基于北斗衛星技術的野外地質工作管理與服務模式：青海玉樹州地質災害詳查示范應用

石小亞，王佳運

（中國地質調查局西安地質調查中心，陜西 西安710054）

點多、線長、高度流動性和分散性是野外地質工作的特點。野外地質工作點多，且遠離城鎮，交通和通信極其不便，工作和生活條件都十分惡劣；踏勘線路長，且地理環境復雜，氣候條件異常，工作條件艱苦；野外工作區廣，一個項目組常分成若干隊，2～3人一隊流動分散作業，相互溝通不便。野外工作中，地質人員常會遭遇到各種危機，比如疾病、迷路失蹤、野獸攻擊、交通意外等。同時，對于地質單位來講，項目組一出野外，由于工作地偏遠，交通通訊不便，無法及時獲知項目進展，進行項目管理。野外地質人員工作遭到人身安全威脅時，更無法及時與項目駐地、項目單位取得聯系，獲得救援。可見進一步加強野外地質工作管理，提高野外地質工作保障服務水平，是我們今后地質管理服務工作中的一個重大研究課題。2010年始，國土資源部啟動了國土資源部公益性行業科研專項，基于3S技術的野外地質工作管理與服務關鍵技術研究與應用項目，利用國產北斗衛星系統定位通訊功能，構建現代化野外地質工作管理與服務體系，實現野外工作“態勢管理”。

1 北斗衛星定位通訊系統簡介

1.1 北斗衛星定位通訊系統原理及流程

北斗衛星定位通訊技術是我國自主研制的利用衛星信號進行定位通訊的系統，它不但有授時定位功能，還可以利用衛星傳遞短信息。通訊定位系統流程如圖1所示。

圖1 北斗衛星定位通訊流程

北斗衛星定位通訊系統由兩顆地球靜止衛星（800°E和1400°E）、一顆在軌備份衛星（110.5°E）、中心控制系統、標校系統和各類用戶機等組成。系統的工作過程是：①首先由地面控制中心定時向北斗衛星Ⅰ和衛星Ⅱ發送調制有測距信號、電文幀、時間碼等詢問信號；②詢問信號經衛星轉發器變頻放大轉發給用戶終端；③用戶終端接收詢問信號后，立即響應并向兩顆衛星發出應答信號；④衛星將收到的用戶終端的應答信號經變頻放大下發給地面控制中心；⑤地面控制中心收到應答信號，對定位申請，控制中心系統測出兩個時間延遲。根據地面控制中心和兩顆衛星的位置，以及地面控制中心系統從存儲在計算機內的數字化地形圖查尋到用戶高程值，從而中心控制系統可最終計算出用戶所在點的三維坐標，這個坐標經加密由出站信號發送給用戶，定位完成。對于通訊申請，經處理，再將其發送到地面網管中心；⑥地面網管中心接收到通信申請信號后，解密和再加密后發送至地面控制中心；⑦地面控制中心將其加入持續廣播的出站電文中，經衛星廣播給用戶；⑧用戶機接收出站信號，解調解密出站電文，完成一次通信［1］。

1.2 優勢與特點

北斗衛星定位通信技術有以下優勢：①數據實時傳輸，時延小；②覆蓋范圍大，通信盲區少；③獨立的組網，不需要任何其他系統支持；④特別適合分布于大面積范圍內的集團用戶監控管理、數據采集與傳輸應用；⑤數據傳輸安全、可靠、穩定，保密性強，適合關鍵部門應用［1］。

與其他無線通信網絡相比，北斗通信接收機除普通型用戶機外，還有一種指揮型接收機，其有以下特點：①北斗指揮型接收機具有監控功能，即北斗指揮型接收機可以監收其下屬通信型接收機的通信數據，而無須發送任何指令；②北斗指揮型接收機具有通播功能，即北斗指揮型接收機可以同時發送相同的消息給其所有的下屬通信型接收機，而無須一一發送［1］。

由于北斗衛星系統處于不斷發展中，目前衛星數量少，只具備25m左右的定位服務精度，但結合GPS，雙模制式，可滿足野外地質使用。隨著北斗二代衛星的發展，到2012年底，已發射16顆衛星，服務精度將會達到10m左右，完全可以滿足野外地質使用。

