基于雙模通信技術(shù)的GNSS地表位移解算精度分析

收稿日期：2023-05-24

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2024.03.012

摘" 要：地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測中往往通過移動通信的方式將觀測數(shù)據(jù)回傳至服務(wù)器，數(shù)據(jù)傳輸方式比較單一，對于信號不穩(wěn)定或?yàn)?zāi)害造成的信號中斷問題難以解決。結(jié)合使用電臺自組網(wǎng)通信技術(shù)與4G通信技術(shù)，研制具備雙模通信方式的GNSS接收機(jī)，彌補(bǔ)單模通信的短板。在穩(wěn)定區(qū)域搭建測試環(huán)境，以4G通信為基準(zhǔn)，驗(yàn)證電臺自組網(wǎng)通信方式的穩(wěn)定性與可靠性。將基準(zhǔn)站安裝在穩(wěn)定位置，分別在距離基準(zhǔn)站1.5、3、5、6 km位置各安裝一臺GNSS接收機(jī)，各主機(jī)均開啟電臺與4G兩路數(shù)據(jù)傳輸，驗(yàn)證電臺數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量隨距離增大的衰減程度。根據(jù)測試結(jié)果，驗(yàn)證電臺傳輸方式的適用場景及最佳組網(wǎng)距離。

關(guān)鍵詞：地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測；雙模通信技術(shù)；電臺自組網(wǎng)；最佳組網(wǎng)距離

中圖分類號：TN929.5" 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A" 文章編號：2096-4706（2024）03-0054-06

Accuracy Analysis of GNSS Surface Displacement Resolving Based on

Dual-mode Communication Technology

LIU Shiyun， GUO Qianqian， PAN Weifeng

（Guangzhou Southern Satellite Navigation Instrument Co.， Ltd.， Guangzhou" 510663， China）

Abstract： In geological disaster monitoring， the observation data is often transmitted back to the server through mobile communication， and the data transmission mode is relatively single， the signal interruption problem caused by signal instability or disaster is difficult to solve. By combining radio station's Ad Hoc Network communication technology with 4G communication technology， a GNSS receiver with dual-mode communication mode is developed to compensate for the shortcomings of single-mode communication. Build a testing environment in a stable area， using 4G communication as a benchmark， to verify the stability and reliability of the radio station's Ad Hoc Network communication method. Install the benchmark station in a stable position， and install one GNSS receiver at a distance of 1.5， 3， 5， and 6 km respectively from the benchmark station. Each host should enable data transmission between the radio station and 4G channels to verify the degree of attenuation of the radio station data transmission quality with increasing distance. Based on the test results， verify the applicable scenarios and optimal networking distance of the radio station transmission method.

Keywords： geological disaster monitoring; dual-mode communication technology; radio station's Ad Hoc Network; optimal networking distance

0" 引" 言

2021年自然資源部推行普適型地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測設(shè)備野外試用的工作，重點(diǎn)是推進(jìn)新技術(shù)、新方法試用示范。在符合《地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測通信技術(shù)要求》和《地質(zhì)災(zāi)害專群結(jié)合監(jiān)測預(yù)警技術(shù)規(guī)范》基礎(chǔ)上，積極推進(jìn)非接觸式、自組網(wǎng)、衛(wèi)星通信等新技術(shù)、新方法的示范應(yīng)用[1-3]。

地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測工程為生命工程，其對監(jiān)測數(shù)據(jù)穩(wěn)定性、實(shí)時性、準(zhǔn)確性有著高標(biāo)準(zhǔn)和高要求。GNSS地表位移監(jiān)測可以準(zhǔn)確反映監(jiān)測體的三維絕對變形，是地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測中的一項(xiàng)重要內(nèi)容[4-7]。基于地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)的環(huán)境條件，GNSS監(jiān)測接收機(jī)通過4G/5G通信方式將觀測數(shù)據(jù)回傳至遠(yuǎn)程服務(wù)器，在服務(wù)器上完成解算。4G/5G通信方式打破了距離限制，極大程度上保障了監(jiān)測的有效性。但在信號不穩(wěn)定的隱患點(diǎn)，該方式會出現(xiàn)GNSS觀測數(shù)據(jù)無法回傳或數(shù)據(jù)不連續(xù)等問題，可用于解算的數(shù)據(jù)質(zhì)量下降，導(dǎo)致解算失真甚至解算失敗；且災(zāi)害的發(fā)生時常伴隨著移動通信信號的暫時中斷，依賴移動數(shù)據(jù)單模通信，在災(zāi)害發(fā)生時存在短板。研制具備兩條或以上通信鏈路的GNSS接收機(jī)，可以很大程度上彌補(bǔ)單模通信的短板。

