阅读说明：本技术 一种基于超宽带测量的边坡形变测量方法 (Side slope deformation measurement method based on ultra wide band measurement ) 是由 黄扬帆 张小松 李博 罗雅心 张灿灿 于 2019-11-28 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种基于超宽带测量的边坡形变测量方法,包括：在边坡的稳定点上设置包括至少三个参考站的参考系统,并测量参考系统中每个参考站的位置坐标；在边坡的测点上设置测量设备,并利用超宽带网络组网；计算得到测量设备与各个参考站间的数据传输时间；然后根据预设的超宽带无线载波传输速度,计算得到测量设备与各个参考站间的实时距离；根据参考站的位置坐标,以及各个参考站与测量设备间的实时距离,计算得到边坡测点实时坐标；根据所述边坡测点实时坐标判断边坡测点的形变状态,实现边坡形变测量。本发明中的边坡形变测量方法能够在传输测量设备边坡数据的同时计算测量设备的实时位置,从而能够提升边坡形变测量的效率和效果。(The invention relates to a slope deformation measuring method based on ultra wide band measurement, which comprises the following steps: setting a reference system comprising at least three reference stations on a stable point of the slope, and measuring the position coordinates of each reference station in the reference system; arranging measuring equipment on a measuring point of the side slope, and networking by using an ultra-wideband network; calculating to obtain the data transmission time between the measuring equipment and each reference station; then calculating to obtain the real-time distance between the measuring equipment and each reference station according to the preset ultra-wideband wireless carrier transmission speed; calculating to obtain real-time coordinates of the slope measuring points according to the position coordinates of the reference stations and the real-time distances between the reference stations and the measuring equipment; and judging the deformation state of the side slope measuring points according to the real-time coordinates of the side slope measuring points to realize side slope deformation measurement. The slope deformation measuring method can calculate the real-time position of the measuring equipment while transmitting the slope data of the measuring equipment, so that the efficiency and the effect of slope deformation measurement can be improved.)

一种基于超宽带测量的边坡形变测量方法

技术领域

本发明涉及边坡工程技术领域，具体涉及一种基于超宽带测量的边坡形变测量方法。

背景技术

目前，对崩塌、滑坡、泥石流等突发性地质灾害的监测预警受到越来越多的重视。地质灾害监测的主要任务为监测地质灾害时空域演变信息，最大程度的获取连续的时空变形数据，最成熟稳定的方法是通过测量位移形变量来观测和评价边坡等地质灾害体的安全稳定情况，监测方法包括地表相对位移监测、GPS/北斗卫星监测、深部位移监测、倾斜状态监测等。

例如公开号为CN109138003B的中国专利公开了一种基于对边测距的土体深层水平位移监测方法，属于深层水平位移监测领域，包括S1，在基坑周围任一P点自由安置全站仪，通过观测任意两个已知基准点C1、C2，得到自由设站点P点的坐标；S2，在监测断面上，设置各深层水平位移监测点；S3，利用全站仪观测基坑的每一个监测断面SC1上的所有监测点SC1-i，得到P点到其它基准点C1、C2和监测点SC1的水平距离和水平盘度数，计算得到基准点C2到所有监测点SC1-i的水平距离；S4，计算监测点相对于基准点的水平位移量及水平位移累积变形量；S5，计算监测点水平距离在基坑边坡方向上的分量。

上述现有方案中的土体深层水平位移监测方法也是一种边坡形变测量方法，其通过全站仪对边坡形变进行监测。全站仪虽然精度高，但是售价昂贵，成本花费太大，且全站仪是精密光学电子仪器，对恶劣条件难以应用，主机安置点也要求有较大空间；而测量边坡形变需要在户外完成，这使得对边坡形变测量的效果不好。

