基于高精度北斗定位的地質沉降監測＊※

吳煥瑯

（福建三元達通訊股份有限公司，福州350000）

引 言

地質環境自身的不穩定性，如暗流、地下水造成的流沙等因素給環境帶來了嚴重破壞，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，也誘發了一定程度的地質災害。我國乃至全球地質災害頻發，造成直接或間接的損失巨大，其經濟和社會損害面呈上升趨勢，而科學有效預報技術的相對缺失，導致預防和控制工作的開展相對滯后。這就需要科學、先進、有效的地質災害監測預警系統。

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沉降的技術無法比擬的，高精度北斗監測地質沉降技術具有很強的先進性和實用性。

1 北斗地質沉降監測實現方法

北斗連續運行參考站網（Continuously Operating Reference Stations，CORS）是由若干個固定的、連續運行的北斗參考站，利用現代計算機、數據通信和互聯網技術組成的網站，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星觀測值，如載波相位、偽距、各種改正數、狀態信息，以及其他有關北斗服務項目的系統［2]。

北斗CORS地質沉降監測方法是利用CORS連續運行衛星定位參考站技術，采用雙差解算模式，在優化載波相位差分數據處理方法的基礎上，同時處理基準站和監測站載波相位等數據，得到精確的監測點相對于基準點的形變量［3]，達到地質沉降形變監測目的。

基于CORS網絡誤差改正與模糊度實時解算的北斗CORS地質沉降監測參數估計方程如下［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為多路徑效應誤差；ε為接收機噪聲；i、j為衛星標號；r、u分別為虛擬參考站所對應的主參考站以及移動站標號。

δρ＝－I＋T＋O，為CORS網絡誤差模型改正值，包含載波相位觀測值所對應的綜合距離相關誤差。其中，I為電離層延遲，T為對流層延遲誤差，O為衛星軌道誤差。

由于新方法是利用CORS網絡誤差改正模型確定改正參數Δ▽，其不僅適用于1km以內的短基線，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線性內插模型、對流層全球先驗模型改正、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，從而進行精密地質沉降形變監測。

地質沉降監測要求定位精度很高，一般選用雙頻（B1、B2）高精度北斗衛星接收機，雙頻高精度北斗衛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。對于所有的北斗衛星觀測數據而言，電離層的誤差都是固有的，結合兩個頻率的衛星觀測信息，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據，很適合橋梁形變監測、地質沉降監測等高精度測量。

2 北斗衛星接收機的工作原理

模擬前端作為衛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、帶通濾波器及模數轉換器等模塊組成［6]。目前的技術水平已經可以把這部分電路集成在一個IC里，實現了模擬前端小型化、低成本和低功耗。北斗衛星接收機的原理框圖如圖1所示。

數字處理通道及其后續的星歷計算、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，整個系統的控制使用ARM7MCU即可完成。數字處理通道原理框圖如圖2所示。

圖2 數字處理通道原理框圖

3 北斗地質災害監測系統總體設計

北斗監測系統由基準站、監測站、通信網絡、計算機服務器、管理平臺及相關軟件組成。系統總體結構圖略——編者注。

3.1 地質沉降主要監測內容

3.1.1 位移監測

位移監測地質沉降區域位移量、位移變形速度、滑體活動范圍。地質沉降區位移監測由地表位移監測和深部位移監測兩部分組成。

地表位移監測包含平面位移量監測和垂直方向（即高程）的位移量監測。觀測方法很多，可根據具體情況因地制宜地使用觀測方法。采用高精度北斗衛星接收機監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 地下水監測

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

3.2 沉降監測基準站的選取

基準站是整個監測系統的基準參考，如圖3所示，基準站上設立高精度北斗接收機采集衛星觀測數據。基準站需建在穩定的基巖上，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接收機實時向數據處理中心發送載波相位、偽距等數據。

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數據，向控制中心和有關單位報警。

基準站址選擇：

①需要建設在已知地理坐標上；

②站點必須建設在穩固的地段上；

③站點要求觀測環境條件好，不易被周邊大型高聳的建筑物或植物遮擋；

④要求設備供電正常、通信網絡穩定。

3.3 地質沉降監測站的設計

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

圖4 沉降區域監測點分布圖

監測站點選擇：

①建設在地質錯層、位移比較明顯的地段上；

②選擇觀測環境條件良好的位置建設觀測墩；

③遠離干擾源，要求供電、網絡傳輸性能穩定；

④監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 通信網絡選擇分析

通信網絡是連接基準站、監測站到數據處理中心，以及數據處理中心到遠程監控中心的通信鏈路。

北斗地質沉降監測系統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，根據具體情況選用。

從地質沉降區域監測點分布圖看出，監測點之間的距離較近，監測點分布在田壟間，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。北斗衛星數據量相對較大，監測站離基準站以及數據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＋網橋的通信方式。

系統通信方式采用兩級無線傳輸技術方案，如圖5所示，監測中心與中轉點之間通過網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；中轉點處利用基站對監測點區域進行2.4G無線覆蓋，監測點通過CPE連接基站的無線信號接入。

圖5 通信網絡

4.1 CPE介紹

CPE產品特點：

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

②支持無線轉有線。

CPE外觀圖如圖6所示。

圖6 CPE外觀圖

4.2 網橋介紹

網橋產品特點：

①基于802.11n標準，支持數據速率高達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，保證用戶數據的安全傳輸。

無線網橋外觀圖略——編者注。

4.3 基站介紹

選用的基站是高速無線網絡的增強型11n室外基站產品，采用802.11n協議，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。基站外觀圖、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 語

地質沉降監測實際上是一種管理，包括信息采集、處理、結論的得出、啟動預警、信息的反饋等功能。隨著科學技術的發展、管理水平的提高及人們觀念的轉變，人工監測地質沉降監測將成為歷史，具有全天候、全自動、24小時連續作業的北斗監測地質沉降系統將被更加廣泛的應用。

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

［1] 李黎.GPS技術在變形監測中的應用及發展趨勢［J] .勘測科學技術，2012（2）.

［2] 王軍見.基于CORS的地質信息連續采集運行系統的設計［J] .科學技術與工程，2008（15）.

［3] 丁俊杰，胡昌華.連續運行基準站系統CORS綜述［J] .黃河規劃設計，2008（4）.

［4] 李成鋼.GPS CORS精密區域地表位移動態監測技術研究［J] .測繪通報，2010（5）.

［5] 王文貫.單、雙頻GPS數據聯合處理基線分析［J] .水利規劃與設計，2010（4）.

［6] 應世君，鄒緒平，劉衛，等.基于北斗二代系統的嵌入式船用導航儀硬件設計［J] .現代電子世界，2012（9）.