基于北斗的高精度測量接收機在位移監測中的應用研究

引文格式： 林超，鄒勁，黃俊銘. 基于北斗的高精度測量接收機在位移監測中的應用研究[J].測繪通報，2015(2)：64-66.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2015.0043

基于北斗的高精度測量接收機在位移監測中的應用研究

林超，鄒勁，黃俊銘

(廣州中海達衛星導航技術股份有限公司，廣東 廣州 511400)

ResearchonApplicationofHigh-precisionMeasurementReceiverBasedon

BeiDouintheFieldofDisplacementMonitoring

LINChao,ZOUJin,HUANGJunming

摘要：主要研究了北斗高精度測量接收機的設計方案，分析了其在位移監測領域的應用優勢。北斗高精度GNSS測量接收機的應用使國家重點行業尤其是關系國家安全的特殊行業逐漸擺脫以 GPS 為首要定位和授時手段的應用需求，滿足了市場對自主知識產權衛星導航高精度監測模塊的需求，市場前景非常廣闊。

關鍵詞：北斗高精度測量接收機；位移監測；單歷元實時動態解算；北斗系統

中圖分類號：P228.4文獻標識碼：B

收稿日期：2013-11-14

作者簡介：林超(1985—)，女，碩士，主要從事基于北斗芯片的測量接收機研制方案及應用研究，大比例尺4D數據的采集、編輯研究。E-mail：lin_851028@163.com

一、引言

位移監測是變形監測中的一個分支，是指監測體在各種影響因素的作用下,其位置在時空域中的變化。自然界存在各種形式的位移變化，如地殼形變、滑坡、采礦塌陷、高層建筑的擺動及大壩變形位移等。由于許多災害的發生與位移變形有著極為密切的聯系，因而，位移變形監測研究在國內外受到了廣泛的重視。近十幾年來，占據衛星導航系統主導地位的GPS系統以其精度高、速度快、全天候等優點成為當今最先進的位移監測手段，已廣泛用于各類位移監測。

2013年是中國的北斗應用產業化元年，北斗系統有別于GPS的無源定位原理，采用雙星有源定位模式，并具有短報文通信功能，成功應用在測繪、電信、水利、建筑變形監測、交通運輸和國家安全等諸多領域，為我國發展北斗衛星導航系統做好了充分的技術和市場鋪墊。自主研制基于北斗系統的高精度測量接收機將是我國北斗系統產業化應用的關鍵支撐之一[1-4]。

二、設計總體思路

接收機主要分為硬件平臺設計、內置單歷元實時動態解算設計和固件平臺。

1. 硬件平臺設計

核心采用高配的ARM9CPU，主頻高達400MHz，數據存儲空間1GB字節，結合衛星接收模塊、電源模塊、3G/GPRS網絡通信模塊、藍牙模塊等，構成整個硬件平臺，如圖1、表1所示。

圖1　北斗兼容型高精度測量型接收機硬件框架

表1　硬件模塊功能說明

2. 單歷元實時動態解算設計 [5-9]

單歷元實時動態解算系統包括基準站、移動站及通信鏈路。通信鏈路可用無線設備來實現。

(1) 基準站設計

基站利用自身的觀測值與已知位置進行較差，產生基于偽距和載波的改正值，并將基站位置、基站觀測值或改正數打包成用戶需要的差分數據格式，通過無線設備發送到移動站，如圖2所示。

圖2　基站流程

(2) 移動站設計

移動站接收來自基準站的差分數據，通過雙差消除相關誤差，基于移動站的初始位置先驗信息，建立載波相位雙差模糊度搜索空間，從而單歷元固定模糊度，最后通過建立自適應卡爾曼濾波器求解高精度變形信息，如圖3所示。

圖3　移動站單歷元實時動態流程圖

3. 固件平臺 [9]

固件平臺采用嵌入式Linux操作系統平臺，結合SQLite數據庫和上層的功能模塊(如圖4、表2所示)，構成整套固件平臺。

圖4　北斗兼容型高精度測量型接收機固件模塊

表2　固件平臺

三、北斗高精度測量接收機在位移監測的應用優勢

1. 減少接收機對觀測衛星的鎖定時間

北斗系統的GEO衛星位置相對于地球靜止，其衛星信號往往更容易捕獲到，IGSO衛星其次，MEO衛星最難捕獲。因此，相比于GPS系統衛星均為MEO衛星，BDS系統的衛星信號更容易捕獲得到，從而減少了接收機對衛星的鎖定時間。

2. 北斗信號抗干擾能力更強，觀測數據質量更高

首先，北斗播發的民用碼偽距精度比GPS的C/A碼精度高，衛星信號強度也優于GPS衛星，穿透力更強，更適合于在遮擋或者電磁干擾環境下使用；其次，GPS的L2波段經過加密，須采用無碼跟蹤技術才能捕獲，降低了跟蹤性能，從而導致L2數據容易丟失影響解算，北斗B1、B2波段信號均為民用信號，信號強度相當，數據完整性更好；最后，BDS系統的衛星高度角普遍大于GPS系統，不容易受多路徑效應影響，并且在穿透電離層與對流層時能夠減少電離層延遲和對流層延遲影響，觀測數據質量更高(如圖5所示)。

3. 增加了 RTK作用距離

BDS系統是國際上第一個三頻實用化衛星導航系統，三頻數據有利于進行更多的觀測值組合解算，能更有效地消除電離層延遲影響，減少RTK的初始化時間，增加RTK的作用距離(見表3)。

圖5　GPS/BDS信號噪聲統計 (注：PSR Noise為偽距噪聲，ASR Noise為載波相位噪聲)

表3　 RTK模式初始化時間及作用距離分析

4. 縮短 RTK初始化時間、提高 RTK定位精度

北斗系統與GPS系統頻率相近，均采用了碼分多址技術，方便了多頻模糊度處理；廣播星歷內容采用軌道參數，與GPS系統相似；北斗時間系統與GPS系統相差固定值，坐標系統與GPS系統只存在厘米級差異，容易歸一化數據處理。因此，利用BDS/GPS觀測數據可實現雙系統RTK無縫兼容解算，明顯縮短RTK初始化時間，提高RTK的定位精度。

5. BDS系統顯著提高了亞太地區的空間可用性和時間可用性

在亞太地區，可以在全時段或絕大多數時段里觀測到GEO衛星和IGSO衛星，正常情況下可以觀測到10顆左右的北斗衛星；在城市街道等嚴重遮擋環境下，單獨依靠GPS系統或BDS系統進行導航定位往往會因為接收的衛星數過少而解算失敗；而依靠BDS/GPS雙系統仍然可以接收到足夠多的衛星，實現了北斗系統對亞太地區的區域增強，并顯著提高在嚴重遮擋環境下的空間可用性和時間可用性，如圖6、圖7所示。

四、結束語

安監領域的位移監測成為關系國計民生的重大問題，衛星導航技術成為位移監測領域的主流技術發展方向，北斗高精度測量接收機可以為北斗在位移監測領域的應用提供核心技術支撐。而面向水利、電力、橋梁、礦區、地震等國民經濟的重要領域的監測預警需求，使國家重點行業尤其是關系國家安全的特殊行業逐漸擺脫以GPS為首要定位和授時手段的應用需求，滿足市場對自主知識產權衛星導航高精度監測模塊的需求[10-11]。

圖6　中國不同地區觀測北斗系統GEO與IGSO衛星數

圖7　不同觀測環境下BDS/GPS組合定位性能

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