用于管廊变形监测的分布式MIMO伪卫星系统及方法

用于管廊变形监测的分布式mimo伪卫星系统及方法
技术领域
1.本发明涉及一种用于管廊变形监测的分布式mimo伪卫星系统及方法，属于无线电导航定位技术领域、建筑物变形监测领域。


背景技术：

2.地下城市管道综合走廊是在城市地下建造一个隧道空间，将电力、通信，燃气、供热、给排水等各种工程管线集于一体，设有专门的检修口、吊装口和监测系统，实施统一规划、统一设计、统一建设和管理，是保障城市运行的重要基础设施和"生命线"，随着人们生活质量得到不断提高，保护地下管道综合走廊的稳定性，满足人们的日常稳定生活越来越重要；随着定位技术的不断提高，各种各样的定位技术在不断的发展。目前，在广阔的室外区域，以北斗、gps等全球导航卫星系统(gnss)为代表的技术日趋完善，基本可以满足相应的定位需求；但在地下(隧道)空间，因为墙壁等物体的遮挡，gnss信号无法到达相应的区域，所以伪卫星技术成为解决地下(隧道)空间定位问题的重要方法之一。因为信号体制的相似性，伪卫星信号和gps信号具有良好的兼容性。但是由于地下空间环境的复杂性以及转弯处较多、较为封闭的场景特性，简单的伪卫星系统已经不能满足高精度稳定定位服务的需求进而不能提供变形监测服务。
3.mimo伪卫星信号系统适用于楼宇、地下、隧道、大型室内环境等需要提供定位服务的非暴露空间，尤其针对无法接收卫星信号、范围广阔、环境复杂的区域，综合管廊分布于城市全域，方便了诸多设施的日常检查、修理和维护。为了确保地下综合管廊的稳定性和安全性，需要进行相应的变形监测，尽量消除安全隐患。分布式mimo伪卫星系统能够实现基站多发多收、解决基站间时钟同步问题，因为单个基站能够进行收发，所以能够增加在地下综合管廊的检测点，能够更好的进行变形监测。伪卫星基站装置是实现全域定位的有效途径之一，但是其硬件实现成本过高，硬件实现繁琐，通过gnu radio软件无线电平台和fpga+ad9361实现伪卫星信号的产生、发射、接收，并对观测量进行监测处理，实现变形监测。


技术实现要素：

4.技术问题：伪卫星系统多为单发单收且只能输出射频信号，无法满足只需要使用基带信号或者数字中频信号用户的要求，对于伪卫星信号处理分析测试不便；在综合管廊的环境中墙壁、管道等物体的遮挡，gnss信号无法到达相应的区域，转弯处多，环境较为复杂，简单的伪卫星系统已经不能满足高精度稳定定位服务的需求进而不能提供变形监测服务。
5.通过本发明的应用于综合管廊变形监测的分布式mimo伪卫星系统可以产生多路伪卫星信号，通过共用天线，前端射频芯片进行多通道分时发送，能够满足部分需要数字中频信号用户的要求，也可接收多路伪卫星信号，通过获取基站内的伪距、载波相位观测值，通过变形监测算法长时间观测被测点坐标，可以对多点的管廊进行变形监测。本发明通过分析特定地下综合管廊的地质脆弱性分析，进行相应的基站部署，提高变形监测效率。
6.技术方案：本发明解决上述技术问题的方法通过如下的技术方案实现：
7.本发明首先提供一种用于管廊变形监测的分布式mimo伪卫星系统，该系统包括多个mimo伪卫星基站，每个mimo伪卫星基站通过tdm方式进行发射伪卫星信号，通过对每个mimo伪卫星基站之间的相互定位实现多点的变形监测，多个mimo伪卫星基站间形成拓扑结构，综合管廊发生监测点形变时，拓扑结构改变，实现管廊的变形监测。
8.进一步地，每个mimo伪卫星基站包括n通道伪卫星发射模块、基带信号生成模块、n通道伪卫星接收模块、基带信号处理模块、n组共用天线；
9.n通道伪卫星接收模块通过n组共用天线接收mimo伪卫星基站内或者其他mimo伪卫星基站的信号，解调产生n路数字中频伪卫星信号，输出至基带信号处理模块；
