基线观测矩阵R的表达式为：

基线观测矩阵R中，每一列的数据为一条基线的三维向量；

3-3)将每个历元产生的基线解转换为站心坐标系，表达式为：

其中λ和φ为参考站的经度和纬度；

建立载体坐标系和站心坐标系的关系：

式中C为：

3-4)利用最小二乘法，求解矩阵C，得到：

解出三个姿态角：航向角α、俯仰角β和翻滚角γ：

根据求出的三个姿态角，求得滑坡体姿态角。