一种基于无人机自组网的地表形变应急监测预警方法
阅读说明：本技术 一种基于无人机自组网的地表形变应急监测预警方法 (Surface deformation emergency monitoring and early warning method based on unmanned aerial vehicle ad hoc network ) 是由 何成龙 蔚保国 韩双林 盛传贞 陈宝林 于 2021-09-09 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于无人机自组网的地表形变应急监测预警方法,属于导航定位技术领域。其包括以下步骤：在无人机上安装应用载荷模块；在趋近于被监测区域外的场地,将一架无人机应用载荷模块开启供电；开启其它无人机供电并在无人机间建立自组网；控制其它无人机飞行并降落到待监测区域的预定位置；被监测区域的各个无人机通过自组网接收信息获取卫星导航差分定位信息；将自身的差分定位结果传送至控制站；控制站对被监测区域各个无人机的定位数据进行统计,当某架无人机的定位值偏移量超出预定门限时发出预警信息。本方法可解决非预期灾害区域的短时监测预警需要,对受灾环境的地表土石结构、人工建筑物形变实施监测预警具有重要意义。(The invention discloses an emergency monitoring and early warning method for ground surface deformation based on an unmanned aerial vehicle ad hoc network, and belongs to the technical field of navigation and positioning. Which comprises the following steps: installing an application load module on the unmanned aerial vehicle; starting a load application module of an unmanned aerial vehicle to supply power in a place approaching to the outside of a monitored area; starting other unmanned aerial vehicles to supply power and establishing an ad hoc network between the unmanned aerial vehicles; controlling other unmanned aerial vehicles to fly and land to a preset position of an area to be monitored; each unmanned aerial vehicle in the monitored area receives information through an ad hoc network to acquire satellite navigation differential positioning information; transmitting the differential positioning result of the self-body to a control station; the control station counts the positioning data of each unmanned aerial vehicle in the monitored area, and sends out early warning information when the offset of the positioning value of a certain unmanned aerial vehicle exceeds a preset threshold. The method can meet the requirement of short-time monitoring and early warning in an unexpected disaster area, and has important significance in monitoring and early warning of earth surface earth-rock structures and artificial building deformation in a disaster-affected environment.)
技术领域
本发明属于导航定位技术领域，特别是指一种基于无人机自组网的地表形变应急监测预警方法。
背景技术