10.基带信号生成模块调制产生的n路调制数字中频伪卫星信号，输出至n通道伪卫星发射模块通过n组共用天线分时播发出去。
11.进一步地，n通道伪卫星发射模块包括射频前端芯片中的n路发射通道；
12.所述基带信号生成模块包括伪卫星导航电文生成模块、c/a码生成模块、中频载波生成模块、扩频码生成模块、bpsk调制模块；
13.射频前端芯片中的n路发射通道对n路伪卫星数字中频信号进行上变频和数模转换产生n路高频模拟伪卫星信号，将n路高频模拟伪卫星信号分别输出至n组共用天线，通过控制天线开关，n组共用天线在接收到高频模拟伪卫星信号后将其播发出去，实现本基站信号的发射。
14.进一步地，所述n通道伪卫星接收模块包括射频前端芯片中n路接收通道，n组共用天线通过布设在不同的位置，通过控制天线开关，当接收伪卫星系统内基站其他通道的信号或者其他伪卫星基站的信号时，输出接收到的伪卫星信号到射频前端芯片；射频前端芯片在接收到高频伪卫星模拟信号后，进行下变频和模数转换，产生n路数字中频伪卫星信号输出至基带信号处理模块。
15.本发明还提供一种上述用于管廊变形监测的分布式mimo伪卫星系统进行管廊变形监测的方法，该方法包括如下步骤：
16.s1:在待监测隧道的测量空间内，每间隔距离d部署一个mimo伪卫星基站，每个mimo伪卫星基站中的多个共用天线沿着隧道的纵截面部署，每个mimo伪卫星基站选取一个共用天线点作为标准点，且选取的相邻的三个mimo伪卫星基站的标准点确保不共线，假设测量点坐标为(xi,yi,zi)，多个标准点的坐标为(xj,yj,zj)，测量点、标准点三维坐标近似值及各自的改正数分别为(δxi,δyi,δzi)、(δxj,δyj,δzj)；
17.s2:第i个测量点对第j个标准点的测距值为s
ij
，其中测距值可由基带信号处理模块中的伪距与载波相位值确定：
[0018][0019]
对式(9)进行线性化，得误差方程式：
[0020]vij
＝a
ij
δxi+b
ij
δyi+c
ij
δz
i-a
ij
δx
j-b
ij
δy
j-c
ij
δz
j-l
ij
ꢀꢀ
(2)
[0021]
其中系数a
ij
、b
ij
、c
ij
与常数l
ij
通过以下公式计算获得：
[0022][0023][0024][0025][0026]
l
ij
表示的是第i个测量点与第j个标准点间测距值与近似值的差值；
[0027]
对测量空间内m个测量点，q个标准点应用式(3),建立误差方程并写成矩阵形式，则有：
[0028]
v＝aδx-l
ꢀꢀ
(3)
[0029]
其中v为残差向量，δx为未知参数，a为未知参数的系数矩阵，l为距离差值常量，a
t
为系数矩阵的转置矩阵；
[0030]
法方程如下：
[0031]at
paδx＝a
t
pl
ꢀꢀ
(4)
[0032]
由秩亏网平差公式，根据法方程解算各点坐标并分析误差为：
[0033][0034]
其中p为权矩阵，n为法方程系数矩阵，g为重心基准约束矩阵，δx为未知参数，q
δx
为协因数矩阵；
[0035]
将各测量点、标准点坐标每隔30min进行存储，并进行24小时长时间连续观测，当各点坐标值发生较大变化时即综合管廊产生形变。
[0036]
有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：
[0037]
本发明提出的mimo伪卫星信号系统，解决了伪卫星硬件成本高，且只能输出射频信号，无法满足只需要使用基带信号或者数字中频信号用户的要求的问题；分布式mimo伪卫星系统可以多发多收，实现了单星座小区域组网需求，实现了多星座间相互通信，在长时间检测中，满足了大区域内提供高精度定位服务的需求进而能够进行变形监测。
