基于北斗的高精度滑坡監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

楊開偉，李娟娟

(1.衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與裝備技術(shù)國家重點實驗室，河北 石家莊 050081；2.河北省衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)與裝備工程技術(shù)研究中心，河北 石家莊 050081)

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基于北斗的高精度滑坡監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

楊開偉1,2，李娟娟1,2

(1.衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與裝備技術(shù)國家重點實驗室，河北 石家莊 050081；2.河北省衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)與裝備工程技術(shù)研究中心，河北 石家莊 050081)

摘要為了實現(xiàn)高精度滑坡監(jiān)測，對基于北斗的高精度滑坡監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計，介紹了系統(tǒng)的設(shè)備組成與工作原理，并根據(jù)工程經(jīng)驗提出系統(tǒng)建設(shè)實施方案。在對高精度實時處理和靜態(tài)基線解算算法進(jìn)行理論闡述的基礎(chǔ)上，通過軟件研發(fā)、原型系統(tǒng)搭建、測試試驗以及數(shù)據(jù)處理與分析等，對系統(tǒng)的功能與性能進(jìn)行測試驗證。經(jīng)試驗證明，基于北斗進(jìn)行高精度滑坡監(jiān)測可行，且其監(jiān)測精度較高，完全滿足滑坡監(jiān)測的需求。

關(guān)鍵詞北斗導(dǎo)航系統(tǒng)；高精度；RTK；基線解算；滑坡監(jiān)測

0引言

滑坡災(zāi)害輕則造成大量經(jīng)濟(jì)損失，重則造成人民生命受到嚴(yán)重威脅，因此地質(zhì)滑坡監(jiān)測預(yù)警、滑坡防治工作已勢在必行。據(jù)國土資源部通報，每年全國發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害中，滑坡地質(zhì)災(zāi)害占60%～70%的比重，可見，滑坡是最主要的地質(zhì)災(zāi)害類型，在地質(zhì)災(zāi)害防治方面至關(guān)重要。

基于全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)技術(shù)的滑坡監(jiān)測理論與方法，是當(dāng)前廣泛采用的滑坡監(jiān)測新方法、新技術(shù)之一。GNSS定位技術(shù)相比于傳統(tǒng)的測繪作業(yè)方法與模式有著顯著的特點和優(yōu)越性，其優(yōu)越的性能及廣泛的適用性，是常規(guī)測量作業(yè)難以比擬的。GNSS以其全天候、高精度、高效率和實時動態(tài)等優(yōu)點，成為當(dāng)今極為重要的監(jiān)測手段之一。

如今，自主研制的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)正式運行并提供服務(wù)，北斗高精度接收機(jī)研制技術(shù)也取得很大發(fā)展。在這種背景下，北斗高精度定位技術(shù)在各個行業(yè)和領(lǐng)域的應(yīng)用也得到了大大的擴(kuò)展。在滑坡監(jiān)測方面，北斗高精度監(jiān)測也得到了一定的應(yīng)用。

本文將根據(jù)滑坡監(jiān)測的實際應(yīng)用需求、監(jiān)測模式以及精度要求，對高精度監(jiān)測理論算法進(jìn)行深入研究，研制實現(xiàn)實時和事后處理2種監(jiān)測處理模式，并通過測試實驗對不同模式的算法進(jìn)行驗證。

1系統(tǒng)組成與工作原理

1.1系統(tǒng)組成

基于北斗的高精度滑坡監(jiān)測系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)及輔助支持子系統(tǒng)組成。系統(tǒng)體系架構(gòu)如圖1所示。

圖1　基于北斗的高精度滑坡監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)

數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)主要實現(xiàn)北斗導(dǎo)航信號接收與觀測數(shù)據(jù)采集功能，包括GNSS天線、北斗接收機(jī)和觀測墩等設(shè)備。

數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)將采集的北斗觀測數(shù)據(jù)上報給數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)，同時將數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)的監(jiān)控指令發(fā)送給北斗接收機(jī)。

數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)主要完成數(shù)據(jù)處理與系統(tǒng)監(jiān)控功能。數(shù)據(jù)處理包括實時處理和事后處理2種方式：通過實時數(shù)據(jù)處理，得到cm級的滑坡監(jiān)測結(jié)果，并自動進(jìn)行系統(tǒng)監(jiān)控；事后處理能夠得到mm級的滑坡監(jiān)測結(jié)果。

輔助支持子系統(tǒng)主要包括供電、避雷等設(shè)備，滿足在野外惡劣條件下系統(tǒng)建設(shè)。

基于北斗的高精度滑坡監(jiān)測系統(tǒng)的典型建設(shè)與實施如圖2所示。數(shù)據(jù)采集終端采用太陽能供電，并采取保護(hù)措施，建設(shè)在簡易觀測墩上；通信鏈路采用無線方式(3G或網(wǎng)橋等)實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信[1]；數(shù)據(jù)處理與監(jiān)控系統(tǒng)安裝在室內(nèi)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析與監(jiān)控。