2 北斗衛星技術野外地質工作管理與服務模式

2.1 基于北斗衛星技術野外地質工作管理與服務框架

基于3S技術野外地質工作管理與服務體系是基于衛星技術、網絡技術和網格技術，通過對遙感數據處理，地質信息識別，海量基礎數據分發，空間信息承載與展示，北斗系統與GPS兼容應用等重大關鍵共性技術的突破，將野外地質調查工作現代化、精細化、人性化要求與國產衛星的自主性有機結合，建立現代化野外地質工作管理與服務系統［2］。可為在野外調查人員的安全保障和野外工作的質量監控、檢查、管理和服務各個環節中，提供野外地質調查、應急保障等多種信息數據的采集、傳輸、分享、處理、反饋和決策現代化的管理工具，實現現代化的野外地質工作管理與服務。初步形成現代化野外地質工作管理與服務技術指南、數字化野外地質工作管理與服務平臺，為建立現代化野外工作管理和服務模式奠定基礎；通過在西寧、烏魯木齊等野外工作站以及成都中心，沈陽中心以及西安中心等地的示范與應用，形成野外地質調查生產管理、突發事件、應急處置，遠程服務網格結點體系和架構，為全國野外地質調查人員和管理人員提供現代地質調查工作管理與服務的新模式，全面提升公益性工作綜合管理能力和水平。

2.2 基于北斗衛星技術野外地質工作管理與服務模式

2.2.1 管理模式

結合北斗衛星通訊定位技術、互聯網技術、網絡網格技術，搭建野外地質工作管理服務體系，在體系中，可實現分層次靈活性的動態化管理與服務。

如圖2所示：①中國地調局（北京）部署北斗中央指揮機，可隨時管理服務所有中心指揮機，普通指揮機以及相應的終端卡號；②在各個大區中心部署中心指揮機，可管理服務下屬普通指揮機和相應終端卡號；③在各個野外工作站可根據經費部署中心指揮機或普通指揮機，管理服務所燒制的終端卡號，因為項目單位歸口管理不同，但到野外工作區，根據工作區劃燒制管理終端卡號，以便第一時間得到就近管理與服務；④項目單位可部署一臺普通指揮機，以便能夠隨時管理服務所持終端卡號的項目組；⑤項目組出野外只需持北斗終端，不僅隨時獲得野外工作定位信息，而且可以利用北斗衛星通訊功能，與項目單位野外項目分隊等取得溝通。通過“野外人員－野外駐地－野外工作站－大區中心站－北京中心站”五級互聯互通，實現分層次靈活性的動態化管理與服務。

圖2 基于北斗衛星野外地質工作管理與服務模式示意圖

2.2.2 服務模式

在基于北斗衛星定位通訊功能的野外地質工作管理服務平臺上，只需簡單組網部署，如圖3所示。

圖3 野外地質工作北斗衛星通訊組網示意圖

部署中心式指揮機于中心機房，上接北斗天線，用于接收北斗衛星通訊定位信息，下接服務器存儲信息，負責大區內北斗用戶終端信息的監控與管理；野外工作站或野外項目駐地節點，部署北斗普通型指揮機，通過筆記本電腦或臺式機的串口與之連接，配套使用；野外單兵手持北斗藍牙通訊與定位終端，該終端具備北斗短報文通信與定位功能，無顯示屏，需通過無線藍牙技術與PDA掌上機或平板電腦配套使用。

各級結點之間采用北斗一代衛星導航定位系統的通訊技術，實現互聯互通。為野外地質調查工作的管理與服務提供高效、便捷的信息通道。同時，在管理服務體系平臺上，通過電腦網址訪問方式，隨時隨地能在平臺上能清楚定位顯示每位配備北斗終端人員所處位置，以及查詢一定時間段內相關運動軌跡，實現對野外地質人員管理及應急服務。

野外地質人員通過方便隨身攜帶的北斗衛星終端，經過北斗通訊傳輸，可實現小組之間，終端用戶之間，終端與指揮機之間互發短信即時交流。管理部門能及時獲知項目進展狀況，項目成員之間可隨時進行技術探討，遇到緊急情況，可保證與外界的溝通。

北斗終端所發送的每條短信，每次定位信息，航跡等都自動記錄到其綁定的北斗指揮機上，可使野外駐地、野外工作站、地勘單位，以及地調局，通過指揮機，能夠隨時了解野外地質工作進展，并實現動態化管理與服務。