附图说明
[0038]
图1：本发明的用于管廊变形监测的分布式mimo伪卫星系统部署图；
[0039]
图2：本发明的每个mimo伪卫星基站的结构示意图；
[0040]
图3：本发明的进行管廊变形监测的方法流程图；
[0041]
图4：本发明的长时间变形监测结果图。
具体实施方式
[0042]
以下结合实施例和说明书附图，详细说明本发明的实施过程。
[0043]
实施例1：mimo伪卫星系统
[0044]
mimo伪卫星基站包括n通道伪卫星发射模块、基带信号生成模块、n通道伪卫星接收模块、基带信号处理模块、n组共用天线；
[0045]
n通道伪卫星接收模块通过控制n组共用天线的天线开关来接收mimo伪卫星基站内或者其他mimo伪卫星基站的信号，解调产生n路数字中频伪卫星信号，输出至基带信号处理模块；
[0046]
基带信号生成模块调制产生的n路调制数字中频伪卫星信号，输出至n通道伪卫星发射模块通过控制n组共用天线的天线开关分时播发出去。
[0047]
其中伪卫星信号生成，包括
[0048]
(1)根据所述导航电文参数获取伪卫星模拟信号的基带信号，包括：c/a码生成，根据导航电文参数生成导航电文；
[0049]
(2)根据所述导航电文和所述扩频码得到伪卫星模拟信号的扩频码数据流；
[0050]
(3)将所述基带信号进行bpsk调制，进行中频载波调制,得到所述卫星模拟信号的数字中频信号。
[0051]
(4)伪卫星信号模拟生成过程
[0052]
伪卫星信号由“测距码+导航电文”调制在载波上构成，伪卫星p的标准信号表示为s
(p)
(t)，其信号表达式如下：
[0053]s(p)
(t)＝a
pdp
(t)c
p
(t)cos(2πfct)
ꢀꢀ
(6)
[0054]
式中，p表示伪卫星prn编号，a表示伪卫星信号幅值，d(t)为导航电文数据，c(t)为测距码数据，fc为伪卫星信号频率，f
if
为中频信号频率，其上变频频率关系为：
[0055]
在实际仿真过程中，伪卫星信号生成单元所产生的伪卫星标准信号的仿真数据为其离散采样信号x
(p)
[k]，其关系为：
[0056][0057]
其中，p表示伪卫星prn编号，仿真的离散采样信号x[k]，中频信号为s
if
(t)，ts表示采样时间，k为采样点；
[0058]
其中伪卫星测距值观测量获取，包括
[0059]
(1)捕获到可以接收到的伪卫星，在进行跟踪，解调得相应的多普勒频移和伪码相位的精确值，之后将载波，伪随机码从中频信号中进行分离得到基带信号。
[0060]
(2)将各项观测量进行存贮或可以选择进行pvt解算，能够实现获得测距值观测量和定位功能。
[0061][0062][0063]
上式中，r和s分别表示接收机和伪卫星；和分别表示接收机r对伪卫星s的伪距和载波相位观测值；表示接收机r和伪卫星s之间的几何距离；c表示无线电信号的传播速度；δtr和δts分别表示接收机和伪卫星的钟差；dr和ds分别表示接收机和伪卫星硬件延
迟引起的误差；λs表示伪卫星s发射信号的载波波长；表示接收机r到伪卫星s之间的整周模糊度；和分别表示求解伪距和载波相位观测量过程中的各种误差总和。
[0064]
实施例2：分布式mimo基站部署
[0065]
在地下综合管廊的一个纵截面部署基站，通过地质脆弱性分析，可以选择是否均匀部署共用天线于纵截面上，相隔距离d在综合管廊纵截面上再次部署基站，多个基站间能够进行相互检测，通过定位监测算法，来进行24h长时间检测，形成较为稳定的检测拓扑结构，若一个点的位置发生较大变化即产生形变，通过分析载波相位观测量和测量点坐标进行变形监测。
