基于伪卫星的变形监测方法

摘要

本发明公开了一种基于伪卫星的变形监测方法，属于建筑物变形监测技术领域。该方法通过设置地面伪卫星系统来对建筑物上的观测点进行监测；通过伪卫星系统中的参考基站发射基准扩频信号，其他的伪卫星接收来自参考基站的基准扩频信号进行延迟、放大并向观测点转发；观测点接收来自参考基站和其他伪卫星的信号，先恢复出参考基站的伪随机码信号，将此伪随机码与接收到的多路混合扩频信号做相关运算，恢复出参考基站的载波信号，将伪随机码分别延迟后，再与多路混合扩频信号做相关运算，恢复出其他伪卫星的载波信号；通过这几个信号的相位差的变化来计算出观测点的三维形变。本系统无需时钟同步网络，电路结构简单，伪卫星可最优化布局，测量精度高。

权利要求

1.基于伪卫星的变形监测方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一：设置一颗伪卫星作为参考基站，设置其他三颗伪卫星与作为参考基站的伪卫星组成地面伪卫星系统；

步骤二：在被监测建筑物上设置观测点；

步骤三：通过参考基站发射基准扩频信号，其他的伪卫星接收来自参考基站的基准扩频信号进行延迟、放大并向观测点转发；

步骤四：被监测建筑物上的观测点接收来自参考基站和其他伪卫星的信号，先恢复出参考基站的伪随机码信号，将此伪随机码与接收到的多路混合扩频信号做相关运算，恢复出参考基站的载波信号Cr，将伪随机码分别延迟后，再与多路混合扩频信号做相关运算，恢复出其他3颗伪卫星的载波信号C1，C2，C3；使用鉴相器组监测出C1，C2，C3与Cr之间的相位差，通过这几个相位差的变化来计算出观测点的三维形变；

在步骤三中，由作为参考基站的伪卫星发射同一伪码调制的不同载波频率的两路基准扩频信号，频率分别为fRF1和fRF2，其中频率为fRF1的基准扩频信号用于观测点恢复伪码信号，另外三颗伪卫星只接收来自参考基站的频率为fRF2的基准扩频信号进行延迟放大再转发给观测点；

在步骤四中，观测点接收到来自参考基站和另外3颗伪卫星的信号，经过处理计算后得到任意一颗伪卫星与参考基站之间载波信号的相位差，再通过线性方程组利用相位差计算出观测点的三维形变；

步骤中所述参考基站以外的伪卫星电路包括延迟电路和放大电路，放大电路用于消除系统中的远近效应，延迟电路用于使观测点收到的各路扩频调制信号的伪码相位差大于一个码片宽度。

2.根据权利要求1所述的基于伪卫星的变形监测方法，其特征在于：步骤中所述参考基站的电路包括：伪码产生器、振荡器1、振荡器2、混频器、带通滤波器、功率放大器和发射天线；由伪码产生器产生的伪码与振荡器1产生的中频载波进行扩频，生成扩频信号，再与振荡器2进行混频，经带通滤波和功率放大后,频率为fRF1的扩频信号由发射天线辐射给观测点，频率为fRF2的扩频信号由发射天线辐射给观测点和另外三颗伪卫星。

3.根据权利要求1所述的基于伪卫星的变形监测方法，其特征在于：步骤中所述观测点的电路包括：低噪声放大器、带通滤波器、载波恢复电路、伪码恢复电路、延迟单元、相关解扩电路、鉴相器和变形量计算电路；观测点接收到的信号分别经过放大、滤波后，经载波恢复电路、伪码恢复电路、延迟单元、相关解扩电路以及鉴相器计算出任意一颗伪卫星与参考基站之间的相位差，再通过变形量计算电路计算出观测点的三维形变。

4.根据权利要求1所述的基于伪卫星的变形监测方法，其特征在于：所述延迟电路采用基于直接射频相参转发的形式实现延迟；使用接收天线接收来自于参考基站的频率为fRF2的基准扩频信号，然后经过延迟线电路延迟，使得到达观测点的4路频率为fRF2的扩频信号相差至少超过一个码片宽度。

