CN114236585B - 基于北斗导航卫星系统的目标运动监测方法及存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于北斗导航卫星系统的目标运动监测方法及存储介质，方法包括：通过北斗导航卫星系统，实时计算待测目标的一旋转轴对应的各监测站的位置；根据所述各监测站在预设的第一监测时刻和第二监测时刻时的位置，计算所述一旋转轴在所述第一监测时刻和第二监测时刻期间的旋转角度；分别根据待测目标的各旋转部位的各旋转轴在所述第一监测时刻和第二监测时刻期间的旋转角度，计算各旋转部位在所述第一监测时刻和第二监测时刻期间的旋转方向和旋转角度。本发明可实现对目标物体的复杂运动的监测。

Description

基于北斗导航卫星系统的目标运动监测方法及存储介质

技术领域

本发明涉及目标监测技术领域，尤其涉及一种基于北斗导航卫星系统的目标运动监测方法及存储介质。

背景技术

北斗卫星导航系统是我国自主研发的卫星导航系统，具有快速定位、短报文通信和精密授时三大功能。

随着北斗系统建设和服务能力的发展，相关产品已广泛应用于交通运输、海洋渔业、水文监测、气象预报、测绘地理信息、森林防火、通信时统、电力调度、救灾减灾、应急搜救等领域，逐步渗透到人类社会生产和人们生活的方方面面，为全球经济和社会发展注入新的活力。

未来10年至20年将是我国城镇化建设、智能电网建设的主要时期，智能电网进入全面建设的重要阶段。北斗系统高精度定位技术在电力行业的应用将取得突破，北斗高精度位置服务网的定位精度、速度、可靠性及稳定性将进一步提升，智能电网及智能成套设备、智能配电、控制系统等领域对高精度授时技术、短报文通信技术、高精度定位技术的依赖程度大大增加。

电力基建现场的地基沉降和地表变形等位移安全是电力基建的主要风险因素，需要进行实时监测。传统的位移变形监测手段主要是利用全站仪、水准仪等测量设备在选定的基准点进行测量，但该设备容易受到现场环境的影响，只能定期监测，监测数据不连续，且过程耗时长，工作量巨大，人工成本及测量周期不能满足技术经济要求，同时，只能对物体简单的位移运动进行监测，并不能解析物体复杂的运动。

也就是说，传统的监测方式工作效率低，实时性不强，高精度测量过程复杂，需要大量的人力和物力，成本巨大，且不能够对物体的复杂运动进行监测。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于北斗导航卫星系统的目标运动监测方法及存储介质，可实现对目标物体的复杂运动的监测。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种基于北斗导航卫星系统的目标运动监测方法，待测目标的各旋转部位的各旋转轴分别对应设有三个监测站，所述三个监测站包括第一监测站、第二监测站和第三监测站，所述第一监测站位于其对应的旋转轴沿长度方向的中心处，所述第二监测站和第三监测站的位置满足预设的条件，所述预设的条件包括OA和OB的长度相等，OA⊥OB，OC为∠AOB的中心线，其中，OA表示以所述第一监测站与第二监测站为两端点的线段，OB表示以所述第一监测站和第三监测站为两端点的线段，OC垂直于旋转轴；

所述方法包括：

通过北斗导航卫星系统，实时计算待测目标的一旋转轴对应的各监测站的位置；

根据所述各监测站在预设的第一监测时刻和第二监测时刻时的位置，计算所述一旋转轴在所述第一监测时刻和第二监测时刻期间的旋转角度；

分别根据待测目标的各旋转部位的各旋转轴在所述第一监测时刻和第二监测时刻期间的旋转角度，计算各旋转部位在所述第一监测时刻和第二监测时刻期间的旋转方向和旋转角度。

本发明还提出一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现如上所述的方法。

本发明的有益效果在于：相比传统的监测方法，本发明能够提供变形体整体的变形状态；适用于不同的监测精度要求、不同形式的变形体和不同的监测环境；能够达到更高的监测精确度；能够解析物体复杂的运动；能够提供连续不断的监测数据，实现实时自动化监测。

附图说明

图1为本发明的一种基于北斗导航卫星系统的目标运动监测方法的流程图；

图2为本发明实施例一的方法流程图；

图3为本发明实施例一的目标物体的旋转部位的旋转示意图。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明。