[0066]
实施例3：定位检测算法
[0067]
s1:在待监测隧道的测量空间内，每间隔距离d部署一个mimo伪卫星基站，每个mimo伪卫星基站中的多个共用天线沿着隧道的纵截面部署，每个mimo伪卫星基站选取一个共用天线点作为标准点，且选取的相邻的三个mimo伪卫星基站的标准点确保不共线，假设测量点坐标为(xi,yi,zi)，多个标准点的坐标为(xj,yj,zj)，测量点、标准点三维坐标近似值及各自的改正数分别为(δxi,δyi,δzi)、(δxj,δyj,δzj)；
[0068]
s2:第i个测量点对第j个标准点的测距值为s
ij
，其中测距值可由基带信号处理模块中的伪距与载波相位值确定：
[0069][0070]
对式(9)进行线性化,可得误差方程式:
[0071]vij
＝a
ij
δxi+b
ij
δyi+c
ij
δz
i-a
ij
δx
j-b
ij
δy
j-c
ij
δz
j-l
ij
ꢀꢀ
(2)
[0072]
其中系数a
ij
、b
ij
、c
ij
与常数l
ij
[0073][0074][0075][0076][0077]
l
ij
表示的是第i个测量点与第j个标准点间测距值与近似值的差值；
[0078]
对测量空间内m个测量点，q个标准点应用式(3),建立误差方程并写成矩阵形式，则有：
[0079]
v＝aδx-l
ꢀꢀ
(3)
[0080]
其中v为残差向量，δx为未知参数，a为未知参数的系数矩阵，l为距离差值常量，a
t
为系数矩阵的转置矩阵；
[0081]
法方程如下：
[0082]at
paδx＝a
t
pl
ꢀꢀ
(4)
[0083]
由秩亏网平差公式，根据法方程解算各点坐标并分析误差为：
[0084][0085]
其中p为权矩阵，n为法方程系数矩阵，g为重心基准约束矩阵，δx为未知参数，q
δx
为协因数矩阵；
[0086]
将各测量点、标准点坐标每隔30min进行存储，并进行24小时长时间连续观测，当各点坐标值发生较大变化时即综合管廊产生形变。
[0087]
图四是长时间变形监测的结果图，由图四可以看出，在长时间的仿真数据中，监测点的长时间累计水平位移能够进行观测，可以满足变形监测要求。
[0088]
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的技术人员应该了解，本发明不受上述具体实施例的限制，上述具体实施例和说明书中的描述只是为了进一步说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护的范围由权利要求书及其等效物界定。

技术特征：
1.一种用于管廊变形监测的分布式mimo伪卫星系统，其特征在于，该系统包括多个mimo伪卫星基站，每个mimo伪卫星基站通过tdm方式进行发射伪卫星信号，通过对每个mimo伪卫星基站之间的相互定位实现多点的变形监测，多个mimo伪卫星基站间形成拓扑结构，综合管廊发生监测点形变时，拓扑结构改变，实现管廊的变形监测。2.根据权利要求1所述的用于管廊变形监测的分布式mimo伪卫星系统，其特征在于，每个mimo伪卫星基站包括n通道伪卫星发射模块、基带信号生成模块、n通道伪卫星接收模块、基带信号处理模块、n组共用天线；n通道伪卫星接收模块通过n组共用天线接收mimo伪卫星基站内或者其他mimo伪卫星基站的信号，解调产生n路数字中频伪卫星信号，输出至基带信号处理模块；基带信号生成模块调制产生的n路调制数字中频伪卫星信号，输出至n通道伪卫星发射模块通过n组共用天线分时播发出去。3.