基于高精度北斗定位的地質(zhì)沉降監(jiān)測＊※

吳煥瑯

（福建三元達通訊股份有限公司，福州350000）

引 言

地質(zhì)環(huán)境自身的不穩(wěn)定性，如暗流、地下水造成的流沙等因素給環(huán)境帶來了嚴重破壞，修建水電站、高速公路、高速鐵路或切坡建樓等人類工程活動，也誘發(fā)了一定程度的地質(zhì)災(zāi)害。我國乃至全球地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，造成直接或間接的損失巨大，其經(jīng)濟和社會損害面呈上升趨勢，而科學有效預(yù)報技術(shù)的相對缺失，導致預(yù)防和控制工作的開展相對滯后。這就需要科學、先進、有效的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)。

由于北斗具有定位快、全天候、自動化、測站間無需通視、同時測定三維坐標、測量精度高等特點［1]，是普通人工借助光學儀器測量地質(zhì)沉降的技術(shù)無法比擬的，高精度北斗監(jiān)測地質(zhì)沉降技術(shù)具有很強的先進性和實用性。

1 北斗地質(zhì)沉降監(jiān)測實現(xiàn)方法

北斗連續(xù)運行參考站網(wǎng)（Continuously Operating Reference Stations，CORS）是由若干個固定的、連續(xù)運行的北斗參考站，利用現(xiàn)代計算機、數(shù)據(jù)通信和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)組成的網(wǎng)站，實時地向不同類型、不同需求、不同層次的用戶自動地提供北斗衛(wèi)星觀測值，如載波相位、偽距、各種改正數(shù)、狀態(tài)信息，以及其他有關(guān)北斗服務(wù)項目的系統(tǒng)［2]。

北斗CORS地質(zhì)沉降監(jiān)測方法是利用CORS連續(xù)運行衛(wèi)星定位參考站技術(shù)，采用雙差解算模式，在優(yōu)化載波相位差分數(shù)據(jù)處理方法的基礎(chǔ)上，同時處理基準站和監(jiān)測站載波相位等數(shù)據(jù)，得到精確的監(jiān)測點相對于基準點的形變量［3]，達到地質(zhì)沉降形變監(jiān)測目的。

基于CORS網(wǎng)絡(luò)誤差改正與模糊度實時解算的北斗CORS地質(zhì)沉降監(jiān)測參數(shù)估計方程如下［4]：

其中，λ為載波相位波長；φ為載波相位觀測值；N為整周模糊度；ρ為站星間幾何距離；M為多路徑效應(yīng)誤差；ε為接收機噪聲；i、j為衛(wèi)星標號；r、u分別為虛擬參考站所對應(yīng)的主參考站以及移動站標號。

δρ＝－I＋T＋O，為CORS網(wǎng)絡(luò)誤差模型改正值，包含載波相位觀測值所對應(yīng)的綜合距離相關(guān)誤差。其中，I為電離層延遲，T為對流層延遲誤差，O為衛(wèi)星軌道誤差。

由于新方法是利用CORS網(wǎng)絡(luò)誤差改正模型確定改正參數(shù)Δ▽，其不僅適用于1km以內(nèi)的短基線，且可有效減弱1km以上中距離定位中基線距離相關(guān)誤差Δ▽影響，即使是中長距離基線也可采用式（1）所描述的基線解算模型進行處理和模糊度固定。該方法的實時誤差改正模型由電離層NLIM線性內(nèi)插模型、對流層全球先驗?zāi)Ｐ透恼?、軌道誤差精密星歷改正三種誤差改正模型組成，采用該方法進行多站融合解算可以得到各監(jiān)測站相對于基準站精確三維位置變化值，從而進行精密地質(zhì)沉降形變監(jiān)測。

地質(zhì)沉降監(jiān)測要求定位精度很高，一般選用雙頻（B1、B2）高精度北斗衛(wèi)星接收機，雙頻高精度北斗衛(wèi)星接收機可以同時接收B1、B2載波的信號，利用兩頻率對電離層延遲影響的不一樣，可消除電離層對電磁波延遲的影響。對于所有的北斗衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)而言，電離層的誤差都是固有的，結(jié)合兩個頻率的衛(wèi)星觀測信息，建立模型可以有效地消除這種誤差［5]。高精度北斗衛(wèi)星接收機不僅可以輸出偽距等信息，還可以輸出高精度定位解算需要的載波相位等數(shù)據(jù)，很適合橋梁形變監(jiān)測、地質(zhì)沉降監(jiān)測等高精度測量。