圖2　基于北斗的高精度滑坡監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)實施

1.2工作原理

基于北斗的高精度滑坡監(jiān)測系統(tǒng)的工作原理為：2臺高精度北斗接收機(jī)進(jìn)行連續(xù)觀測采集北斗觀測數(shù)據(jù)，通過通信鏈路將觀測數(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)；數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理軟件實時接收各個接收機(jī)采集上報的北斗高精度觀測數(shù)據(jù)，并根據(jù)配置好的處理模式和參數(shù)進(jìn)行實時處理，生成實時監(jiān)測結(jié)果，并發(fā)送給系統(tǒng)監(jiān)控計算機(jī)；系統(tǒng)監(jiān)控計算機(jī)實時顯示監(jiān)測結(jié)果和系統(tǒng)運行狀態(tài)，將收到的監(jiān)測處理結(jié)果進(jìn)行判斷，如果結(jié)果異常則進(jìn)行告警。

事后處理模式與實時處理模式類似，區(qū)別在于實時模式處理的是實時上報的觀測數(shù)據(jù)，而事后模式處理的是按照固定格式存儲的觀測數(shù)據(jù)文件。

2數(shù)據(jù)處理算法

(1)

在站間單差的基礎(chǔ)上再求星間單差，便得到雙差觀測值為[3]：

(2)

(3)

將式(3)代入雙差組合方程式(2)中，并顧及T1和T2兩測站同步觀測j和k兩顆衛(wèi)星，在忽略大氣折射殘差影響的情況下，雙差觀測方程為[4]：

(4)

式中，

Δ▽Njk=ΔNk-ΔNj。

可以看出衛(wèi)星鐘差和接收機(jī)鐘差也已經(jīng)被消除，這是雙差模型的重要優(yōu)點。

若取測站T1為已知參考點，則在雙差觀測方程中，除了測站T2的位置為待定參數(shù)之外，還包含有整周模糊度參數(shù)項Δ▽Njk。通常在構(gòu)成雙差觀測時，除了取一個測站為參考點外，同時也要取一顆觀測衛(wèi)星為參考星[5]。

如果要實現(xiàn)單歷元解算(或進(jìn)行實時動態(tài)定位)，則必須先解算出整周模糊度，這個過程就是RTK初始化過程。

2.1RTK解算

載波相位動態(tài)相對定位(RTK)的數(shù)學(xué)模型(雙差觀測方程)為[6]：

(5)

式中，

(6)

由于流動站的位置是不斷變化的，所以RTK一般采用一個歷元的觀測值。若以Nr和Ns表示包括參考站在內(nèi)的測站總數(shù)和同步觀測的衛(wèi)星數(shù)，則一個歷元的雙差觀測方程的未知數(shù)個數(shù)和觀測方程個數(shù)分別為[2]：

未知數(shù)個數(shù)=3(Nr-1)+(Ns-1)(Nr-1)，

單歷元雙差觀測值數(shù)=(Ns-1)(Nr-1)。

可見，單歷元解算的條件無法滿足，由于整周模糊度在信號鎖定的情況下是保持不變的，一旦初始化完成，則在每個歷元就只有3(Nr-1)個未知數(shù)，則可解的條件變?yōu)椋?/p>

(Ns-1)(Nr-1)≥3(Nr-1)，

或

Ns≥4。

只要同步觀測的衛(wèi)星數(shù)大于4顆，就可以進(jìn)行RTK定位解算。定位過程中一旦發(fā)生失鎖，則要重新進(jìn)行初始化。

2.2靜態(tài)基線解算

若兩測站同步觀測衛(wèi)星為Sj和Sk，設(shè)Sj為參考衛(wèi)星，則可得雙差觀測方程的線性化形式[7]，即：

(7)

式中，

Δ▽φk(t)=▽φk(t)-▽φj(t)，

Δ▽Nk=ΔNk-ΔNj。

令

(8)

則可改寫為如下誤差方程式的形式[8]，即：

Δ▽Nk+Δ▽uk(t)。

(9)

當(dāng)兩測站同步觀測的衛(wèi)星數(shù)為ns時，可得誤差方程組如下[9]，即：

(10)

式中，

δX2=[δX2δY2δZ2]T，

如果在基線的兩端，對同一組衛(wèi)星觀測的歷元數(shù)為nt，那么相應(yīng)的誤差方程組由上式可得[10]：

(11)

式中，

相應(yīng)的法方程及其解，可表示為[11]：

NΔY+W=0，

(12)

ΔY=-N-1W。

(13)

式中，

N=(AB)TP(AB)，

W=(AB)TPL。

3測試結(jié)果分析

為了測試滑坡監(jiān)測系統(tǒng)的功能與性能，使用北斗高精度接收機(jī)進(jìn)行了大量的試驗，包括RTK實時動態(tài)測試與靜態(tài)基線測試，2組試驗均在事先高精度標(biāo)定的基線場內(nèi)進(jìn)行。2臺北斗接收機(jī)分別架設(shè)在基準(zhǔn)點觀測墩上，數(shù)據(jù)采樣率為1 s，基線長度為5.760 m，試驗持續(xù)時間為2 h。