1" 電臺自組網(wǎng)技術(shù)原理

1.1" 電臺組網(wǎng)技術(shù)

電臺自組網(wǎng)通信技術(shù)是由多個電臺模塊組建局域網(wǎng)絡(luò)，通過無線電實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。GNSS接收機(jī)內(nèi)置電臺模塊，通過參數(shù)配置，將對應(yīng)GNSS接收機(jī)分別設(shè)置為基準(zhǔn)站或監(jiān)測站，電臺可采用時分多址或頻分多址的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，各個監(jiān)測站設(shè)置不同的傳輸時間或傳輸頻點(diǎn)，將數(shù)據(jù)統(tǒng)一發(fā)送至基準(zhǔn)站[8-12]。在無4G網(wǎng)絡(luò)信號的監(jiān)測區(qū)域，具備電臺模塊的終端機(jī)可以只通過電臺傳輸數(shù)據(jù)到基站網(wǎng)關(guān)主機(jī)，由基站網(wǎng)關(guān)主機(jī)將終端機(jī)數(shù)據(jù)通過4G/5G或短報文傳輸?shù)椒?wù)器；若終端機(jī)以4G/5G信號傳輸為主時，當(dāng)終端機(jī)的4G/5G信號出現(xiàn)異常時，則切換到電臺將數(shù)據(jù)傳送給基站網(wǎng)關(guān)。由于基站一般安裝在通信條件良好的穩(wěn)定區(qū)域，可極大保障數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸，因此可由基站網(wǎng)關(guān)主機(jī)通過4G/5G通信的方式將數(shù)據(jù)回傳至服務(wù)器，確保終端機(jī)監(jiān)測數(shù)據(jù)不間斷傳輸?shù)椒?wù)器。技術(shù)框架圖如圖1所示。

圖1" 技術(shù)框架圖

1.2" 高精度解算原理

精密定位解算首先按偽距差分方法，利用基準(zhǔn)站的偽距差對流動站的觀測偽距進(jìn)行改正，得到流動站改正后的偽距觀測值；然后利用流動站的載波相位觀測值對改正后的偽距觀測值進(jìn)行平滑，得到流動站平滑后的偽距觀測值；最后按偽距差分方法解算流動站坐標(biāo)并進(jìn)行精度評定。

設(shè)置在基線兩端點(diǎn)的接收機(jī)相對于周圍的參照物固定不動，通過連續(xù)觀測獲得充分的多余觀測數(shù)據(jù)，解算基線向量，稱為靜態(tài)相對定位。靜態(tài)相對定位，一般均采用測相偽距觀測值作為基本觀測量。

通用的靜態(tài)基線解算過程為：首先根據(jù)選擇的數(shù)學(xué)模型建立觀測方程，然后根據(jù)估計方法（如最小二乘或Kalman濾波）得到浮點(diǎn)解，再根據(jù)模糊度浮點(diǎn)解及其方差協(xié)方差陣固定模糊度（使用LAMBDA方法或其他模糊度搜索方法），最后計算模糊度固定解，固定解為最終的基線解。安置在基線端點(diǎn)的GNSS接收機(jī)Ti（i = 1，2），相對于衛(wèi)星S j和S k，于歷元ti（i=1，2）進(jìn)行同步觀）測，則可獲得以下獨(dú)立的載波相位觀測量： 、 、 、 、 、 、 、 。

在靜態(tài)相對定位中，利用這些觀測量的不同組合求差進(jìn)行相對定位，可以有效地消除這些觀測量中包含的相關(guān)誤差，提高相對定位精度。目前的求差方式有三種：單差、雙差、三差。本GNSS接收機(jī)核心算法采用雙差模型，兩臺GNSS接收機(jī)安置在測站，對衛(wèi)星S j的單差為?? j（t），對衛(wèi)星S k的單差為?? k（t）。雙差觀測方程可表示為：

在上式中可見，接收機(jī)的鐘差影響完全消除，大氣折射殘差取二次差可以略去不計。該方法可以將北斗系統(tǒng)、GPS和GLONASS的數(shù)據(jù)處理方式統(tǒng)一起來，即可以單獨(dú)處理這三種系統(tǒng)，也可以聯(lián)合處理它們的組合。

