基于RTK技術(shù)的極地冰川移動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)的試驗(yàn)研究

周云霄,竇銀科,潘 曜,趙 琦,劉慧慧

(太原理工大學(xué) 電氣與動(dòng)力工程學(xué)院,太原 030024)

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基于RTK技術(shù)的極地冰川移動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)的試驗(yàn)研究

周云霄,竇銀科,潘 曜,趙 琦,劉慧慧

(太原理工大學(xué) 電氣與動(dòng)力工程學(xué)院,太原 030024)

基于PTK(Real Time Kinematic)技術(shù)，提出了利用銥星通訊系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸?shù)囊苿?dòng)監(jiān)測系統(tǒng)，其中基站和移動(dòng)監(jiān)測站由高精度GPS模塊、數(shù)傳電臺(tái)與MSP430單片機(jī)控制器集成為一體。該系統(tǒng)以冰面拋投式移動(dòng)浮標(biāo)基站為載體，給出了監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)成及數(shù)據(jù)采集及處理方法；并在野外實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)定位的實(shí)時(shí)監(jiān)測試驗(yàn)。與常規(guī)定位進(jìn)行比較，結(jié)果表明，該系統(tǒng)精度和穩(wěn)定性均較高，移動(dòng)監(jiān)測精度可達(dá)厘米級，適用于冰川移動(dòng)監(jiān)測領(lǐng)域且將在中國第32次南極考察中進(jìn)行應(yīng)用試驗(yàn)。

RTK技術(shù);冰川;移動(dòng)監(jiān)測;GPS定位;數(shù)據(jù)鏈

冰川是在重力作用下進(jìn)行緩慢移動(dòng)的,它的移動(dòng)是研究和開發(fā)利用冰川資源的重要內(nèi)容,也是防止冰川災(zāi)害重點(diǎn)研究課題之一[1]。冰川末端進(jìn)退的變化在多種時(shí)間尺度上與氣候過程相關(guān)聯(lián),因而它們又可以指示不同時(shí)間尺度的氣候變化;冰川本身的物理特征及其與周圍環(huán)境的密切關(guān)系,使得它的活動(dòng)常引起許多重大的冰川災(zāi)害;冰川活動(dòng)對水資源利用規(guī)劃也有顯著的現(xiàn)實(shí)意義,因此監(jiān)測冰川移動(dòng)顯得尤為重要[2]。冰川移動(dòng)是一個(gè)復(fù)雜多變的過程,而且由于冰川區(qū)域均屬于極其偏遠(yuǎn)、人跡罕至、無電源無移動(dòng)信號(hào)的惡劣客觀條件下,因此無法用一般的監(jiān)測手段進(jìn)行移動(dòng)監(jiān)測[3]。本系統(tǒng)主要解決在無源區(qū)的移動(dòng)監(jiān)測,填補(bǔ)無信號(hào)區(qū)的自動(dòng)化監(jiān)測空白。目前,國際上對冰川移動(dòng)的監(jiān)測主要有以下幾種方法:利用遙感和激光掃描方法自動(dòng)化處理的航拍圖像,然后將激光掃描和數(shù)字?jǐn)z影測量的結(jié)果和精確的手動(dòng)測量結(jié)果通過解析測圖儀進(jìn)行對比評價(jià)[4];地球物理研究雜志中對冰川邊緣識(shí)別利用MODIS影像的位置變化自動(dòng)監(jiān)測[5];MULSOW et al利用多傳感器C波段合成孔徑雷達(dá)(SAR)對冰川邊緣進(jìn)行圖像監(jiān)控[6]。我國對極地冰川監(jiān)測尚停留在分析航拍圖片或衛(wèi)星遙感定位的階段,這種方法精度低、連續(xù)性差、獲取的數(shù)據(jù)量少,無法對南極冰川移動(dòng)進(jìn)行連續(xù)的自動(dòng)化的監(jiān)測[7]。因此,本文提出的基于RTK技術(shù)的冰川監(jiān)測系統(tǒng)有較大的實(shí)際意義。