针对上述问题，现有技术中采用无线组网等方式将边坡测量点的若干个测量设备汇总在一个数据采集基站处，再将测量设备采集的边坡数据(倾斜角、测量边坡锚索预应力、雨量、位移等)上传至服务器，在采集边坡数据的同时，利用测量设备位置的变化测算边坡形变量。现有方案中，测量设备用于采集边坡数据，无线网络用于设备通信和边坡数据的传输，而对于测量设备的实时位置的计算在服务器中完成。这样，测量设备的数据传输，与测量设备实时位置的计算不能同步进行，且不能在同一设备或同一网络上进行，使得边坡形变测量的效率低且效果不好。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：如何提供一种能够通过数据传输时间计算测量设备实时位置的边坡形变测量方法，以在传输测量设备边坡数据的同时计算测量设备的实时位置，从而能够提升边坡形变测量的效率和效果。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

一种基于超宽带测量的边坡形变测量方法，包括以下步骤：

S1：在边坡的稳定点上设置包括至少三个以超宽带收发装置作为参考站的参考系统，并测量参考系统中每个参考站的位置坐标；

S2：在边坡的测点上设置一个超宽带收发装置作为测量设备，并利用超宽带网络对测量设备和参考系统进行组网；

S3：根据双边双向飞行时间测距法，计算得到测量设备与各个参考站间的数据传输时间；然后根据测量设备与各个参考站间的数据传输时间，以及预设的超宽带无线载波传输速度，计算得到测量设备与各个参考站间的实时距离；

S4：根据参考站的位置坐标，以及各个参考站与测量设备间的实时距离，计算得到测量设备的实时坐标作为边坡测点实时坐标；

S5：根据所述边坡测点实时坐标判断边坡测点的形变状态，实现边坡形变测量。

本方案中，首先在边坡的稳定点上设置参考系统，然后在边坡需测量的测点上设置测量设备，并将参考系统和测量设备进行组网，使得测量设备和参考系统之间能够进行数据通信；其次根据双边双向飞行时间测距法计算数据传输时间(根据数据传输时的时间戳计算数据传输时间)，再次根据数据传输时间计算测量设备与参考站之间的实时距离，最后根据参考站的位置坐标，以及各个参考站与测量设备间的实时距离，计算得到测量设备的边坡测点实时坐标(实时位置)，以能够计算边坡形变值。本方案中，在边坡数据传输的同时利用，利用数据传输时间计算测量设备的边坡测点实时坐标(实时位置)，使得测量设备边坡数据的传输和测量设备实时位置的计算能够同时进行，从而能够提升边坡形变测量的效率和效果。因此，本方案中的边坡形变测量方法能够通过数据传输时间计算测量设备的实时位置，以在传输测量设备边坡数据的同时计算测量设备的实时位置，从而能够提升边坡形变测量的效率和效果。

优选的，所述步骤S5中，根据边坡测点实时坐标和预存的该测量设备的边坡测点原始坐标，计算得到边坡形变值；然后判断边坡形变值是否大于预设的边坡形变阈值，若是，则判断边坡发生形变；若否，则判断边坡未发生形变。

这样，首先根据边坡测点实时坐标和预存的该测量设备的边坡测点原始坐标计算得到边坡形变值，然后将边坡形变值与边坡形变阈值作比较，以判断边坡是否发生形变，通过与边坡测点原始坐标的对比，能够有效的判断边坡是否发生形变，能提升边坡形变测量的效果；此外，将边坡形变阈值作为报警的判断标准，这样使用时能够根据实际需求选取合适的边坡形变阈值，以更好的完成边坡形变测量，同样能提升边坡形变测量的效果。

优选的，所述步骤S5中，根据边坡测点实时坐标和上一次计算得到测量设备的实时坐标，计算得到边坡形变值；然后判断边坡形变值是否大于预设的边坡形变阈值，若是，则判断边坡发生形变；若否，则判断边坡未发生形变。

这样，首先根据边坡测点实时坐标和上一次计算得到测量设备的实时坐标计算得到边坡形变值，然后将边坡形变值与边坡形变阈值作比较，以判断边坡是否发生形变，通过与上一次测量设备实时坐标的对比，能够有效的判断边坡是否发生形变，能提升边坡形变测量的效果；此外，将边坡形变阈值作为报警的判断标准，这样使用时能够根据实际需求选取合适的边坡形变阈值，以更好的完成边坡形变测量，同样能提升边坡形变测量的效果。