3 基于北斗衛星技術的野外地質工作管理與服務模式在野外示范項目組的應用

由西安地質調查中心承擔的青海省玉樹州地質災害詳細調查項目，該項目工作區地處青藏高原東南部，地跨昆侖山以南、唐古拉山以北的廣大地區，國民經濟相對落后，是青海省主要的牧業區，平均海拔在4200m以上，為高海拔高寒地區，氣候條件惡略，屬高原大陸性季風氣候，日照時間長，太陽幅射強，熱量水平較高，晝夜溫差較大，四季不明顯，冬季漫長；凍融、風化剝蝕及人類工程活動形成的崩塌、滑坡與泥石流等地質災害尤為突出。野外工作區內交通通訊相對不發達，生活聚集區移動聯通手機信號弱，電信稍強，離開生活聚集區，幾乎成為通訊盲區。野外工作區地廣人稀，野生動物多而珍稀，生活居民民族復雜，語言溝通不便等等都為野外工作的開展造成了諸多不便，并且危險性風險性極大。

為了更好地開展工作，順利完成2012年的玉樹州野外災害地質詳察，西安地調中心專為玉樹項目組配備了最新的北斗衛星終端2臺，野外項目駐地普通指揮機一臺，對項目組成員進行了為期3天的野外實踐操作訓練，制定了詳細可行的操作規范。要求：①野外項目組駐地每日用普通指揮機向中心指揮機及兩個終端發出當日工作計劃；②手持北斗終端的兩支野外調查小分隊每日到工區開展工作前向駐地普通指揮機發送位置，并報平安，每日收工時同樣發送位置并報平安；③野外調查中兩個終端設置位置連續報，詳細記錄其每日行動軌跡，做到每日軌跡在野外管理與服務平臺可查；④野外分隊調查時遇到專業疑難問題第一時間與另支分隊、野外駐地、以及項目單位專家領導進行溝通；⑤野外工作安全第一，遇到緊急情況，及時按下危險報，立即通知另支分隊，野外駐地以及項目單位，獲得相應指導救援；⑥項目單位有最新工作動態通知第一時間通過北斗中心指揮機發送至北斗終端，讓野外人員及時獲悉。

經過幾個月的野外示范應用，發現由于北斗一代衛星系統衛星數量少，定位速度和精度與GPS相比還存在較大差距，現階段北斗通訊功能與GPS定位功能相結合更適合野外地質工作的管理與服務。但基于北斗衛星野外地質工作管理與服務平臺獲得野外項目組，項目單位極高的評價。

建立了野外地質調查管理服務與安全保障系統平臺。在這個管理服務平臺上，項目單位，野外駐地能隨時獲知野外工作進展，查看野外工作軌跡，很好地架起了一條項目單位－項目駐地－野外項目組之間的一條溝通橋梁；在通訊信號盲區，遇到緊急情況，野外工作人員能夠用北斗衛星通訊與其他手持北斗終端的野外人員，野外駐地，野外工作站，項目單位等取得聯系，為野外地質工作架起一道安全生命保障線；基于國產北斗衛星定位通訊功能基礎上構建的現代化野外地質工作管理與服務模式，可實現野外工作＂態勢管理＂。

4 總結

基于北斗衛星技術結合最前沿的計算機技術構建現代化野外地質工作管理與服務模式目前正處于試點探索階段，隨著北斗二代衛星導航系統的啟用，定位精度將得到大幅提升，野外地質工作管理與服務平臺功能便捷性的進一步優化，以及在野外地質調查項目中普及應用，國產北斗導航系統的應用必將融入到地質調查領域的各項工作中，現代野外地質工作管理與服務模式的“態勢管理”將會取代傳統的野外地質工作模式，為野外地質工作提供更高效的管理和服務保障，將是野外地質工作模式的一次根本性變革。

［1］朱永輝，白征東，過靜珺，等.基于北斗一號的地質災害自動監測系統［J］.測繪通報，2010（2）：5－7.

［2］何凱濤，李志忠，汪大明.基于遙感衛星和北斗衛星的野外地質調查服務與管理系統設計綜述［J］.地質力學學報，2012（3）：203－212.