请参阅图1，一种基于北斗导航卫星系统的目标运动监测方法，待测目标的各旋转部位的各旋转轴分别对应设有三个监测站，所述三个监测站包括第一监测站、第二监测站和第三监测站，所述第一监测站位于其对应的旋转轴沿长度方向的中心处，所述第二监测站和第三监测站的位置满足预设的条件，所述预设的条件包括OA和OB的长度相等，OA⊥OB，OC为∠AOB的中心线，其中，OA表示以所述第一监测站与第二监测站为两端点的线段，OB表示以所述第一监测站和第三监测站为两端点的线段，OC垂直于旋转轴；

所述方法包括：

通过北斗导航卫星系统，实时计算待测目标的一旋转轴对应的各监测站的位置；

根据所述各监测站在预设的第一监测时刻和第二监测时刻时的位置，计算所述一旋转轴在所述第一监测时刻和第二监测时刻期间的旋转角度；

分别根据待测目标的各旋转部位的各旋转轴在所述第一监测时刻和第二监测时刻期间的旋转角度，计算各旋转部位在所述第一监测时刻和第二监测时刻期间的旋转方向和旋转角度。

从上述描述可知，本发明的有益效果在于：能够提供变形体整体的变形状态；适用于不同的监测精度要求、不同形式的变形体和不同的监测环境；能够达到更高的监测精确度；能够解析物体复杂的运动；能够提供连续不断的监测数据，实现实时自动化监测。

进一步地，所述通过北斗导航卫星系统，实时计算待测目标的一旋转轴对应的各监测站的位置具体为：

通过伪距码相位测距或载波相位测距，计算待测目标的一旋转轴对应的一监测站与卫星之间的距离；

根据卫星发送的导航电文，计算所述卫星的位置；

根据至少三颗的卫星的位置以及所述一监测站与所述至少三颗的卫星之间的距离，计算所述一监测站的位置。

由上述描述可知，基于北斗导航卫星系统来实时获取监测站的位置，可提高位置获取的准确性。

进一步地，所述通过北斗导航卫星系统，实时计算待测目标的一旋转轴对应的各监测站的位置之后，进一步包括：

根据基准站播发的基准定位差分数据，分别对各监测站的位置进行修正。

进一步地，所述根据基准站播发的基准定位差分数据，分别对各监测站的位置进行修正具体为：

根据基准站播发的基准定位差分数据，通过差分融合定位计算，分别修正各监测站的位置。

由上述描述可知，通过进行差分定位融合计算，从而得到更加精确的定位坐标。

进一步地，所述根据所述各监测站在预设的第一监测时刻和第二监测时刻时的位置，计算所述一旋转轴在所述第一监测时刻和第二监测时刻期间的旋转角度具体为：

根据所述一旋转轴对应的第二监测站在预设的第一监测时刻的位置、所述第二旋转轴在预设的第二监测时刻的位置以及所述一旋转轴对应的第一监测站在所述第一监测时刻或第二监测时刻的位置，计算所述第二监测站对应的翻转角度；

根据所述一旋转轴对应的第三监测站在预设的第一监测时刻的位置、所述第三旋转轴在预设的第二监测时刻的位置以及所述一旋转轴对应的第一监测站在所述第一监测时刻或第二监测时刻的位置，计算所述第三监测站对应的翻转角度；

根据公式θ＝arcos(1-2(sin²(α/2)+sin²(β/2))计算所述一旋转轴在所述第一监测时刻和第二监测时刻期间的旋转角度，θ为旋转角度，α为所述第二监测站对应的翻转角度，β为所述第三监测站对应的翻转角度。

由上述描述可知，通过对监测站的位置变化进行分析，计算得到旋转轴的旋转角度。

本发明还提出一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现如上所述的方法。

实施例一

请参照图2-3，本发明的实施例一为：一种目标运动监测方法，本方法基于北斗导航卫星系统，可应用于电力基建工程，可为电力基建工程位移安全提供全天候实时监测，精度高，针对性强。

本实施例中，监测系统由控制段和空间段组成。其中，控制段由主控站、监测站、地面天线和相关处理资源等组成，用于监视、控制和更新空间段卫星信息；监测站结构包括辅助立柱、高精度接收机、测量型天线和太阳能供电系统。选择以BDS(BeiDouNavigationSatellite System，北斗卫星导航系统)为主的接收机作为监测站主要设备，实现多频接收、消除定位误差。空间段包括导航卫星，负责通过信号正确播发卫星位置、速度和时间。