2 北斗衛(wèi)星接收機的工作原理

模擬前端作為衛(wèi)星導航接收機非常重要的一個組成部分，包含RF部分和基帶部分，具體由低噪聲放大器、下變頻器、帶通濾波器及模數(shù)轉(zhuǎn)換器等模塊組成［6]。目前的技術(shù)水平已經(jīng)可以把這部分電路集成在一個IC里，實現(xiàn)了模擬前端小型化、低成本和低功耗。北斗衛(wèi)星接收機的原理框圖如圖1所示。

數(shù)字處理通道及其后續(xù)的星歷計算、用戶位置解算等步驟可以采用FPGA或DSP來完成，也可以采用FPGA＋DSP方式完成，整個系統(tǒng)的控制使用ARM7MCU即可完成。數(shù)字處理通道原理框圖如圖2所示。

圖2 數(shù)字處理通道原理框圖

3 北斗地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計

北斗監(jiān)測系統(tǒng)由基準站、監(jiān)測站、通信網(wǎng)絡(luò)、計算機服務(wù)器、管理平臺及相關(guān)軟件組成。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖略——編者注。

3.1 地質(zhì)沉降主要監(jiān)測內(nèi)容

3.1.1 位移監(jiān)測

位移監(jiān)測地質(zhì)沉降區(qū)域位移量、位移變形速度、滑體活動范圍。地質(zhì)沉降區(qū)位移監(jiān)測由地表位移監(jiān)測和深部位移監(jiān)測兩部分組成。

地表位移監(jiān)測包含平面位移量監(jiān)測和垂直方向（即高程）的位移量監(jiān)測。觀測方法很多，可根據(jù)具體情況因地制宜地使用觀測方法。采用高精度北斗衛(wèi)星接收機監(jiān)測位移方法最為妥當，一臺北斗接收機可以同時完成水平位移和垂直位移采集。

深部位移監(jiān)測方法主要有測斜儀法、放射線同位素法、電阻絲法等，目前較為適用的是測斜儀法。

3.1.2 地下水監(jiān)測

掌握地下水在不同氣候條件下的活動規(guī)律，分析地下水對地質(zhì)沉降的影響程度，為地質(zhì)沉降及滑坡預(yù)報提供可靠的資料和信息，需要對地下水位、水量進行監(jiān)測。

3.2 沉降監(jiān)測基準站的選取

基準站是整個監(jiān)測系統(tǒng)的基準參考，如圖3所示，基準站上設(shè)立高精度北斗接收機采集衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)。基準站需建在穩(wěn)定的基巖上，一方面要求該點的周邊無明顯的遮擋物體，確保衛(wèi)星信號的覆蓋面，另一方面要求遠離大型變電站、高壓線、大功率無線基站等干擾源。

基準站具備如下功能：

①基準站設(shè)計為無人值守型。

圖3 基準站

②基準站北斗／GPS接收機實時向數(shù)據(jù)處理中心發(fā)送載波相位、偽距等數(shù)據(jù)。

③斷電情況下，基準站能夠依靠自身的后備電源正常工作12小時以上，保存北斗／GPS數(shù)據(jù)，向控制中心和有關(guān)單位報警。

基準站址選擇：

①需要建設(shè)在已知地理坐標上；

②站點必須建設(shè)在穩(wěn)固的地段上；

③站點要求觀測環(huán)境條件好，不易被周邊大型高聳的建筑物或植物遮擋；

④要求設(shè)備供電正常、通信網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定。

3.3 地質(zhì)沉降監(jiān)測站的設(shè)計

在整個區(qū)域形變特征點上布設(shè)地質(zhì)沉降監(jiān)測點，每個地質(zhì)沉降點安裝高精度北斗衛(wèi)星接收機觀測監(jiān)測點水平和高程的形變情況，以此反映整個區(qū)域的形變。沉降區(qū)域監(jiān)測點分布圖如圖4所示。監(jiān)測站圖略——編者注。

圖4 沉降區(qū)域監(jiān)測點分布圖

監(jiān)測站點選擇：

①建設(shè)在地質(zhì)錯層、位移比較明顯的地段上；

②選擇觀測環(huán)境條件良好的位置建設(shè)觀測墩；

③遠離干擾源，要求供電、網(wǎng)絡(luò)傳輸性能穩(wěn)定；

④監(jiān)測站的觀測墩高一般為1.5～1.7m，盡量避免多路徑反射和建筑物遮擋影響。

4 通信網(wǎng)絡(luò)選擇分析

通信網(wǎng)絡(luò)是連接基準站、監(jiān)測站到數(shù)據(jù)處理中心，以及數(shù)據(jù)處理中心到遠程監(jiān)控中心的通信鏈路。