5.根据权利要求1所述的基于伪卫星的变形监测方法，其特征在于：所述延迟电路采用基于中频进行相参转发的形式实现延迟；使用接收天线接收来自于参考基站的频率为fRF2的基准扩频信号，然后通过下变频电路将此信号变换为中频信号，经中频放大并进行AD转换后，使用数字射频存储技术DRFM将此信号延迟一段时间，送给DA变换器转换为模拟中频信号，经中频放大后，使用同一本振进行混频，上变频为同一频率fRF2的扩频调制信号，再经功率放大后，由天线发射给观测点。

说明书

基于伪卫星的变形监测方法

技术领域

[0001] 本发明属于建筑物变形监测技术领域，涉及一种基于伪卫星的变形监测方法。

背景技术

[0002] 在自然界中建筑物会在各种因素的影响作用下，其形状，大小，位置会在时域空间中发生变化，如高层建筑物的摆动，大坝变形等。而当变形量超过变形体所能承受的允许范围时，则会给人类的生产生活带来严重灾难。因此对物体进行变形监测具有重要意义。

[0003] 在建筑物变形监测技术中，传统的方法主要有地面观测监测技术，其主要是以经纬度，全站仪，水准仪等大地测量技术为主，但不易实现自动化，测量效率低。随着GPS全球定位系统的广泛发展与应用，也给变形监测技术带来了一场深刻的革命。GPS变形监测方法主要有如下优点：精度高，监测不受天气条件限制可进行全天候监测，且监测记录计算过程全自动完成，确保了监测成果的客观性及可靠性，同时又减少了监测人员的劳动强度。但GPS变形监测方法受本身一些因素的影响，在垂直方向上的测量误差通常为水平方向的
2～3倍；并且在水电工程深山峡谷等遮蔽严重的区域，GPS测量精度会迅速下降，甚至完全无法测量。

发明内容

[0004] 有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于伪卫星的变形监测方法，该方法用伪卫星代替GPS中的卫星来实现建筑物变形监测，不仅能继承GPS变形监测方法的优点，同时能克服其在遮蔽严重区域无法监测的缺点，实现高精度的三维监测。

[0005] 为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

[0006] 由4颗伪卫星组成地面伪卫星系统，其中一颗作为参考基站，参考基站发射同一伪码调制的不同载波频率的基准扩频调制信号，其电路包括伪码生成器，本地振荡器，扩频调制电路，上变频电路，带通滤波电路，功率放大电路等，产生2路频率不同的基准扩频调制信号，经发射天线发射出去，一路只发向观测点，另一路发向观测点以及其它3颗伪卫星。

[0007] 3颗伪卫星接收来自参考基站的其中一路基准扩频调制信号，经延迟放大处理后转发给观测点。放大电路用于消除系统中的远近效应，延迟电路用于使观测点收到的各路扩频调制信号的伪码相位差大于一个码片宽度，以便相互区别。延迟电路有两种实现方法，分别在射频和中频位置实现相参转发；射频相参转发延迟电路可以使用声表面波线或者光纤延迟线电路实现；中频相参转发可以使用数字射频存储技术实现。

[0008] 观测点接收到来自参考基站和另外3颗伪卫星的信号，经载波恢复电路，伪码恢复电路，相关解扩电路以及鉴相器计算出任意一颗伪卫星与参考基站之间的载波信号相位差，再通过线性方程组利用这几个相位差算出观测点的3维形变。