例如，假设目标物体的一旋转部位为饼状，旋转轴即位于中心线上，图3示出了该旋转部位旋转前后的状态，其中，点O、A、C、B所在的平面表示旋转前的状态(假设为j时刻时的状态)，点O、A’、C’、B’所在的平面表示旋转后的状态(假设为k时刻时的状态)。A与A’、B与B’、C与C’分别为旋转部位上的同一点。

其中，O为该旋转部位的中心点，那么该旋转轴对应的第一监测站设置在点O处，点C位于该旋转部位的边缘处，且OC垂直于旋转轴，点A和点B也位于该旋转部位的边缘处，即OA＝OB＝OC，且OA⊥OB，同时OA和OB关于OC对称，即OC为∠AOB的中心线，那么该旋转轴对应的第二监测站设置在点A处，该旋转轴对应的第三监测站设置在点B处。分别以OA、OB及其所在平面的法线方向OD为X、Y、Z轴建立坐标系。

也就是说，点A可以看作是第二监测站在j时刻时的位置，点A’可以看作是第二监测站在k时刻时的位置，点B可以看作是第三监测站在j时刻时的位置，点B’可以看作是第三监测站在k时刻时的位置。由于旋转轴旋转时，其上的位置基本不变，因此，点O可以看作是第一监测站在j时刻或k时刻时的位置。

通过获取点O、A、A’、B和B’的位置，分析计算出该旋转轴的旋转角度，也即∠COC’。

如图2所示，本实施例的方法包括如下步骤：

S1：通过伪距码相位测距或载波相位测距，实时计算各监测站与卫星之间的距离。

具体地，对于任意一个监测站，先计算卫星的信号发送时间t₁以及监测站的接收机的信号接收时间t₂。根据传输时间计算方法的不同，可分为伪距码相位测距和载波相位测距。

其中，在伪距码相位测距中，t₁根据下述第一公式计算得到，t₂即监测站的接收机接收到信号的时间。

第一公式：t₁＝f₁(T₀，n，N，T_c，p)＝T₀+(n+p)×N×T_c

其中，T₀为参考发射时间，n为完整伪距码总片数，p为伪距码小数部分，N为伪距码周期，T_c为码片长度，f₁是t₁关于T₀、n、N、T_c和p的函数。这些参数均可从卫星发送的导航电文中获得。

在载波相位测距中，t₁和t₂分别根据下述第二公式和第三公式计算得到。

第二公式：

第三公式：

其中，k为常数，将相位转换为相应起始时刻的时间，

和

为相应相位分数部分，这些参数也可从导航电文中获得；n₁和n₂为未知整数，表示任意参考时刻开始经过的2π弧度整数，由于n₁和n₂无法直接测量，二者之差被称为整周模糊度，需借助一个就近初始值迭代完成解算；g₁是t₁关于

和n₁的函数，g₂是t₂关于

和n₂的函数。

然后，根据信号发送时间t₁和的信号接收时间t₂，计算监测站与卫星之间的距离。具体地，根据下述第四公式计算监测站与卫星之间的距离。

第四公式：d＝f₂(c，t₁，t₂)＝c×(t₂-t₁)

其中，c为信号传播速度，无干扰时为真空光速；t₂与t₁之差即为信号传播时间，f₂是关于c，t₁，t₂的函数。

S2：根据卫星发送的导航电文，计算所述卫星的位置。

导航电文根据控制段修正值、卫星运行状态生成并进行播发，包括卫星星历数据、时间戳、修正位置、预测状态、修正时间、测距误差、摄动参数、时钟漂移等。在任意时刻j，监测站观测并接收卫星i的导航电文后，可计算出该卫星i位置S_ij＝(x_ij，y_ij，z_ij)。

S3：实时计算各监测站的位置。

对于任意的监测站，假设需要求解的j时刻的监测站的位置为U_j＝(x_uj，y_uj，z_uj)，而S_ij和U_j的距离d_j可根据下述第五公式计算得到。

第五公式：

而j时刻监测站与卫星之间的距离d_j还可以根据第四公式计算得到，因此，可选取多颗卫星，先分别计算这些卫星与监测站之间的距离，再计算这些卫星的位置，即可建立关于第五公式的非线性方程组，进而解算出监测点的位置S_ij。