优选的，所述步骤S5中，当实现一次边坡形变测量后，会返回到步骤S3，进行下一次边坡形变测量，所述两次边坡形变测量间的时间差作为一个测量周期。

这样，测量周期式的测量方式，与连续不间断的方式相比，具有节约能耗，延长设备寿命的优点，有利于提升边坡形变测量的效果。

优选的，所述步骤S5中，若判断边坡发生形变，则发出警报；若判断边坡未发生形变，则参考系统和测量设备进入休眠状态，直至下一测量周期的边坡形变测量。

这样，能够根据边坡形变测量的结果，发出报警或控制进入休眠，具有节约能耗，延长设备寿命的效果，有利于提升边坡形变测量的效果。

优选的，所述步骤S3中，计算测量设备与参考系统中任一参考站的实时距离时，包括以下步骤：

S301：由测量设备向参考站发出第一数据包，并记录第一数据包发送时间T1；

S302：参考站接收测量设备发出的第一数据包，并记录第一数据包接收时间T2；然后参考站向测量设备发出第二数据包，并记录第二数据包发送时间T3；

S303：测量设备接收参考站发出的第二数据包，并记录第二数据包接收时间T4；然后测量设备向参考站发出第三数据包，并记录第三数据包发送时间T5；

S304：参考站接收测量设备发出的第三数据包，并记录第三数据包接收时间T6；

S305：根据第一数据包发送时间T1、第一数据包接收时间T2、第二数据包发送时间T3、第二数据包接收时间T4、第三数据包发送时间T5和第三数据包接收时间T6，计算得到数据传输时间；然后根据数据传输时间和预设的超宽带无线载波传输速度计算得到测量设备与参考站间的实时距离。

这样，通过记录数据包发送和接收的时间戳计算数据传输时间，使得能够在正常完成边坡数据传输的同时计算数据传输时间，从而能够根据超宽带无线载波传输速度计算得到测量设备与参考站间的实时距离，这样同步计算的方式有利于提升边坡形变测量的效率和效果。

优选的，所述S305中，所述数据传输时间采用如下公式计算：

式中，

为数据传输时间；T_round1＝T₄-T₁；T_round2＝T₆-T₃；T_reply1＝T₃-T₂；T_reply1＝T₃-T₂；T_reply2＝T₅-T₄。

超宽带收发装置从接收到数据包到发送数据包的过程中有一个数据处理的过程，即存在一个时间延迟，而该时间延迟与超宽带收发装置的性能(处理速度有关)有关，导致该时间延迟难以准确地计算；但是，若不对该时间延迟进行测算和消除，会使得数据传输时间的计算存在较大的误差，从而影响边坡形变测量的效果。

本方案中，采用上述公式计算时，能够对存在的时间延迟进行消除，从而能够提升边坡形变测量的效果；此外，本方案能够充分利用数据包发送和接收的时间戳，使得能够在正常完成边坡数据传输的同时计算数据传输时间，从而能够根据超宽带无线载波传输速度计算得到测量设备与参考站间的实时距离，这样同步计算的方式有利于提升边坡形变测量的效率和效果。

优选的，所述参考系统中包括三个作为参考站的超宽带收发装置，且所述三个超宽带收发装置能够在同一平面内呈三角形分布。

这样，通过三个参考站能够形成一个参考系，通过计算测量设备与参考系中参考站的实时距离，能够对测量设备的边坡位置左边进行定位，从而能准确的计算得到边坡测点实时坐标，有利于提升边坡形变测量的效果。

优选的，当测量设备与各个参考站间实时距离的计算不存在误差时，所述步骤S4中，采用以下步骤计算测量设备的实时坐标：分别以三个参考站的位置坐标为圆心，且以测量设备到相应参考站的实时距离为半径作三个圆，三个圆的交点为测量设备的实时坐标。

这样，以三个参考站的位置坐标为圆心，且以测量设备到相应参考站的实时距离为半径作三个圆，能够对测量设备的边坡位置左边进行定位，从而能准确的计算得到边坡测点实时坐标，有利于提升边坡形变测量的效果。

