适用于轨道交通的边缘计算北斗变形监测方法及系统与流程

本发明涉及轨道监测，尤其涉及一种适用于轨道交通的边缘计算北斗变形监测方法及系统。

背景技术：

1、传统的北斗监测技术采用gprs/4g等手段传输原始数据，利用部署在公网服务器上的数据中心实现数据管理、解算和发布，该方案已经成熟。然而常规北斗监测技术还有以下缺点：

2、(1)数据安全性不高：轨道交通工程安全性关系重大，北斗卫星原始观测数据含有位置信息，其信息流入公网具有一定的安全隐患；

3、(2)数据传输不稳定：影响监测可靠性，目前的北斗监测常采用gprs/4g等手段传输原始数据，当信号不通畅时会有数据缺失，导致监测精度和连续性降低；

4、(3)数据运营成本较高：随着北斗监测项目不断增多，大量原始卫星数据汇集至远端数据中心，数据传输、服务器数据管理成本不断增加；

5、对于轨道交通工程，其基础设施变形极为敏感，且铁路具有带状特征，监测点间距不断扩大，使用常规单一策略的监测算法难以满足不同长度基线的精度需求。

技术实现思路

1、因此，本发明的目的在于提供一种适用于轨道交通的边缘计算北斗变形监测方法及系统，采用边缘计算，能在靠近数据源的位置提供计算、存储等服务，实现流量的本地化处理，还有助于实现场景需求和部署成本的最佳匹配，同时，可以很大程度保证数据的安全性，非常适合于高精度北斗监测应用。

2、为了实现上述目的，本发明的一种适用于轨道交通的边缘计算北斗变形监测方法，包括以下步骤：

3、s1、利用边缘计算终端接收来自北斗接收机和加速度传感器的实时北斗卫星数据和加速度数据；

4、s2、将接收的数据采用以下两种模式进行处理：

5、模式一、实时接收北斗接收机的卫星原始观测数据，进行实时载波相位差分解算通过加速度递归滤波算法，解析高频振动信息，重构gnss位移进行自适应抗差滤波处理获得监测最佳估值，根据监测最佳估计值判断是否报警；

6、模式二、将实时接收的卫星原始观测数据存储为数据文件，将所述卫星原始观测数据进行合并后，解算各站坐标和基线长度，根据解算结果和模式一的监测结果进行结构体蠕变分析。

7、进一步优选的，所述模式一包括以下步骤：

8、s101、采用tcp/ip协议实时接收基准站和监测站北斗接收机的二进制数据流；

9、s102、对所述二进制数据流进行解析，获取卫星观测数据及导航电文数据；

10、s103、使用单点定位算法计算各监测站wgs84坐标系下大地坐标，并计算监测站至基准站的基线长度；

11、s104、使用saastamoinen模型消除对流层延迟的干分量；

12、s105、当基线长度和监测站坐标满足第一预设范围时，构建双差观测方程，以消除电离层延迟影响；当基线长度和监测站坐标满足第二预设范围时，使用无电离层组合观测方程消除电离层延迟影响；

13、s106、使用双频无几何载波相位组合探测周跳；

14、s107、逐历元使用扩展kalman滤波进行gnss参数估计；

15、s108、使用tcp/ip协议实时接收加速度计的原始观测值；

16、s109、在每个历元，利用上述s107中的gnss参数估计值作为观测值，与s108中的加速度计原始观测值组合为观测方程，通过加速度递归滤波算法，重构gnss位移进行自适应抗差滤波处理，获得监测最佳估值。

17、进一步优选的，所述模式二包括以下步骤：

18、s201、使用tcp/ip协议实时接收基准站和监测站北斗接收机的二进制数据流，并以10min时间间隔储存为数据文件；

19、s202、以1h/2h/6h等间隔定时将所述二进制数据流进行合并，使用数据格式转换软件转换为rinex格式数据文件，并进行rinex数据的读取；

20、s203、使用saastamoinen模型消除对流层延迟的干分量；

21、s204、计算各监测站坐标及基线长度，若各监测站坐标及基线长度满足第三预设范围，则构建双差观测方程，消除电离层延迟影响；若各监测站坐标及基线长度满足第四预设范围，采用无电离层组合观测方程消除电离层延迟影响；