北斗地質(zhì)沉降監(jiān)測系統(tǒng)的通信方式有無線藍牙、無線WiFi、ZigBee、無線2G（GPRS）／3G、有線光纖等多種通信方式的組合，根據(jù)具體情況選用。

從地質(zhì)沉降區(qū)域監(jiān)測點分布圖看出，監(jiān)測點之間的距離較近，監(jiān)測點分布在田壟間，植被豐富，樹木比較茂盛，采用有線傳輸方式的施工難度更大，采用無線覆蓋傳輸方式比較合適。北斗衛(wèi)星數(shù)據(jù)量相對較大，監(jiān)測站離基準站以及數(shù)據(jù)處理中心又都比較遠，綜合各種通信手段特點，這里采用了CPE＋無線基站＋網(wǎng)橋的通信方式。

系統(tǒng)通信方式采用兩級無線傳輸技術(shù)方案，如圖5所示，監(jiān)測中心與中轉(zhuǎn)點之間通過網(wǎng)橋建立無線傳輸鏈路，通過5.8G進行傳輸可以減少干擾提高效率；中轉(zhuǎn)點處利用基站對監(jiān)測點區(qū)域進行2.4G無線覆蓋，監(jiān)測點通過CPE連接基站的無線信號接入。

圖5 通信網(wǎng)絡(luò)

4.1 CPE介紹

CPE產(chǎn)品特點：

①支持IEEE 802.11n標準，2X2MIMO定向天線架構(gòu)，接入速率高達300Mbps；

②支持無線轉(zhuǎn)有線。

CPE外觀圖如圖6所示。

圖6 CPE外觀圖

4.2 網(wǎng)橋介紹

網(wǎng)橋產(chǎn)品特點：

①基于802.11n標準，支持數(shù)據(jù)速率高達300Mbps。

②支持傳輸距離超過8km（視距）。

③可通過AC集中管理，支持標準SNMP、Web管理界面等。

④支持WEP、TKIP和AES加密技術(shù)，保證用戶數(shù)據(jù)的安全傳輸。

無線網(wǎng)橋外觀圖略——編者注。

4.3 基站介紹

選用的基站是高速無線網(wǎng)絡(luò)的增強型11n室外基站產(chǎn)品，采用802.11n協(xié)議，可同時工作在2.4GHz和5.8 GHz雙頻段，單射頻可以提供高達300Mbps的接入速率，單基站可以提供600Mbps的接入速率?；就庥^圖、接口圖如圖7、圖8所示。

圖7 基站外觀圖

圖8 基站接口圖

結(jié) 語

地質(zhì)沉降監(jiān)測實際上是一種管理，包括信息采集、處理、結(jié)論的得出、啟動預(yù)警、信息的反饋等功能。隨著科學技術(shù)的發(fā)展、管理水平的提高及人們觀念的轉(zhuǎn)變，人工監(jiān)測地質(zhì)沉降監(jiān)測將成為歷史，具有全天候、全自動、24小時連續(xù)作業(yè)的北斗監(jiān)測地質(zhì)沉降系統(tǒng)將被更加廣泛的應(yīng)用。

編者注：本文為期刊縮略版，全文見本刊網(wǎng)站www.mesnet.com.cn。

［1] 李黎.GPS技術(shù)在變形監(jiān)測中的應(yīng)用及發(fā)展趨勢［J] .勘測科學技術(shù)，2012（2）.

［2] 王軍見.基于CORS的地質(zhì)信息連續(xù)采集運行系統(tǒng)的設(shè)計［J] .科學技術(shù)與工程，2008（15）.

［3] 丁俊杰，胡昌華.連續(xù)運行基準站系統(tǒng)CORS綜述［J] .黃河規(guī)劃設(shè)計，2008（4）.

［4] 李成鋼.GPS CORS精密區(qū)域地表位移動態(tài)監(jiān)測技術(shù)研究［J] .測繪通報，2010（5）.

［5] 王文貫.單、雙頻GPS數(shù)據(jù)聯(lián)合處理基線分析［J] .水利規(guī)劃與設(shè)計，2010（4）.

［6] 應(yīng)世君，鄒緒平，劉衛(wèi)，等.基于北斗二代系統(tǒng)的嵌入式船用導航儀硬件設(shè)計［J] .現(xiàn)代電子世界，2012（9）.