1 RTK定位技術(shù)的發(fā)展過程及現(xiàn)狀

RTK(Real Time Kinematic)技術(shù)是GPS測量技術(shù)與數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)相結(jié)合,而構(gòu)成的組合系統(tǒng),是GPS測量技術(shù)發(fā)展中的一個(gè)新的突破[8]。

實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位技術(shù)是以載波相位觀測值為根據(jù)的實(shí)時(shí)差分GPS技術(shù),它是GPS測量技術(shù)發(fā)展的一個(gè)新突破,在測繪、交通、能源、城市建設(shè)等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景[9]。本文將RTK定位技術(shù)用于無源條件下的冰川移動(dòng)監(jiān)測是一個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)。

目前,RTK技術(shù)的研究主要集中在無基準(zhǔn)站RTK技術(shù)方面,國外20世紀(jì)90年代中期提出了虛擬參考站技術(shù),不久國內(nèi)就提出了網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù),實(shí)現(xiàn)了RTK的無基準(zhǔn)站模式,而且其測量距離也比較理想(可以達(dá)到100 km),逐漸成為現(xiàn)在RTK技術(shù)的研究熱點(diǎn)[10]。隨著各種科學(xué)技術(shù)的成熟以及生產(chǎn)和科研的需要,RTK技術(shù)的發(fā)展也勢必向高精度、高效率、大范圍、連續(xù)作業(yè)的方向發(fā)展[11]。RTK技術(shù)目前大多用于露天礦變形監(jiān)測和預(yù)防山體滑坡自然災(zāi)害等的監(jiān)測中[12],羅周全等提出了適用于露天礦邊坡位移監(jiān)測的高精度的GPS-RTK技術(shù),并闡明了基于GPS-RTK的露天礦邊坡位移自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)[13]。

2 利用RTK技術(shù)進(jìn)行冰川移動(dòng)監(jiān)測的原理

2.1 基本原理

本文設(shè)計(jì)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位系統(tǒng)由基準(zhǔn)站、移動(dòng)站和雙工的數(shù)據(jù)鏈組成,建立無線數(shù)據(jù)通訊是實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測量的保證。

圖1 數(shù)據(jù)鏈路原理圖Fig.1 Schematic diagram of data link

圖1為數(shù)據(jù)鏈路原理圖,其原理是取已知精度坐標(biāo)的控制點(diǎn)作為基準(zhǔn)點(diǎn),安置一臺(tái)接收機(jī)作為基準(zhǔn)站,對衛(wèi)星進(jìn)行連續(xù)觀測。基站GPS板卡內(nèi)部在自我定位的同時(shí),通過測算出一個(gè)基線向量,并將其發(fā)送給移動(dòng)站。GPS 接收機(jī)測量出接收機(jī)至衛(wèi)星的距離,加之通過其它方法獲得衛(wèi)星發(fā)出測距信號(hào)時(shí)衛(wèi)星的坐標(biāo),在此過程中,接收機(jī)鐘誤差、衛(wèi)星鐘誤差、星歷誤差、相對論效應(yīng)、電離層延遲、對流層延遲、多路徑效應(yīng)等都會(huì)對定位結(jié)果產(chǎn)生一定的影響[14]。基線向量解算是指在衛(wèi)星定位中,利用載波相位觀測值或其差分觀測值,求解兩個(gè)同步觀測站之間的基線向量坐標(biāo)差的過程。此間進(jìn)行多次數(shù)據(jù)處理,剔除觀測值中的粗差,以修正衛(wèi)星信號(hào)發(fā)射時(shí)刻及相應(yīng)的星歷坐標(biāo),從而獲得良好的基線向量結(jié)果。基線解算是GPS數(shù)據(jù)處理的重要環(huán)節(jié),它直接關(guān)系到測量的精度[15]。