[0009] 具体来说，本发明提供了一种基于伪卫星的变形监测方法，包括以下步骤：步骤一：设置一颗伪卫星作为参考基站，设置其他三颗伪卫星与作为参考基站的伪卫星组成地面伪卫星系统；步骤二：在被监测建筑物上设置观测点；步骤三：通过参考基站发射基准扩频信号，其他的伪卫星接收来自参考基站的基准扩频信号进行延迟、放大并向观测点转发；步骤四：被监测建筑物上的观测点接收来自参考基站和其他伪卫星的信号，先恢复出参考基站的伪随机码信号，将此伪随机码与接收到的多路混合扩频信号做相关运算，恢复出参考基站的载波信号Cr，将伪随机码分别延迟后，再与多路混合扩频信号做相关运算，恢复出其他3颗伪卫星的载波信号C1，C2，C3；使用鉴相器组监测出C1，C2，C3与Cr之间的相位差，通过这几个相位差的变化来计算出观测点的三维形变。

[0010] 进一步，在步骤三中，由作为参考基站的伪卫星发射同一伪码调制的不同载波频率的两路基准扩频信号，频率分别为fRF1和fRF2，其中频率为fRF1的基准扩频信号用于观测点恢复伪码信号，另外三颗伪卫星只接收来自参考基站的频率为fRF2的基准扩频信号进行延迟放大再转发给观测点。

[0011] 进一步，在步骤四中，观测点接收到来自参考基站和另外3颗伪卫星的信号，经过处理计算后得到任意一颗伪卫星与参考基站之间载波信号的相位差，再通过线性方程组利用相位差计算出观测点的三维形变。

[0012] 进一步，步骤中所述参考基站的电路包括：伪码产生器、振荡器1、振荡器2、混频器、带通滤波器、功率放大器和发射天线；由伪码产生器产生的伪码与振荡器1产生的中频载波进行扩频，生成扩频信号，再与振荡器2进行混频，经带通滤波和功率放大后,频率为fRF1的扩频信号由发射天线辐射给观测点，频率为fRF2的扩频信号由发射天线辐射给观测点和另外三颗伪卫星。

[0013] 进一步，步骤中所述观测点的电路包括：低噪声放大器、带通滤波器、载波恢复电路、伪码恢复电路、延迟单元、相关解扩电路、鉴相器和变形量计算电路；观测点接收到的信号分别经过放大、滤波后，经载波恢复电路、伪码恢复电路、延迟单元、相关解扩电路以及鉴相器计算出任意一颗伪卫星与参考基站之间的相位差，再通过变形量计算电路计算出观测点的三维形变。

[0014] 进一步，步骤中所述参考基站以外的伪卫星电路包括延迟电路和放大电路，放大电路用于消除系统中的远近效应，延迟电路用于使观测点收到的各路扩频调制信号的伪码相位差大于一个码片宽度。

[0015] 进一步，所述延迟电路采用基于直接射频相参转发的形式实现延迟；使用接收天线接收来自于参考基站的频率为fRF2的基准扩频信号，然后经过延迟线电路延迟，使得到达观测点的4路频率为fRF2的扩频信号相差至少超过一个码片宽度。

[0016] 进一步，所述延迟电路采用基于中频进行相参转发的形式实现延迟；使用接收天线接收来自于参考基站的频率为fRF2的基准扩频信号，然后通过下变频电路将此信号变换为中频信号，经中频放大并进行AD转换后，使用数字射频存储技术DRFM将此信号延迟一段时间，送给DA变换器转换为模拟中频信号，经中频放大后，使用同一本振进行混频，上变频为同一频率fRF2的扩频调制信号，再经功率放大后，由天线发射给观测点。

[0017] 本发明的有益效果在于：本发明所述方法在使用过程中能够避免复杂的时钟同步电路，伪码捕获以及跟踪环路，同时在保证测量精度的前提下，本发明中的伪卫星电路也得到了简化，利用本方法可以实现对建筑物变形进行精确监测。