地质灾害、雨雪灾害和风暴灾害对人类生命安全和生活生产带来严重威胁，特别是滑坡、雪崩、溃坝、坍塌等灾害具有突发性强、破坏力大的特征，为此需要一种能够对地表土石结构、人工建筑物的形变进行实时精准监测和预警的技术手段。当前形变监测普遍采用了在被测地表环境设立地面卫星导航差分接收机固定站，通过差分技术实现mm级定位能力，当出现微小形变位移时通过移动通信网络发出预警信息，在产生严重滑坡或建筑物损坏前创造疏散时间，已经在滑坡易发地区、大型水电堤坝等得到成功应用。但对于未能预先安装固定站的受灾环境，如发生地震灾害地区的山体、洪涝灾害中的小型水坝、绝大多数城市建筑，在受灾时需要监测时，已不具备人员现场安装条件、或移动通信中断，因此就需要一种能够在灾害现场快速布设和应用的监测预警手段。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于无人机自组网的地表形变应急监测预警方法。本方法可面向未能预先安装卫星导航差分接收机固定站、已不具备人员现场安装条件或移动通信中断的应用场景，利用无人机平台、通信自组网和超宽带测距实现地表土石结构、人工建筑物形变的实时监控和预警。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于无人机自组网的地表形变应急监测预警方法，包括以下步骤：
（1）在无人机上安装应用载荷模块，模块内包括卫星导航差分接收单元、超宽带测距单元、移动通信自组网单元、数据处理单元、电源单元以及有线数据接口；其中，卫星导航差分接收单元用于接收卫星导航信号、星基和地面差分信息，并利用差分信息实现载波差分定位和生成本地差分信息；超宽带测距单元通过三向测量过程实现无人机间无线测距；移动通信自组网单元用于在全部无人机间建立通信网络，实现控制站和无人机间的通信交互；数据处理单元用于实现自组网构建、通信内容控制、各单元上电和休眠控制、人机控制交互；电源单元用于为各模块供电，电源来源包括载荷自带电池和无人机电池；有线数据接口用于无人机和控制站之间的数据通信；
（2）在趋近于被监测区域外的开阔场地，将一架无人机的应用载荷模块1开启供电，并将其静止放置、降落在预定位置或空中悬停，并通过有线数据接口或无线通信链路与控制站连接，通过控制站软件观测其是否完成差分定位并生成本地差分数据；
（3）应用载荷模块1完成定位并生成本地差分数据后，开启其它无人机供电，并开始在全部无人机间建立自组网，通过控制站观测所有无人机的应用载荷模块是否完成组网；
（4）完成组网后，除搭载应用载荷模块1的无人机外，控制其它无人机飞行并降落到待监测区域的预定位置，使所有无人机与地面稳定贴合，设定的预定位置和降落控制应保障各个无人机处在自组网中；
（5）被监测区域的各个无人机通过自组网接收应用载荷模块1发播的本地差分信息，并基于自身定位所用的导航卫星检测与应用载荷模块1的共视卫星数：若共视卫星数不低于6个，则通过应用载荷模块1发播的本地差分信息实现定位；若共视卫星数低于6个，则开启唤醒本地超宽带测距单元，并通过自组网发播需求并由邻近可保障视距测量的无人机开启唤醒其超宽带测距单元，和临近无人机间通过三向测量方式获取测距信息；
（6）被监测区域的各个无人机通过自组网将自身的差分定位结果或超宽带测距信息汇总传送至应用载荷模块1，进而传送给控制站；
（7）控制站通过对被监测区域各个无人机的定位或测距数据进行实时统计监测，当某架无人机的定位值的或测距值的偏移量超出预定门限时发出预警信息，表明无人机所处被监测区域的相应点位出现严重形变。
本发明与现有技术相比所取得的有益效果为：
1、可解决非预期灾害区域的短时监测预警需要。
由于许多发生严重灾害的地区在历史上并非是灾害易发区域，因此未能预先安装地面固定、长期应用的差分监测站点，本发明通过无人机搭载刚性连接的载荷着降在预定区域并实施监测预警，无需地面设施建设周期，具有快速布设应用的优势，能够满足绝大多数室外环境下短时监测预警需要。
2、可解决人员难以到达、移动通信缺失场景的监测预警需要。
通过无人机布设，无人机着降后即可应用，可实现高危环境或人员难以到达的应用需要；同时依托无人机通信自组网完成监测信息的传递，不依赖于通信基础设施，可适用于相应的灾情复杂场景。
总之，本发明针对灾害条件下对地表土石结构、人工建筑物的形变进行快速、实时精准监测和预警的需求，设计了一种基于无人机自组网的地表形变应急监测预警方法。其通过无人机携带可接收星基或地面差分数据的接收机，一架作为基准站，其余飞行并降落到需要监测的位置，无人机间基于卫导信号共视状况利用超宽带实现部分无人机间的测距，所有无人机构成通信自组网并将卫导差分定位和测距信息传递至控制站，根据各节点信息判别形变状态并作出预警。
附图说明
图1是本发明实施例中地表形变应急监测预警方法的应用示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。
一种基于无人机自组网的地表形变应急监测预警方法，包括以下步骤：