2" 電臺自組網(wǎng)通信可靠性測試

2.1" 現(xiàn)場測試

在穩(wěn)定、開闊、無明顯信號干擾區(qū)域架設(shè)GNSS基準(zhǔn)站和GNSS監(jiān)測站，為盡可能減少組網(wǎng)距離對定位精度帶來的影響，各監(jiān)測站與基準(zhǔn)站直線距離均小于5 m，每千米誤差累積可忽略不計。本次測試共設(shè)立一個GNSS基準(zhǔn)站和3個GNSS監(jiān)測站，GNSS接收機(jī)內(nèi)置電臺模塊采用頻分多址的傳輸方式。分別對4臺GNSS接收機(jī)進(jìn)行參數(shù)配置，將目標(biāo)基準(zhǔn)站接收機(jī)配置為基準(zhǔn)站模式，負(fù)責(zé)匯聚監(jiān)測站電臺發(fā)送的數(shù)據(jù)，并將自身與各監(jiān)測站數(shù)據(jù)發(fā)送至服務(wù)器；其他三臺接收機(jī)配置為監(jiān)測站模式，并分別配置電臺傳輸頻率，負(fù)責(zé)將接收到的衛(wèi)星數(shù)據(jù)通過電臺傳輸?shù)姆绞桨l(fā)送至基準(zhǔn)站。測試現(xiàn)場及點(diǎn)位分布如圖2所示。

圖2" 測試現(xiàn)場及點(diǎn)位分布圖

在良好環(huán)境下，4G/5G傳輸具有優(yōu)越性，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性和完整性可以保障，因此各GNSS接收機(jī)配置TCP/IP數(shù)據(jù)鏈路，電臺傳輸?shù)耐瑫r，通過4G回傳一路數(shù)據(jù)至遠(yuǎn)程服務(wù)器，通過對比兩種通信方式的解算結(jié)果及衛(wèi)星數(shù)據(jù)質(zhì)量，驗(yàn)證電臺傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

2.2" 數(shù)據(jù)質(zhì)量分析

為分析電臺傳輸方式數(shù)據(jù)的完整性，采用GNSS數(shù)據(jù)處理工具對數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行分析。分別選取各站點(diǎn)連續(xù)6小時觀測數(shù)據(jù)，導(dǎo)入南方地理數(shù)據(jù)處理平臺軟件（SGO），得到衛(wèi)星數(shù)據(jù)歷元接收顯示圖，初步判斷數(shù)據(jù)連續(xù)性情況。為得到具體的量化數(shù)據(jù)質(zhì)量指標(biāo)，將4G與電臺兩種傳輸方式獲取的數(shù)據(jù)導(dǎo)入TEQC數(shù)據(jù)分析工具，計算數(shù)據(jù)的完整性、多路徑和周跳比。選取監(jiān)測站01連續(xù)兩小時數(shù)據(jù)進(jìn)行展示，數(shù)據(jù)完整性與多路徑誤差MP1/MP2曲線分別如圖3所示。（其中MP1/MP2是多路徑效應(yīng)對L1/L2兩個頻點(diǎn)偽距觀測值影響的平均值，因L1/L2頻點(diǎn)為四個衛(wèi)星系統(tǒng)（北斗、GPS、GLONASS、Galileo）共有頻點(diǎn)，對比性較強(qiáng)，故本次主要分析MP1/MP2值。）

由圖3可知，在超短基線距離下，電臺與4G傳輸兩種方式的衛(wèi)星數(shù)據(jù)完整性均達(dá)到95%及以上，多路徑效應(yīng)帶來的誤差小于0.4 m，滿足規(guī)范對于衛(wèi)星數(shù)據(jù)質(zhì)量的要求。在該情況下，可以保障數(shù)據(jù)解算效果的可靠性。

2.3" 數(shù)據(jù)解算效果展示

在GNSS監(jiān)測應(yīng)用中，增加觀測時長在一定程度上會提升解算精度。常規(guī)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測項(xiàng)目中，在滿足精度和時效性要求的情況下，一般要求1～2小時解算輸出一組形變量結(jié)果，水平精度要求±2.5 mm+

0.5×10-6 RMS，垂直精度要求：5 mm+0.5×10-6 RMS。為測試電臺傳輸方式解算的可靠性，電臺與4G兩路傳輸方式均設(shè)置1小時采集時長，即1小時解算一次。選取連續(xù)5天的解算結(jié)果，各站點(diǎn)形變量曲線圖分別如圖4～6所示。

由圖4至圖6可知，在超短基線距離下，電臺傳輸方式的數(shù)據(jù)解算結(jié)果與4G結(jié)果相匹配，水平解算精度基本在±2 mm以內(nèi)，高程解算精度基本在±3 mm以內(nèi)，完全滿足地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測規(guī)范對于GNSS地表位移監(jiān)測精度的要求。