附图说明

[0018] 为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

[0019] 图1为本方法的流程示意图；

[0020] 图2为伪卫星系统整体结构图；

[0021] 图3为参考基站电路图；

[0022] 图4为在射频进行相参转发的伪卫星电路结构框图；

[0023] 图5为在中频进行相参转发的伪卫星电路结构框图；

[0024] 图6为观测点电路图。

具体实施方式

[0025] 下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

[0026] 图1为本方法的流程示意图，如图所示，本方法包括4个步骤，步骤一：设置一颗伪卫星作为参考基站，设置其他三颗伪卫星与作为参考基站的伪卫星组成地面伪卫星系统；步骤二：在被监测建筑物上设置观测点；步骤三：通过参考基站发射基准扩频信号，其他的伪卫星接收来自参考基站的基准扩频信号进行延迟、放大并向观测点转发；步骤四：被监测建筑物上的观测点接收来自参考基站和其他伪卫星的信号，先恢复出参考基站的伪随机码信号，将此伪随机码与接收到的多路混合扩频信号做相关运算，恢复出参考基站的载波信号Cr，将伪随机码分别延迟后，再与多路混合扩频信号做相关运算，恢复出其他3颗伪卫星的载波信号C1，C2，C3；使用鉴相器组监测出C1，C2，C3与Cr之间的相位差，通过这几个相位差的变化来计算出观测点的三维形变。

[0027] 图2为伪卫星系统整体结构图，参考基站发射频率分别为fRF1,fRF2的无线电扩频信号，其中fRF2的扩频信号被3颗伪卫星接收，经过一定处理再转发，观测点接收来自参考基站和经过3颗伪卫星处理的信号。

[0028] 图3为参考基站电路图，如图所示，参考基站电路包括伪码产生器，振荡器，[0029] 混频器，带通滤波器，功率放大器，发射天线等。由伪码产生器产生的伪码与振荡器1产生的中频载波进行扩频，生成扩频信号，再与振荡器2进行混频，经带通滤波和功率放大后,频率为fRF1的扩频信号由发射天线辐射给观测点，频率为fRF2的扩频信号由发射天线辐射给观测点和另外三颗伪卫星；这2路基准扩频信号为sr_RF1(t)和sr_RF2(t)：

[0030] sr_RF1(t)=Ar_RF1·pn(t)·cos(2πfRF1t) （1）

[0031] sr_RF2(t)=Ar_RF2·pn(t)·cos(2πfRF2t) （2）

[0032] 其中Ar_RF1,Ar_RF2分别代表信号的幅度，pn(t)为产生的扩频码。

[0033] 图4为在射频进行相参转发的伪卫星电路结构框图，伪卫星接收到来自参考基站频率为fRF2的信号后，经过放大器调整信号的幅度以消除系统中的远近效应，再经过延迟线使每颗伪卫星接收的信号的伪码大于一个码片，以便相互区分。

[0034] 第i个伪卫星接收到的来自于参考基站的扩频信号为：

[0035]

[0036] （3）

[0037] 经延迟放大后的发射信号为：

[0038]

[0039] （4）

[0040] 其中c表示电磁波传播速度，ρri表示由于信号传播引起的信号幅度衰减，ρii表示第i个伪卫星的放大器增益，rri表示参考基站与第i个伪卫星之间的距离，τii表示第i个伪卫星的延迟线延迟的时间。

[0041] 图5为在中频进行相参转发的伪卫星电路结构框图，如图所示，包括下变频电路，中频放大电路，AD(Analog-Digital)转换，DRFM(DigitalRadioFrequency Memory)，DA(Digital-Analog)转换，上变频电路等。接收天线接收来自参考基站频率为fRF2的基准扩频信号，经过下变频转换成中频信号，经中频放大并进行AD转换后，使用数字射频存储技术将此信号延迟一段时间，送给DA(Digital-Analog)变换器转换为模拟中频信号，经中频放大后，使用同一本振进行混频，上变频为同一频率fRF2的扩频调制信号，再经功率放大后，由天线发射给观测点。

[0042] 图6为观测点电路图，观测点电路包括低噪声放大器,带通滤波器，载波恢复电路，伪码恢复电路，延迟单元，相关解扩电路，鉴相器，变形量计算电路等。观测点接收到的来自参考基站的扩频调制信号为：