（1）在无人机上安装应用载荷模块，模块内包括卫星导航差分接收单元、超宽带测距单元、移动通信自组网单元、数据处理单元、电源单元以及有线数据接口。其中卫星导航差分接收单元可接收卫星导航信号、星基和地面差分信息，并能利用差分信息实现载波差分定位和生成本地差分信息；超宽带测距单元可通过三向测量过程实现无人机间无线测距；移动通信自组网单元用于在全部无人机间建立通信网络，实现控制站和无人机间的通信交互；数据处理单元用于实现自组网构建、通信内容控制、各单元上电和休眠控制、人机控制交互；电源单元用于为在和模块供电，电源来源包括载荷自带电池和无人机电池；有线数据接口用于无人机和控制站数据通信；
（2）在趋近于被监测区域外的开阔场地，将一架无人机应用载荷模块（称为模块1）开启供电，并将其静止放置、降落在预定位置或空中悬停，并通过有线数据接口或无线通信链路与控制站连接，通过控制站软件观测其是否完成差分定位并生成本地差分数据；
（3）模块1完成定位并生成本地差分数据后，开启其它n-1个无人机供电并开始在全部无人机间建立自组网，在此将其它无人机的应用载荷模块称为模块2~模块n，通过控制站观测n个模块是否完成组网；
（4）完成组网后，除搭载模块1的无人机外，控制其它无人机飞行并降落到待监测区域的预定位置，使所有无人机与地面稳定贴合，设定的预定位置和降落控制应保障各个无人机处在自组网中；
（5）被监测区域的各个无人机通过自组网接收模块1发播的本地差分信息，并基于自身定位所用的导航卫星检测与模块1的共视卫星数：若不低于6个则通过模块1发播的本地差分信息实现定位；若低于6个，则开启唤醒本地超宽带测距单元，并通过自组网发播需求并由邻近可保障视距测量的无人机开启唤醒其超宽带测距单元，和临近无人机间通过三向测量方式获取测距信息；
（6）被监测区域的各个无人机通过自组网将自身的差分定位结果或超宽带测距信息汇总传送至模块1，进而传送给控制站；
（7）控制站通过对被监测区域各个无人机的定位或测距数据进行实时统计监测，当某架无人机的定位值的或测距值的偏移量超出预定门限时发出预警信息，表明无人机所处被监测区域的相应点位出现严重形变。
进一步的，所述控制站是指能够与应用载荷模块通信、安装有监测预警软件的设备，其形态包括但不限于计算机、手持设备、机架设备、手机及平板等。
图1为一种基于无人机自组网的地表形变应急监测预警方法应用示意图。本方法可面向未能预先安装卫星导航差分接收机固定站、已不具备人员现场安装条件或移动通信中断的应用场景，利用无人机平台、通信自组网和超宽带测距实现地表土石结构、人工建筑物形变的实时监控和预警。这里以震区对山体滑坡进行监测预警为例，详细描述实现步骤：
（1）在无人机上安装应用载荷模块，模块内包括卫星导航差分接收单元、超宽带测距单元、移动通信自组网单元、数据处理单元、电源单元以及有线数据接口。其中卫星导航差分接收单元可接收卫星导航信号、星基和地面差分信息，并能利用差分信息实现载波差分定位和生成本地差分信息；超宽带测距单元可通过三向测量过程实现无人机间无线测距；移动通信自组网单元用于在全部无人机间建立通信网络，实现控制站和无人机间的通信交互；数据处理单元用于实现自组网构建、通信内容控制、各单元上电和休眠控制、人机控制交互；电源单元用于为在和模块供电，电源来源包括载荷自带电池和无人机电池；有线数据接口用于无人机和控制站数据通信；
（2）在趋近于被监测山体的开阔场地，开阔场地需保障不在潜在的山体滑坡范围内，将一架无人机应用载荷模块（称为模块1）开启供电，并将其静止放置、降落在预定位置或空中悬停，并通过有线数据接口或无线通信链路与控制站连接，通过控制站软件观测其是否完成差分定位并生成本地差分数据；
（3）模块1完成定位并生成本地差分数据后，开启其它n-1个无人机供电并开始在全部无人机间建立自组网，在此将其它无人机的应用载荷模块称为模块2~模块n，通过控制站观测n个模块是否完成组网；
（4）完成组网后，除搭载模块1的无人机外，控制其它无人机飞行并降落到山体潜在滑坡区域的预定监测位置，使所有无人机与地面稳定贴合，设定的预定位置和降落控制应保障各个无人机处在自组网中；
（5）处于潜在滑坡区域的各个无人机通过自组网接收模块1发播的本地差分信息，并基于自身定位所用的导航卫星检测与模块1的共视卫星数：若不低于6个则通过模块1发播的本地差分信息实现定位；若低于6个，则开启唤醒本地超宽带测距单元，并通过自组网发播需求并由邻近可保障视距测量的无人机开启唤醒其超宽带测距单元，和临近无人机间通过三向测量方式获取测距信息；
（6）潜在滑坡区域的各个无人机通过自组网将自身的差分定位结果或超宽带测距信息汇总传送至模块1，进而传送给控制站；
（7）控制站通过对潜在滑坡区域各个无人机的定位或测距数据进行实时统计监测，重点关注各无人机回传定位信息与模块1间相对定位值的变化、回传定位信息间的相对差值变化、超宽带测距值的统计均值和方差等参量，当超出预定门限时发出预警信息，表明无人机所处潜在滑坡区域的相应点位出现严重形变、存在滑坡风险。
总之，本发明可解决非预期灾害区域的短时监测预警需要、可解决人员难以到达、移动通信缺失场景的监测预警需要。
本方法可面向未能预先安装卫星导航差分接收机固定站、已不具备人员现场安装条件或移动通信中断的应用场景，利用无人机平台、通信自组网和超宽带测距实现地表土石结构、人工建筑物形变的实时监控和预警。
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