本实施例中，选取至少三颗卫星进行计算，即根据至少三颗的卫星的位置以及监测站与所述至少三颗的卫星之间的距离，计算监测站的位置。

S4：根据基准站播发的基准定位差分数据，通过差分融合定位计算，分别修正各监测站的位置。

具体地，对于任意的监测站，根据基准站和监测站的观测信息实现载波相位差分定位计算，假设基准站播放的基准定位差分数据为ε，则根据下述第六公式修正监测站的位置。

第六公式：U_j’＝f₃(U_j，ε)

其中，U_j’为修正后的j时刻的监测站的位置，f₃为关于U_j和ε的函数。

通过进行差分定位融合计算，从而得到更加精确的定位坐标。

S5：根据待测目标的一旋转部位的一旋转轴对应的各监测站在预设的第一监测时刻和第二监测时刻时的位置，计算所述一旋转轴在所述第一监测时刻和第二监测时刻期间的旋转角度。

具体地，根据所述一旋转轴对应的第二监测站在预设的第一监测时刻的位置、所述第二旋转轴在预设的第二监测时刻的位置以及所述一旋转轴对应的第一监测站在所述第一监测时刻或第二监测时刻的位置，计算所述第二监测站对应的翻转角度；同时，根据所述一旋转轴对应的第三监测站在预设的第一监测时刻的位置、所述第三旋转轴在预设的第二监测时刻的位置以及所述一旋转轴对应的第一监测站在所述第一监测时刻或第二监测时刻的位置，计算所述第三监测站对应的翻转角度。

如图3所示，此时相当于已获取到点O、A、A’、B和B’的位置，则根据点O、A、A’的位置坐标，即可计算出向量OA和OA’，然后根据两向量间的夹角计算公式，即可计算得到∠AOA’，也即第二监测站在j时刻和k时刻期间的翻转角度α；同理，根据点O、B、B’的位置坐标，计算得到∠BOB’，也即第三监测站在j时刻和k时刻期间的翻转角度β。

假设该旋转部位的半径为R(相当于OA、OB或OC的长度)，∠BOB”＝γ，其中，B”位于旋转轴上，且BB”⊥OB”，则BB”＝|2Rsin(β/2)|，BB”＝|Rsinγ|，根据余弦定理可得下述第七公式。

第七公式：cosθ＝1-2sin²(β/2)/sin²γ

同理由三角形△AA’A”可得下述第八公式，其中，A”位于旋转轴上，且AA”⊥OA”。

第八公式：cosθ＝1-sin²(α/2)/sin²γ

根据上述第七公式和第八公式，可得下述第九公式。

第九公式：θ＝arcos(1-2(sin²(α/2)+sin²(β/2))

因此，根据第九公式，即可计算得到所述一旋转轴在所述第一监测时刻和第二监测时刻期间的旋转角度θ，即∠COC’。

θ表示的是目标物体的某个部位在一个方向的翻转角度，通过设置不同的监测点，可以监测到目标物体不同方向不同部位的偏转角度，从而可以解析出物体的复杂的运动状态。

S6：分别根据待测目标的各旋转部位的各旋转轴在所述第一监测时刻和第二监测时刻期间的旋转角度，计算各旋转部位在所述第一监测时刻和第二监测时刻期间的旋转方向和旋转角度。

例如，假设一个物体的某个旋转部位可以往其左上方偏转，则其包括左右方向的旋转轴和上下方向的旋转轴，通过计算这两个方向的旋转轴的旋转角度，即可分析得到整体的旋转方向和旋转角度。

进一步地，在另一个可选的实施例中，待测目标的各旋转部位的各旋转轴分别对应设有两个监测站，所述两个监测站包括第一监测站和第二监测站，其中，第一监测站设置于图3中的点O处，也即旋转轴在长度方向上的中心点处，第二监测站设置于图3中的点C处，也即设置于目标物体上，且OC垂直于旋转轴。然后实时计算这两个监测站的位置，后续直接根据点O、C和C’的位置坐标，通过向量夹角计算方式，计算出∠COC’，即旋转轴在两个监测时刻期间的旋转角度θ。

相比传统的监测方法，本实施例能够提供变形体整体的变形状态；适用于不同的监测精度要求、不同形式的变形体和不同的监测环境；能够达到更高的监测精确度；能够解析物体复杂的运动并通过建模进行监测；能够提供连续不断的监测数据，实现实时自动化监测。

