基于GNSS的廣電發射塔狀態監測技術研究

李建雄，林耐云，馬 巖

（唐山廣播電視臺，河北 唐山 063000）

1 研究背景

最早由歐盟提出的全球衛星導航系統（Global Navigation Satellite System，GNSS）概念，現在已經逐漸寬泛為由各種無線電信號組成的導航定位系統，廣泛地應用于交通運輸、軍工國防、移動通信、電力電子及救災減災等領域，為廣大用戶提供高精度、全天候的導航定位服務。它已成為改變人們活動習慣、方便人們生活的不可缺少的一部分。

按照功能范圍，全球衛星導航系統主要分為全球導航系統、區域導航系統及星基增強系統3類。3類系統根據需要互相配合，不斷為人類發展做出貢獻。其中，全球導航系統主要指衛星覆蓋全球，為全球終端提供服務的導航定位系統；區域導航系統主要指衛星覆蓋一部分區域，為區域內終端提供服務的導航定位系統；星基增強系統主要是為了增強某一區域的衛星導航定位性能而特別設立的服務系統。隨著衛星導航定位技術的快速發展，其應用越來越廣泛，用戶對定位精度的要求越來越高，載波相位差分（Real Time Kinematic，RTK）技術應運而生。RTK技術被廣泛應用到農業機械、控制測量、地形測繪及建筑物形變等高精度定位服務中。

1.1 單基站RTK技術

單基站RTK技術是最早投入使用的改善定位精度的方法，其作業原理是將一臺固定的GNSS接收機設置為基準站，將基準站連續觀測衛星的原始數據經過計算后作為基準數據傳送給附近的流動站，流動站將自己觀測的數據同基準站數據進行相關處理，進而得到流動站的相對位置定位[1]。為了提升定位的穩定性和精度，單基站RTK技術要求基準站安裝在高位、地勢開闊且周邊無電磁干擾的地區，而移動站架設位置則要求與基準站之間沒有地形上的遮擋且在有效距離之內。單基站RTK技術使野外測繪在保證精度的前提下，操作變得簡易方便，但也存在一些弊端，例如，在衛星信號易受到遮擋的地區或受到衛星軌道運行的限制，測量時間會減少；當天氣和氣候發生變化，電離層變得活躍，可觀測衛星數目減少，都可能導致設備初始化時間過長或無法進行初始化；基準站與移動站之間的數據傳輸會隨著它們之間距離的增加，信號會不斷衰減；傳輸通道也比較容易受到高頻信號的干擾，從而導致定位精度受到影響。單基站RTK技術構成如圖1所示。

圖1 單基站RTK技術構成

1.2 網絡RTK技術

為了彌補單基站RTK技術的缺點，網絡RTK技術應運而生。網絡RTK技術將多個基準站進行組網形成GNSS網絡，設立基準站網絡數據處理中心。流動站將自己的概略位置信息發送給數據處理中心。數據處理中心通過對該信息和基準站網生成的觀測數據進行解算，在流動站附近生成一個虛擬參考站（VRS）。數據處理中心將虛擬參考站的差分數據信息發送給流動站，流動站通過對虛擬參考站數據進行分析和差分定位，來獲得精確度較高的定位信息[2]。對比單基站RTK技術，網絡RTK技術的覆蓋范圍更加廣泛，操作步驟更加簡便。由于虛擬參考站的網絡位置就在流動站附近，因此可靠性和精度得到了進一步提升，同時避免了外界因素的干擾。網絡RTK技術的構成如圖2所示。

圖2 網絡RTK技術構成

2 研究內容

廣播電視的信號發射環節非常重要。由于廣電發射塔一般地處高山地區，維護維修不便。基于此，設計一種基于網絡RTK定位技術的高精度發射塔狀態監測方法，保證廣電信號安全優質播出。

在實際應用中，在發射塔無傾斜變化、塔基無沉降的基礎上，將2個接收機水平地固定在塔頂，對衛星進行持續觀測。根據實際觀測值，與安裝時監測的基礎數值進行矢量計算，以此來監測發射塔的傾斜狀況。將1個接收機固定在塔基，將實際觀測數值與安裝時監測的基礎數值進行對比，以此監測發射塔的整體位移和沉降。接收機接收虛擬基準站發送過來的差分改正數據信息，用來對接收機進行差分定位并將數據回傳至數據處理中心，解算出發射塔有無傾斜角度、位移及沉降等信息。作為RTK技術的主要原理，載波相位差分技術對測量值周跳的探測是定位精度是否接近真實值的關鍵。發射塔監測系統構成如圖3所示。