移動(dòng)站是用于監(jiān)測可漂移冰川隨時(shí)間變化的位移情況,移動(dòng)站通過從數(shù)據(jù)鏈接收的基線向量和本身GPS定位衛(wèi)星信號(hào)的數(shù)據(jù)作基線解算,得出一個(gè)差分后的、高精度的移動(dòng)站定位數(shù)據(jù),然后通過無線電鏈路向基準(zhǔn)站發(fā)送其數(shù)據(jù)。基準(zhǔn)站接收到該數(shù)據(jù)包后將其再打包通過銥星模塊傳輸給遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)。后期經(jīng)過分析處理后可以得到移動(dòng)站的三維坐標(biāo)漂移量和測量精度。這樣就可以實(shí)時(shí)監(jiān)測待測點(diǎn)的移動(dòng)數(shù)據(jù),從而減少冗余觀測,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)監(jiān)測,提高工作效率[16],圖2為系統(tǒng)工作原理框圖。此監(jiān)測手段在國內(nèi)外均屬于前瞻性研究。

圖2 系統(tǒng)工作原理框圖Fig.2 The principle block diagram of system work

2.2 監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)及硬件構(gòu)成

通過利用RTK實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分法原理,設(shè)計(jì)并在測量地投放集成銥星模塊、GPS模塊、差分模塊、蓄電池模塊、單片機(jī)主控模塊、電臺(tái)模塊為一體的硬件系統(tǒng)。利用基站、移動(dòng)站定位的GPS數(shù)據(jù)生成GPGGA語句,通過電臺(tái)將定位數(shù)據(jù)進(jìn)行站點(diǎn)之間的定時(shí)、定向傳輸,并在現(xiàn)場進(jìn)行差分處理,再通過銥星通訊系統(tǒng)將差分后的數(shù)據(jù)包傳輸回國內(nèi)的在線監(jiān)測系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對冰川移動(dòng)的實(shí)時(shí)高精度監(jiān)測[17]。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Sketch map of the system structure

該系統(tǒng)各部分功能模塊的作用是:單片機(jī)主控模塊用于控制站點(diǎn)系統(tǒng)的上電、斷電并配置其初始命令等。每天在固定時(shí)間對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行上電檢測,確認(rèn)GPS模塊正常后,連通電臺(tái)鏈路,進(jìn)行數(shù)據(jù)定位、差分運(yùn)算、電臺(tái)雙向數(shù)據(jù)傳輸、銥星模塊打包數(shù)據(jù)傳輸至計(jì)算機(jī)終端。單片機(jī)主控模塊檢測到經(jīng)過一個(gè)完整上電過程后,開始控制斷電,使系統(tǒng)處于關(guān)斷狀態(tài);GPS模塊可通過搜索相應(yīng)區(qū)域在某一時(shí)刻經(jīng)過的衛(wèi)星數(shù)量進(jìn)行一定精度的GPS定位,數(shù)據(jù)格式為GPGGA語句,該語句有讀取方便、數(shù)據(jù)量小、便于傳輸、不易丟失、間斷數(shù)據(jù)不影響后續(xù)差分功能的優(yōu)點(diǎn),其中GPS模塊集成了差分運(yùn)算功能,基站GPS模塊具有搜星定位、基線解算的功能,可將實(shí)時(shí)定位的數(shù)據(jù)進(jìn)行基線解算以后產(chǎn)生一組二進(jìn)制的差分?jǐn)?shù)據(jù),移動(dòng)站GPS模塊具有搜星定位、RTK差分運(yùn)算的功能,可將基站通過電臺(tái)傳輸?shù)牟罘謹(jǐn)?shù)據(jù)與移動(dòng)站定位數(shù)據(jù)進(jìn)行RTK運(yùn)算,其精度可達(dá)厘米級;電臺(tái)使用的型號(hào)是ADL-35收發(fā)雙工電臺(tái),該電臺(tái)工作使用12 V電源供電,功耗為2～35 W,在通視良好無遮擋情況下可支持30～50 km數(shù)據(jù)鏈路傳輸。電臺(tái)使用波特率為19 200 Bd;系統(tǒng)使用嵌入式SBD收發(fā)器——銥星9602模塊,其體積小、重量輕,供電電壓12 V,尤其相比其它通訊模塊而言,其衛(wèi)星多軌道低的配置使其具有搜星快,在全球范圍無盲區(qū),傳輸丟包率低的優(yōu)點(diǎn);蓄電池采用12 V低溫蓄電池供電,原則為低功耗。在不需要定位采集、發(fā)送、保存數(shù)據(jù)的時(shí)候,整個(gè)系統(tǒng)處于低功耗的狀態(tài)下,盡量節(jié)省電池的能量。工作溫度為-40～+125 ℃,滿足工作環(huán)境要求。