优选的，当测量设备与各个参考站间实时距离的计算存在误差时，所述步骤S4中，采用以下步骤计算测量设备的实时坐标时：

S401：建立位置初始方程(x_i-x)²+(y_i-y)²＝R_i ²，(i＝1,2,3)，式中，x_i为参考站位置坐标的横坐标，y_i为参考站位置坐标的纵坐标，x为测量设备实时位置的横坐标，y为测量设备实时位置的纵坐标，R_i为测量设备与参考站间的实时距离；

S402：确定三个参考站的位置坐标，分别为第一参考站位置坐标(x₁,y₁)，第二参考站位置坐标(x₂,y₂)，第三参考站位置坐标(x₃,y₃)；

S403：建立位置矩阵方程

然后将所述位置矩阵带入位置初始方程中，得到位置方程

S404：求位置方程

的最小二乘解，得到坐标方程α＝(X^TX)^-1X^Tβ；

S405：根据坐标方程α＝(X^TX)^-1X^Tβ，计算测量设备的实时坐标。

在实际边坡测量过程中，不可避免的会存在误差，例如时钟晶振本身存在的误差，或风速影响超宽带无线载波传输速度等导致的误差，使得采用三点定位法(即作三个圆找交点的方式确定测量设备的边坡测点实时坐标，去只适用于理想状态)时，三个圆不会交于一个点，从而不确定测量设备的边坡测点实时坐标。

本方案中，通过建立位置矩阵方程和求最小二乘解，能够使得差平方和最小，使得能够在三个圆未交于同一个点的情况下(测量设备与各个参考站间实时距离的计算存在误差时)，计算得到较为准确地测量设备边坡测点实时坐标，这有利于提升边坡形变测量的效果。

附图说明

为了使发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为实施例一中边坡形变测量方法的逻辑框图；

图2为实施例一中计算实时距离时的逻辑框图；

图3为实施例一中计算实时距离时的原理图；

图4为实施例二中计算测量设备边坡测点实时坐标时的逻辑框图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细的说明：

实施例一：

本实施例中公开了一种基于超宽带测量的边坡形变测量方法。

如图1所示：一种基于超宽带测量的边坡形变测量方法，包括以下步骤：

S1：在边坡的稳定点上设置包括至少三个以超宽带收发装置作为参考站的参考系统，并测量参考系统中每个参考站的位置坐标；

S2：在边坡的测点上设置一个超宽带收发装置作为测量设备，并利用超宽带网络对测量设备和参考系统进行组网；

S3：根据双边双向飞行时间测距法，计算得到测量设备与各个参考站间的数据传输时间；然后根据测量设备与各个参考站间的数据传输时间，以及预设的超宽带无线载波传输速度，计算得到测量设备与各个参考站间的实时距离；

S4：根据参考站的位置坐标，以及各个参考站与测量设备间的实时距离，计算得到测量设备的实时坐标作为边坡测点实时坐标；

S5：根据所述边坡测点实时坐标判断边坡测点的形变状态，实现边坡形变测量。

具体实施过程中，所述步骤S1中的参考系统中包括三个作为参考站的超宽带收发装置，且所述三个超宽带收发装置能够在同一平面内呈三角形分布。三个参考站的坐标分别为：第一参考站位置坐标(x₁,y₁)，第二参考站位置坐标(x₂,y₂)，第三参考站位置坐标(x₃,y₃)。

具体实施过程中，所述步骤S2中设置的测量设备与参考系统中的参考站间的距离均小于200m。

具体实施过程中，如图2和图3所示：所述步骤S3中，计算测量设备与参考系统中任一参考站的实时距离时，包括以下步骤：

S301：由测量设备向参考站发出第一数据包，并记录第一数据包发送时间T1；

S302：参考站接收测量设备发出的第一数据包，并记录第一数据包接收时间T2；然后参考站向测量设备发出第二数据包，并记录第二数据包发送时间T3；

S303：测量设备接收参考站发出的第二数据包，并记录第二数据包接收时间T4；然后测量设备向参考站发出第三数据包，并记录第三数据包发送时间T5；

S304：参考站接收测量设备发出的第三数据包，并记录第三数据包接收时间T6；

S305：根据第一数据包发送时间T1、第一数据包接收时间T2、第二数据包发送时间T3、第二数据包接收时间T4、第三数据包发送时间T5和第三数据包接收时间T6，计算得到数据传输时间；然后根据数据传输时间和预设的超宽带无线载波传输速度计算得到测量设备与参考站间的实时距离。