3 周跳的探測

3.1 傳統周跳探測方法的優缺點

Turbo Edit組合法是Blewitt提出的將GF組合和MW組合相融合的基于雙頻接收機的周跳檢測方法。該方法不需要測站坐標和衛星位置數據等信息，可以在任何長度的基線上應用，對非差載波相位觀測值進行周跳檢測。因為擁有較高的檢測精度，該方法使用廣泛。但經過其他學者實驗證明，Turbo Edit組合法雖然對粗差判斷的比較準確，但觀測偽距時的噪聲比較大，且對特殊組合周跳的反應不夠靈敏。這樣不僅在GF組合法中對偽距測量值的多項式擬合引入了人為誤差，還降低了MW組合的檢測精度，因此Turbo Edit組合法在檢測1～2周的小周跳時不敏感[3]。

圖3 發射塔監測系統構成

電離層殘差法是一種在歷元間電離層改變量較小特性的基礎上檢測周跳的方法。在忽略多路徑效應和測量誤差后，求得雙頻載波L1和L2的相位觀測值之差：

式中：B為電離層改變系數；f1和f2分別為雙頻載波L1和L2的頻率；M1和M2為相位整周數。將上式兩端同時除以λ1，即可求得電離層殘差為：

歷元之間的電離層殘差之差即為周跳檢驗量：

在電離層較為穩定且不發生周跳的情況下，電離層延遲變化量為亞厘米級。若歷元之間的電離層殘差突然發生改變，則說明載波L1或L2的相位觀測值可能發生了周跳。由于在較短的觀測間隔（幾秒鐘）下，電離層延遲變化量非常小，一般維持在0.05 cm之內，一旦檢測量超過0.1 cm，則可以認定為發生了周跳。利用該方法能監測到1周左右的小周跳，但無法判斷出該周跳出現在哪一頻率上，對于一些特殊的周跳組合也無法探測[4]。

3.2 改進的周跳探測方法

總結Turbo Edit組合法和電離層殘差法的優點和缺點發現，這兩種方法在廣電發射塔狀態監測的實際應用中，對周跳的探測能實現缺點互補[5]。利用Turbo Edit組合法判斷第n個歷元是否存在周跳，如果沒有探測到，則利用電離層殘差法再探測一遍，若仍然沒有，則進行n+1個歷元的探測。一旦檢測到周跳的發生，則利用式（4）進行周跳的計算：

通過式（4）計算出浮點解并設定檢索范圍(ΔM1±4φn,ΔM2±4φn)，若檢索范圍內沒有整數解，則再將檢索范圍增加一倍，函數為：

為了驗證該方法的有效性，取部分不含周跳采樣間隔為1 s的衛星載波L1相位觀測值在MATLAB平臺進行仿真實驗，MW組合檢測量和電離層殘差檢測量分別如圖4和圖5所示。

圖4 MW組合檢測量

圖5 電離層殘差檢測量

由圖4可以看出，由于觀測偽距噪聲的存在，MW組合檢測量的波動范圍比較大，無法敏感地探測出1～2周的周跳。而圖5所示電離層殘差檢測量的波動范圍則小的多，大大提升了對小周跳的探測精度。將兩種方法結合應用，可以在剔除噪聲的同時提高檢測精度。

將衛星載波L1相位觀測值人為地加入上述兩種方法的不敏感周跳，以測試改進方法的有效性。在歷元40加入MW組合不敏感值（5，5），歷元90加入小周跳（1，1），歷元160加入正常周跳（3，5），歷元240加入電離層殘差不敏感值（9，7），利用改進的周跳探測方法，實驗結果如圖6和圖7所示。

實驗結果證明，改進后的周跳探測方法能夠很好地將原先各自不敏感的周跳互補地檢測出來。

圖6 加入周跳的MW組合檢測量

圖7 加入周跳的電離層殘差檢測量

4 發射塔狀態監測

改進后的周跳探測方法能夠大大提升網絡RTK技術對發射塔形變監測的定位精度。塔頂水平設置的2個GNSS接收機可以獲得接收機基于當前站點的三維坐標系A(X1,Y1,Z1)，B(X2,Y2,Z2)，利用該坐標系數據可以計算出2個GNSS接收機連成的直線與水平面形成的夾角β，這個角就是發射塔與地面的傾斜角，公式如下：

取一段時間的監測平均值作為發射塔的基準數值，將不同時間段的監測值與基準數值進行比較，得出該時間段內發射塔的形變狀態和變化趨勢。塔基GNSS接收機監測塔基的位移和沉降，通過對比塔基接收機的監測基準數值，可以直觀地了解塔基具體的沉降和位移數值。

5 結 語

與傳統的慣性測量方式和傾角傳感器方式相比，基于GNSS技術的廣電發射塔狀態監測方法能夠方便地獲取發射塔的地理位置信息、形變信息及塔基位移和沉降信息。相對于傳統方式，該方法的布設成本較低。改進的周跳探測方法，能有效地過濾檢測量中存在的噪聲，并使周跳檢測變得更加敏感。在不改變硬件結構的基礎上，該方法能有效地提升接收機的定位精度，從而獲得更加準確的發射塔狀態參數，為工作人員對發射塔的維護提供堅實的理論基礎及數據支撐。