3 基于RTK技術(shù)的移動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)野外試驗(yàn)

3.1 GPS定位精度測試

GPS板卡搭載外圍電路通過串口調(diào)試軟件進(jìn)行GPS定位精度的試驗(yàn),數(shù)據(jù)包含基站的定位數(shù)據(jù)和移動(dòng)站經(jīng)過基線解算后的高精度差分?jǐn)?shù)據(jù)。基站定位的GPGGA語句為:

＄GPGGA,031628.00,3751.5685293,N,11231.0561085,E,1,09,1.0,803.3,M,-20.0,M,*44

移動(dòng)站定位的GPGGA語句,上電初始為差分浮點(diǎn)解5,約1 min后為差分固定解4,其精度更高。

為便于檢驗(yàn)試驗(yàn)精度并對數(shù)據(jù)進(jìn)行觀測分析,我們采取將試驗(yàn)數(shù)據(jù)直接導(dǎo)入計(jì)算機(jī)的方法,按照圖1原理圖所示,在基站側(cè)設(shè)置一個(gè)COM端口用以實(shí)時(shí)監(jiān)測定位數(shù)據(jù)。

現(xiàn)場布站采用基準(zhǔn)站和一套移動(dòng)站進(jìn)行數(shù)據(jù)鏈路的通聯(lián),以驗(yàn)證基于RTK技術(shù)確實(shí)能有效提高定位精度。布站時(shí)站點(diǎn)距離較近,一是便于實(shí)驗(yàn),二是驗(yàn)證定位精度即使在距離較近的情況下依然能滿足站點(diǎn)GPS信號(hào)、電臺(tái)鏈路通訊互不干涉。基站與移動(dòng)站布站實(shí)際距離為2.14 m,取上電2 min以后的基站定位數(shù)據(jù)、移動(dòng)站定位數(shù)據(jù)和移動(dòng)站經(jīng)過差分后的高精度數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)每間隔10 s采集一次,采集若干組。

3.2 試驗(yàn)GPS移動(dòng)定位可行性

為了確認(rèn)本套系統(tǒng)的外業(yè)可行性和穩(wěn)定性,對系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)距離作業(yè),在城市里通視情況相對較好的條件下進(jìn)行試驗(yàn),基站點(diǎn)設(shè)置在太原市北邊的山腳下,移動(dòng)站在由北向南流向的汾河柴村橋上,在低功耗情況下,可以確保10 km的通訊傳輸,以及非常高精度的定位。說明該系統(tǒng)有穩(wěn)定的可行性。

后續(xù)為驗(yàn)證系統(tǒng)通聯(lián)區(qū)間,在太原市東西方向較遠(yuǎn)的距離上進(jìn)行測試,發(fā)現(xiàn)即使在電臺(tái)低功耗2 W的情況下,依然可以穩(wěn)定傳輸20 km的距離,并做到連續(xù)的移動(dòng)監(jiān)測。

3.3 數(shù)據(jù)分析

如表1所示的是距離2.14 m初始布站的情況,實(shí)驗(yàn)證明系統(tǒng)可以運(yùn)行,而后對移動(dòng)站偏移進(jìn)行誤差分析,將上電2 min以后的若干組基站定位數(shù)據(jù)、移動(dòng)站定位數(shù)據(jù)和移動(dòng)站經(jīng)過差分后的高精度數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理,分別求其平均值和標(biāo)準(zhǔn)差,并將秒十進(jìn)制格式的平均值轉(zhuǎn)換為度分秒格式的平均值,然后在谷歌地球軟件中導(dǎo)入平均值的點(diǎn)作為其定位點(diǎn)。經(jīng)過距離測算可知,差分后的定位距離要比不差分的定位距離更加接近實(shí)際值,而且通過其標(biāo)準(zhǔn)差可知,差分后的定位點(diǎn)收斂性極好,因此可以證明利用RTK技術(shù)進(jìn)行冰川移動(dòng)監(jiān)測的手段是可行的。