根据权利要求2所述的用于管廊变形监测的分布式mimo伪卫星系统，其特征在于，n通道伪卫星发射模块包括射频前端芯片中的n路发射通道；所述基带信号生成模块包括伪卫星导航电文生成模块、c/a码生成模块、中频载波生成模块、扩频码生成模块、bpsk调制模块；射频前端芯片中的n路发射通道对n路伪卫星数字中频信号进行上变频和数模转换产生n路高频模拟伪卫星信号，将n路高频模拟伪卫星信号分别输出至n组共用天线，通过控制天线开关，n组共用天线在接收到高频模拟伪卫星信号后将其播发出去，实现本基站信号的发射。4.根据权利要求2所述的用于管廊变形监测的分布式mimo伪卫星系统，其特征在于，所述n通道伪卫星接收模块包括射频前端芯片中n路接收通道，n组共用天线通过布设在不同的位置，通过控制天线开关，当接收伪卫星系统内基站其他通道的信号或者其他伪卫星基站的信号时，输出接收到的伪卫星信号到射频前端芯片；射频前端芯片在接收到高频伪卫星模拟信号后，进行下变频和模数转换，产生n路数字中频伪卫星信号输出至基带信号处理模块。5.一种用权利要求1-4之一所述用于管廊变形监测的分布式mimo伪卫星系统进行管廊变形监测的方法，该方法包括如下步骤：s1:在待监测隧道的测量空间内，每间隔距离d部署一个mimo伪卫星基站，每个mimo伪卫星基站中的多个共用天线沿着隧道的纵截面部署，每个mimo伪卫星基站选取一个共用天线点作为标准点，且选取的相邻的三个mimo伪卫星基站的标准点确保不共线，假设测量点坐标为(x
i
,y
i
,z
i
)，多个标准点的坐标为(x
j
,y
j
,z
j
)，测量点、标准点三维坐标近似值及各自的改正数分别为s2：第i个测量点对第j个标准点的测距值为s
ij
，其中测距值可由基带信号处理模块中的伪距与载波相位值确定：对式(9)进行线性化，得误差方程式：v
ij
＝a
ij
δx
i
+b
ij
δy
i
+c
ij
δz
i-a
ij
δx
j-b
ij
δy
j-c
ij
δz
j-l
ij
ꢀꢀꢀ
(2)
其中系数a
ij
、b
ij
、c
ij
与常数l
ij
通过以下公式计算获得：通过以下公式计算获得：通过以下公式计算获得：通过以下公式计算获得：l
ij
表示的是第i个测量点与第j个标准点间测距值与近似值的差值；对测量空间内m个测量点，q个标准点应用式(3),建立误差方程并写成矩阵形式，则有：v＝aδx-l
ꢀꢀ
(3)其中v为残差向量，δx为未知参数，a为未知参数的系数矩阵，l为距离差值常量，a
t
为系数矩阵的转置矩阵；法方程如下：a
t
paδx＝a
t
pl
ꢀꢀ
(4)由秩亏网平差公式，根据法方程解算各点坐标并分析误差为：其中p为权矩阵，n为法方程系数矩阵，g为重心基准约束矩阵，δx为未知参数，q
δx
为协因数矩阵；将各测量点、标准点坐标每隔30min进行存储，并进行24小时长时间连续观测，当各点坐标值发生较大变化时即综合管廊产生形变。

技术总结
本发明提出用于管廊变形监测的分布式MIMO伪卫星系统及方法，该系统包括多个MIMO伪卫星基站，每个MIMO伪卫星基站通过TDM方式进行发射伪卫星信号，通过对每个MIMO伪卫星基站之间的相互定位实现多点的变形监测，多个MIMO伪卫星基站间形成拓扑结构，综合管廊发生监测点形变时，拓扑结构改变，实现管廊的变形监测。本发明构建分布式MIMO伪卫星系统，通过在综合管廊部署伪卫星基站实现组网定位。该发明装置使得伪卫星定位系统搭建更加方便、灵活，能够对综合管廊实行变形监测。对综合管廊实行变形监测。对综合管廊实行变形监测。


技术研发人员：王庆 刘绪毅 张波 许九靖
受保护的技术使用者：东南大学
技术研发日：2023.07.12
技术公布日：2023/10/15