3.1實時動態(tài)監(jiān)測

將2臺北斗接收機(jī)采集的觀測數(shù)據(jù)導(dǎo)出，用高精度數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行RTK單歷元解算，解算結(jié)果如圖3和表1所示。

圖3　北斗動態(tài)RTK測試結(jié)果

方向真值/m精度/m(RMS)dX-0.8650.003dY3.8070.001dZ-4.2350.003L5.7600.003

由圖3可知，用北斗滑坡監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行實時處理監(jiān)測，當(dāng)基線為6 m左右時，其X、Y和Z三個方向的精度都達(dá)到mm級，基線長度監(jiān)測精度也達(dá)到mm級。隨著基線長度的增加，當(dāng)基線長度為2 km以上時，精度會有所下降，可能會達(dá)到cm級。

3.2事后處理監(jiān)測

將2臺北斗接收機(jī)采集的觀測數(shù)據(jù)導(dǎo)出，用自研的高精度數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行靜態(tài)基線解算，解算結(jié)果如圖4所示。

圖4　北斗靜態(tài)基線解算結(jié)果

由圖4可見，靜態(tài)基線后處理解算結(jié)果(5.760 9 m)與真值(5.760 m)相差0.000 9 m，絕對精度優(yōu)于1 mm，其統(tǒng)計精度為0.000 170 9，達(dá)到亞毫米級。靜態(tài)基線后處理精度比實時RTK處理精度高，當(dāng)基線長度較長時，可以采用實時監(jiān)測處理和事后基線處理2種方式，以提高系統(tǒng)的可靠性和準(zhǔn)確度。

3.3結(jié)論

通過系統(tǒng)原型搭建與試驗數(shù)據(jù)分析，可以得到以下結(jié)論：

① 用滑坡監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行實時監(jiān)測處理時，處理精度可以達(dá)到cm級(短基線)甚至mm級(超短基線)；

② 利用事后靜態(tài)基線進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的方式，處理精度可以達(dá)到mm級甚至亞毫米級；

③ 實時處理模式精度比事后處理模式低一個量級，但是具有實時性好、監(jiān)測內(nèi)容直觀的優(yōu)點；

④ 根據(jù)不同的監(jiān)測環(huán)境可以選擇不同的處理模式(實時處理模式或事后處理模式)，但采用2種模式相結(jié)合的模式能夠提高系統(tǒng)的可靠性和準(zhǔn)確度。

4結(jié)束語

本文對基于北斗的高精度滑坡監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計，并結(jié)合工程實際給出了系統(tǒng)的建設(shè)實施方案。在對高精度數(shù)據(jù)處理算法進(jìn)行理論闡述的基礎(chǔ)上研發(fā)出實時和事后高精度數(shù)據(jù)處理軟件，并分別進(jìn)行不同的測試試驗對系統(tǒng)性能進(jìn)行測試。由試驗數(shù)據(jù)及處理結(jié)果證明，本文提出的滑坡監(jiān)測系統(tǒng)及其數(shù)據(jù)處理方法能夠有效對滑坡進(jìn)行監(jiān)測評估，并且可以根據(jù)實際情況選擇不同的處理模式，具有高精度、靈活性等特點。

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doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2016.07.10

收稿日期：2016-04-20

基金項目：國家國際科技合作專項基金資助項目(2013DFA10540)；地理信息國家重點實驗室開放基金資助項目(SKLGIE2014-M-2-4)。

中圖分類號TP391.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

文章編號1003-3106(2016)07-0038-04

作者簡介

楊開偉男，(1984—)，碩士，工程師。主要研究方向：衛(wèi)星導(dǎo)航數(shù)據(jù)處理。

李娟娟女，(1984—)，碩士，工程師。主要研究方向：衛(wèi)星導(dǎo)航數(shù)據(jù)處理。

High Precision Landslide Monitoring System Based on BDS

YANG Kai-wei1,2,LI Juan-juan1,2

(1.StateKeyLaboratoryofSatelliteNavigationSystemandEquipmentTechnology,ShijiazhuangHebei050081，China2.SatelliteNavigationTechnologyandEquipmentEngineeringTechnologyResearchCenterofHebeiProvince,ShijiazhuangHebei050081,China;)

AbstractFor high precision landslide monitoring,a high precision landslide monitoring system based on BDS is designed,and its equipment composition and operation principle are introduced.The construction project is put forward according to engineering experience.The high precision real-time processing and static baseline resolution algorithm are described theoretically,based on which,the function and performance of the system are validated through software development,prototype system integration,test & experiment and data processing.Experiments have proved the feasibility of using BDS for high precision landslide monitoring,and the precision completely meets the requirements of landslide monitoring.

Key wordsBDS navigation system;high precision;RTK;baseline resolution;landslide monitoring

引用格式：楊開偉,李娟娟.基于北斗的高精度滑坡監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].無線電工程,2016,46(7):38-41,55.