22、s205、使用双频无几何载波相位组合探测周跳；

23、s206、使用最小二乘序贯滤波进行正向和反向估计；

24、s207、根据正向估计值和反向估计值结合s109中得到的实时监测估值，对结构体蠕变状态进行分析。

25、进一步优选的，在模式一和模式二中，所述采用saastamoinen模型消除对流层延迟的干分量的计算方式如下：

26、

27、f(b,h)＝1-0.0026cos2b-0.00028h

28、式中，dzhd为对流层干延迟，ps为测站处大气压，b、h分别为测站纬度和高程。

29、进一步优选的，在s105和s204中，所述无电离层组合观测方程为：

30、

31、

32、式中，pif为无电离层组合伪距，φif为载波相位观测值；fi(i＝1,2)为l1和l2载波的频率；pi、φi、ni(i＝1,2)为两种载波频率l1和l2的伪距、载波相位观测值与整周模糊度；ρ为站星几何距离；c为真空中的光速；δti为接收机钟差；δtj为卫星钟差；δtrop为对流层延迟改正；εp为组合伪距观测值其他误差和噪声；εφ为组合载波相位观测值其他误差和噪声。

33、进一步优选的，在s106和s205中，所述双频无几何载波相位组合探测周跳包括如下步骤:

34、将同一历元的两个频率的载波相位观测量进行差值计算；

35、将得到的差值在不同历元间进行差值计算，得到电离层残差法的检验量

36、继续在历元间作二次差，通过相邻历元间电离层二次残差的变化量来探测是否出现周跳。

37、进一步优选的，在s109中，所述利用gnss参数估计值作为观测值与加速度计原始观测值组合为观测方程，通过加速度递归滤波算法，重构gnss位移进行自适应抗差滤波处理获得监测最佳估值，包括以下步骤：

38、首先建立卡尔曼滤波状态方程和观测方程：

39、在卡尔曼滤波方程建立的基础上，进行基于自适应卡尔曼滤波的gnss/加速度计集成系统的时间更新过程和测量更新过程，得到tk时刻对应的状态参数向量预测值进一步得到预测观测值

40、将预测观测值和实测的gnss观测值以及加速度计原始数据zk进行差值计算；计算状态预测值及观测量残余。

41、进一步优选的，所述自适应卡尔曼滤波，根据自适应因子迭代计算，包括以下步骤：

42、(1)判断是否仅存在加速度数据，若是，则计算自适应因子，再继续滤波；若否，则直接计算并储存状态估计值及其协方差矩阵；

43、(2)计算自适应因子：自适应因子ak的值，以状态不符值统计量为判断依据，列出三段计算函数来确定自适应因子ak，

44、

45、其中，c0＝1.0～1.5，c1＝3.0～8.0；其中，为状态向量参考值，为状态向量预测值，则为其二范数，得到自适应因子ak在0～1范围内；

46、(3)在基于自适应卡尔曼滤波的时间更新过程和测量更新过程中，tk时刻状态参数估计值与状态参数估计值的协方差矩阵如下：

47、

48、

49、而后将与代入k+1历元计算，直至滤波结束。

50、本发明还提供一种适用于轨道交通的边缘计算北斗变形监测系统，用于实施上述适用于轨道交通的边缘计算北斗变形监测方法，包括在轨道交通工程监测现场的基准点和若干监测点处布设北斗接收机及加速度传感器，在管理中心设置边缘计算终端；北斗接收机、加速度计传感器及边缘计算终端通过区域自组网方式进行相互通信，并将区域网络接入铁路专网。

51、本技术公开的适用于轨道交通的边缘计算北斗变形监测方法及系统，相比于现有技术，至少具有以下优点：

52、1、本技术通过构建稳定、低时延、高精度的卫星数据传输网络，克服了常规北斗监测数据安全性不高、数据传输不稳定、运营成本高等劣势。针对轨道交通工程点位带状分布，基线长度差别大、工程经纬度跨度大的特点，根据基线长度和所处地理位置纬度自动选择观测方程模型，并利用基于边缘计算的北斗加速度计融合算法，实现轨道交通高精度北斗监测应用。

53、2、利用边缘计算理念和方法，实现了原始北斗卫星观测数据的本地化获取、解算和储存，且接入铁路专网，保证了数据的安全流通与监控。

54、3、原始观测数据局域网内传输，不受网络信号影响，保证了监测的连续性和高精度。

55、4、做到了流量的本地化处理，大量数据无需网络传输，且仅需一台解算终端，充分利用了硬件资源，降低了项目成本。

56、5、针对铁路带状特征的监测点位长间距分布，自动化判断基线长度和纬度阈值，自主选择双差观测方程和无电离层组合观测方程的数学模型。

57、6、利用双频无几何载波相位组合探测周跳，并逐历元使用扩展kalman滤波进行参数估计，获得较好精度的gnss参数估计值。

58、7、利用北斗动态差分定位+加速度计融合方式，将gnss参数估计结果与加速度计原始观测值组合为观测方程，通过加速度递归滤波算法，重构gnss位移进行自适应抗差滤波处理获得高于常规北斗监测的精度。

59、8、利用实时监测与事后准实时静态监测的方案，解决了实时报警、查看及结构体长时间蠕变状态分析的需求。