实施例二

本实施例是对应上述实施例的一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述的基于北斗导航卫星系统的目标运动监测方法实施例中的各个过程，且能达到相同的技术效果，为避免重复，这里不再赘述。

综上所述，本发明提供的一种基于北斗导航卫星系统的目标运动监测方法及存储介质，相比传统的监测方法，本发明能够提供变形体整体的变形状态；适用于不同的监测精度要求、不同形式的变形体和不同的监测环境；能够达到更高的监测精确度；能够解析物体复杂的运动并通过建模进行监测；能够提供连续不断的监测数据，实现实时自动化监测。本发明能够提供更加精准的定位信息，并且对物体的复杂运动进行建模解析，提供物体整体的变形状态。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (5)

1.一种基于北斗导航卫星系统的目标运动监测方法，其特征在于，待测目标的各旋转部位的各旋转轴分别对应设有三个监测站，所述三个监测站包括第一监测站、第二监测站和第三监测站，所述第一监测站位于其对应的旋转轴沿长度方向的中心处，所述第二监测站和第三监测站的位置满足预设的条件，所述预设的条件包括OA和OB的长度相等，OA⊥OB，OC为∠AOB的中心线，其中，OA表示以所述第一监测站与第二监测站为两端点的线段，OB表示以所述第一监测站和第三监测站为两端点的线段，OC垂直于旋转轴；

所述方法包括：

通过北斗导航卫星系统，实时计算待测目标的一旋转轴对应的各监测站的位置；

根据所述各监测站在预设的第一监测时刻和第二监测时刻时的位置，计算所述一旋转轴在所述第一监测时刻和第二监测时刻期间的旋转角度；

分别根据待测目标的各旋转部位的各旋转轴在所述第一监测时刻和第二监测时刻期间的旋转角度，计算各旋转部位在所述第一监测时刻和第二监测时刻期间的旋转方向和旋转角度；

所述根据所述各监测站在预设的第一监测时刻和第二监测时刻时的位置，计算所述一旋转轴在所述第一监测时刻和第二监测时刻期间的旋转角度具体为：

根据所述一旋转轴对应的第二监测站在预设的第一监测时刻的位置、所述第二监测站在预设的第二监测时刻的位置以及所述一旋转轴对应的第一监测站在所述第一监测时刻或第二监测时刻的位置，计算所述第二监测站对应的翻转角度，所述第二监测站对应的翻转角度为所述第二监测站在第一监测时刻和第二监测时刻期间的翻转角度；

根据所述一旋转轴对应的第三监测站在预设的第一监测时刻的位置、所述第三监测站在预设的第二监测时刻的位置以及所述一旋转轴对应的第一监测站在所述第一监测时刻或第二监测时刻的位置，计算所述第三监测站对应的翻转角度，所述第三监测站对应的翻转角度为所述第三监测站在第一监测时刻和第二监测时刻期间的翻转角度；

根据公式θ=arcos(1-2(sin²(α/2)+sin²(β/2))计算所述一旋转轴在所述第一监测时刻和第二监测时刻期间的旋转角度，θ为旋转角度，α为所述第二监测站对应的翻转角度，β为所述第三监测站对应的翻转角度。

2.根据权利要求1所述的基于北斗导航卫星系统的目标运动监测方法，其特征在于，所述通过北斗导航卫星系统，实时计算待测目标的一旋转轴对应的各监测站的位置具体为：

通过伪距码相位测距或载波相位测距，计算待测目标的一旋转轴对应的一监测站与卫星之间的距离；

根据卫星发送的导航电文，计算所述卫星的位置；

根据至少三颗的卫星的位置以及所述一监测站与所述至少三颗的卫星之间的距离，计算所述一监测站的位置。

3.根据权利要求1所述的基于北斗导航卫星系统的目标运动监测方法，其特征在于，所述通过北斗导航卫星系统，实时计算待测目标的一旋转轴对应的各监测站的位置之后，进一步包括：

根据基准站播发的基准定位差分数据，分别对各监测站的位置进行修正。

4.根据权利要求3所述的基于北斗导航卫星系统的目标运动监测方法，其特征在于，所述根据基准站播发的基准定位差分数据，分别对各监测站的位置进行修正具体为：

根据基准站播发的基准定位差分数据，通过差分融合定位计算，分别修正各监测站的位置。

5.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述程序被处理器执行时实现如权利要求1-4任一项所述的方法。

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