表1 定位經(jīng)緯度數(shù)據(jù)及處理

如表2所示的基站與移動(dòng)站在最小功耗情況下距離8.5 km(穿越城市邊緣并不密集的遮擋建筑)可進(jìn)行良好的數(shù)據(jù)定位通訊,結(jié)合實(shí)際位置顯示,定位精度非常高,與實(shí)際位置幾乎重疊,且定位點(diǎn)斂散性極好,說明采用RTK技術(shù)用于移動(dòng)定位監(jiān)測并通過無線鏈路傳輸數(shù)據(jù)具有較高的精確性。

表2 外業(yè)定位經(jīng)緯度數(shù)據(jù)及處理

為驗(yàn)證無線電通訊的可靠性,在距離基站約20 km且低功耗條件下布設(shè)站點(diǎn),并記錄偏移定位位置,試驗(yàn)時(shí)按照由近到遠(yuǎn)、由遠(yuǎn)至近再基本畫一個(gè)矩形框的粗略方式以充分確定其定位精度,結(jié)合實(shí)際位置在Matlab中繪制的移動(dòng)軌跡如圖4進(jìn)一步說明本試驗(yàn)具有較高的精確性。

圖4 Matlab中移動(dòng)站移動(dòng)軌跡Fig.4 Mobile station moving track in matlab

4 結(jié)束語

針對傳統(tǒng)冰川監(jiān)測手段無法獲得連續(xù)性的移動(dòng)情況,監(jiān)測方法簡單,受天氣狀況制約明顯,以及數(shù)據(jù)量少等缺點(diǎn),本文設(shè)計(jì)了基于RTK技術(shù)結(jié)合無線電鏈路傳輸、單片機(jī)控制技術(shù)建立了一種自動(dòng)化、高精度化的移動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng),并通過野外試驗(yàn)證明該系統(tǒng)有較高的精度和較強(qiáng)的穩(wěn)定性,監(jiān)測精度可達(dá)2～5 cm,且具備特殊極地低溫環(huán)境下的監(jiān)測功能。

本文闡述的數(shù)據(jù)鏈路是結(jié)合穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)效益于一體的綜合設(shè)計(jì),單片機(jī)控制電路可確保系統(tǒng)高效、穩(wěn)定運(yùn)行,形成了一套完整的適用于冰川移動(dòng)監(jiān)測的新方法,該系統(tǒng)將在2015年開展的中國第32次南極考察中對南極中山站附近的冰川進(jìn)行實(shí)際監(jiān)測試驗(yàn)。

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(編輯：劉笑達(dá))

Experimental Study of Glacier Mobile Monitoring System Based on RTK Technology

ZHOU Yunxiao,DOU Yinke,PAN Yao,ZHAO Qi,LIU Huihui

(College of Electrical and Power Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China)

RTK(Real Time Kinematic) as a modern geological survey technology has been widely used, but there is no instance for glacier monitoring.On the basis of GPS-RTK technology,with high-precision GPS module, data transmission radio and MSP430 single chip microcomputer controller,the base station and mobile station are integrated.It is a mobile monitoring system by using iridium communication for remote data transportation,which is supported on a dumped mobile ice buoy.The composition of the monitoring system and the method of data acquisition and processing are given,the real-time monitoring of mobile positioning test is roalized.Compared with those of conventional positioning,the accuracy and stability of the system are higher and the monitoring precision can reach cm level. It is suitable for mobile monitoring field of glacier movement and will be used for application tests in China 32nd Antarctic expedition.

RTK technology;glacier;mobile monitoring;GPS positioning;data link

1007-9432(2016)04-0501-05

2015-12-29

“南北極環(huán)境綜合考察與評估”極地專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目(CHINARE2015-02-09)；國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目：基于電容感應(yīng)技術(shù)的海冰厚度自動(dòng)化檢測方法的研究(41176080)

周云霄(1989-)，男，山西臨汾人，碩士生，主要從事電力電子裝置和冰川監(jiān)測裝置研究,(E-mail)315045852@qq.com

竇銀科,教授,博導(dǎo),主要從事智能儀器與自動(dòng)化檢測技術(shù)方面的研究,(E-mail)douyk8888@126.com

TP277

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10.16355/j.cnki.issn1007-9432tyut.2016.04.013