其中，数据传输时间采用如下公式计算：

式中，

为数据传输时间；T_round1＝T₄-T₁；T_round2＝T₆-T₃；T_reply1＝T₃-T₂；T_reply1＝T₃-T₂；T_reply2＝T₅-T₄。

其中，第一数据包为包括生成码(数据包ID)和时间戳数据的POLL包；第二数据包为包括生成码(数据包ID)和时间戳数据的Response包；第三数据包为包括生成码(数据包ID)和时间戳数据的Final包。

具体实施过程中，当测量设备与各个参考站间实时距离的计算不存在误差时，所述步骤S4中，利用三点定位法计算测量设备的边坡测点实时坐标时：即分别以三个参考站的位置坐标((x₁,y₁)，(x₂,y₂)，(x₃,y₃))为圆心，且以测量设备到相应参考站的实时距离(R₁,R₂,R₃)为半径作三个圆，三个圆的交点为测量设备的实时坐标。

具体实施过程中，所述步骤S5中，实现边坡形变测量的方法有两种：1)根据边坡测点实时坐标和预存的该测量设备的边坡测点原始坐标，计算得到边坡形变值；然后判断边坡形变值是否大于预设的边坡形变阈值，若是，则判断边坡发生形变；若否，则判断边坡未发生形变；2)根据边坡测点实时坐标和上一次计算得到测量设备的实时坐标，计算得到边坡形变值；然后判断边坡形变值是否大于预设的边坡形变阈值，若是，则判断边坡发生形变；若否，则判断边坡未发生形变。

其中，边坡形变阈值根据边坡的具体情况、岩层土层构造、透水情况等合理设定。

具体实施过程中，所述步骤S5中，当实现一次边坡形变测量后，会返回到步骤S3，进行下一次边坡形变测量，所述两次边坡形变测量间的时间差作为一个测量周期；若判断边坡发生形变，则发出警报；若判断边坡未发生形变，则参考系统和测量设备进入休眠状态，直至下一测量周期的边坡形变测量。

本实施例中，还可采用卡尔曼滤波算法对测量的数据进行滤波，因为超宽带通信速率特别快，加上卡尔曼滤波算法滤波后，可以实现精度的提高。

实施例二：

本实施例与实施例相比，不同之处仅在于本实施例中计算测量设备的边坡测点实时坐标的方法不同。

实际边坡测量过程中，不可避免的会存在误差，例如时钟晶振本身存在的误差，或风速影响超宽带无线载波传输速度等导致的误差，使得采用三点定位法(即作三个圆找交点的方式确定测量设备的边坡测点实时坐标，去只适用于理想状态)时，三个圆不会交于一个点，从而不确定测量设备的边坡测点实时坐标。

为此，如图4所示：当测量设备与各个参考站间实时距离的计算存在误差时，本方案中计算测量设备的边坡测点实时坐标时，包括以下步骤：

S401：建立位置初始方程：(x_i-x)²+(y_i-y)²＝R_i ²，(i＝1,2,3)，式中，x_i为参考站位置坐标的横坐标，y_i为参考站位置坐标的纵坐标，x为测量设备实时位置的横坐标，y为测量设备实时位置的纵坐标，R_i为测量设备与参考站间的实时距离；

S402：确定三个参考站的位置坐标，分别为第一参考站位置坐标(x₁,y₁)，第二参考站位置坐标(x₂,y₂)，第三参考站位置坐标(x₃,y₃)；

S403：建立位置矩阵方程

然后将所述位置矩阵带入位置初始方程中，得到位置方程

S404：求位置方程

的最小二乘解，得到坐标方程α＝(X^TX)^-1X^Tβ；

S405：根据坐标方程α＝(X^TX)^-1X^Tβ，计算测量设备的实时坐标。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。