[0043] srt_RF1(t)=Ar_RF1·ρrt·pn(t-τrt)·cos(2πfRF1(t-τrt))=Ar_RF1·ρrt·pn(t-τrt)·cos(2πfRF1t+Φrt_RF1) (5)

[0044] srt_RF2(t)=Ar_RF2·ρrt·pn(t-τrt)·cos(2πfRF2(t-τrt))=Ar_RF2·ρrt·pn(t-τrt)·cos(2πfRF2t+Φrt_RF2)

[0045] (6)

[0046] 观测点接收到的来自于第i个伪卫星的扩频调制信号为：

[0047]

[0048]

[0049] 其中，ρrt表示信号由参考基站到观测点的传播所引入的幅度衰减量，ρit表示信号由第i个伪卫星到观测点的传播所引入的幅度衰减量，rit表示第i个伪卫星与观测点之间的距离。

[0050] 定义信号从参考基站经第i个伪卫星到观测点信号幅度总增益为：

[0051] ρrit=ρri·ρii·ρit；总时间延迟量为： 对应的相位为：

[0052] Φrot_RF2=-2πfRF2·τrit。

[0053] 观测点收到的混合射频信号srm_RF(t)为：

[0054]

[0055] 将此混合射频信号分别通过两路射频前端，下变频为2路中频信号：

[0056] srm_If1(t)=Ar_RF1·ρrt·pn(t-τrt)·cos(2πfIF1t+Φrt_RF1) (9)[0057]

[0058] 其中：

[0059] srt_IF2(t)=Ar_IF2·ρrt·pn(t-τrt)·cos(2πfIF2t+Φrt_RF2)

[0060] (11)

[0061] srit_IF2(t)=Ar_RF2·ρrit·pn(t-τrit)·cos(2πfIF2t+Φrit_RF2) (12)[0062] 使用载波环路(平方环或者锁相环路)，得到相干的中频载波信号：

[0063] sc_IF1(t)=cos(2πfIF1t+Φrt_RF1) (13)

[0064] 使用此相干载波信号，解调频率为fIF1的中频扩频调制信号srt_IF1(t)，恢复出参考基站的伪码信号pnr(t)=pn(t-τrt)。

[0065] 使用此伪码信号pnr(t)与中频信号srm_IF2(t)做相关解扩运算，恢复出参考基站的频率为fIF2的中频载波信号：

[0066] srt_IF2(t)=cos(2πfIF2t+Φrt_RF2) (14)

[0067] 将此伪码信号pnr(t)延迟一定时间(τrit-τrt)，得到第i个伪卫星的伪码信号pni(t)=pnr(t-τrit)，将此伪码信号pni(t)与中频信号srm_IF2(t)做相关解扩运算，恢复出第i个伪卫星的频率为fIF2的中频载波信号：

[0068] srit_IF2(t)=cos(2πfIF2t+Φrit_RF2) (15)

[0069] 使用鉴相器计算出来自于参考基站和第i个伪卫星之间的相位差：

[0070] ΔΦri=Φrt_RF2-Φrit_RF2 (16)

[0071] 定义两次测量的相位差的变化量为：

[0072]

[0073] (17)

[0074]

[0075] Δrrt表示观测点和基准站之间的距离变化量；Δrrit表示参考基站到伪卫星再到观测点之间总距离的变化量，Δrit表示伪卫星与观测点之间的距离变化量。

[0076] 建立一组线性方程组，将测得的相位差带入线性方程组计算出观测点的3维形变。定义参考基站位置坐标为(xr,yr,zr)，三颗伪卫星的位置坐标为：(xi,yi,zi)，i=1,2,3;定义任一观测点位置坐标为：(xt,yt,zt);定义观测点位移形变矢量为(Δxt,Δyt,Δzt)，则构造以下方程组，根据观测到的相位差变化量可计算出观测点形变量：

[0077]

[0078] (19)

[0079]

[0080] (20)

[0081]

[0082]

[0083] (21)

[0084] 最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。