3" 電臺組網(wǎng)傳輸質(zhì)量與距離關(guān)系測試

在超短基線距離下，通過與4G傳輸方式對比，電臺組網(wǎng)傳輸方式數(shù)據(jù)完整性、解算結(jié)果精度均滿足常規(guī)要求。但在具體應(yīng)用場景中，基站與監(jiān)測站的距離一般不僅僅是幾米，以地災(zāi)監(jiān)測中一個隱患點(diǎn)為例，監(jiān)測站與基站距離一般在1～2 km，遠(yuǎn)距離情況下可達(dá)3～4 km。為驗(yàn)證不同距離下電臺組網(wǎng)傳輸質(zhì)量與衰減程度，尋求電臺典型適用場景與最佳傳輸距離，進(jìn)行了對應(yīng)的測試研究。

3.1" 理論距離測算

影響電臺通信距離的主要因素有模塊的功率、模塊的靈敏度、模塊的選擇性、天線的高度、天線的類型、饋線的長度及線徑、所在地區(qū)無線電干擾的頻譜分布、高大建筑或金屬物體與天線的相對位置、地形地貌等環(huán)境因素。一般來說0.5 W（如F21DM型）數(shù)傳電臺的通信距離在3 km左右，5 W數(shù)傳電臺（如F21DM型）在10 km左右[13-15]。

測試所用自組網(wǎng)GNSS接收機(jī)，電臺模塊使用的是自制的SMOS-NETWORK電臺模塊，同時兼容XDL電臺和華信。電臺模塊主要是通過串口與CPU進(jìn)行通信。內(nèi)置電臺模塊理論組網(wǎng)距離可達(dá)8 km。

3.2" 現(xiàn)場測試

在可靠性測試基礎(chǔ)上，保持基準(zhǔn)站位置不變，分別在距離基準(zhǔn)站約1.5、3、5、6 km（均為直線距離）的穩(wěn)定區(qū)域各安置一臺GNSS接收機(jī)，保持現(xiàn)場搜星良好及供電穩(wěn)定。現(xiàn)場測試設(shè)備安裝實(shí)物圖如圖7所示。

圖7" 現(xiàn)場安裝實(shí)物圖

3.3" 數(shù)據(jù)解算效果展示

不同基線距離下電臺傳輸數(shù)據(jù)解算結(jié)果如圖8所示。

由圖8可知，當(dāng)基線距離1.5 km時，電臺傳輸方式水平整體精度在±3 mm以內(nèi)，高程整體精度在±4 mm以內(nèi)。當(dāng)基線距離3 km時，解算結(jié)果精度較

1.5 km時稍有衰減，水平精度在±4 mm以內(nèi)，高程精度在±6 mm以內(nèi)。當(dāng)基線距離5 km時，解算結(jié)果精度較3 km時稍有衰減，水平精度基本在±8 mm以內(nèi)，高程精度基本在±10 mm以內(nèi)，存在個別跳點(diǎn)達(dá)到13 mm。當(dāng)基線距離6 km時，電臺傳輸方式精度衰減嚴(yán)重，解算成功次數(shù)較正常狀態(tài)減少近50%，數(shù)據(jù)跳動較大，達(dá)到100 mm，且頻繁出現(xiàn)跳點(diǎn)，整體不具有可靠性。初步判斷是電臺傳輸方式數(shù)量質(zhì)量差或數(shù)據(jù)丟包嚴(yán)重引起的，具體情況需結(jié)合數(shù)據(jù)質(zhì)量分析進(jìn)行進(jìn)一步判斷。

3.4" 數(shù)據(jù)質(zhì)量分析

選取不同距離下連續(xù)4小時原始觀測數(shù)據(jù)，采用OBS工具將4個文件合并成1個文件，導(dǎo)入TEQC數(shù)據(jù)處理工具，得到數(shù)據(jù)完整性如圖9所示。

由圖9可知，隨著距離增加，4G傳輸方式數(shù)據(jù)完整性基本沒有變化，各衛(wèi)星系統(tǒng)數(shù)據(jù)完整性均在90%以上，證明接收機(jī)所在位置搜星狀態(tài)良好。在該環(huán)境基礎(chǔ)上，隨著距離增加，電臺傳輸方式數(shù)據(jù)完整性發(fā)生明顯變化，主要現(xiàn)象如下：

在3 km范圍內(nèi)，隨著距離增加，電臺傳輸質(zhì)量沒有明顯變化。當(dāng)距離在3～5 km之間，隨著距離增加，電臺傳輸會出現(xiàn)一定的丟包現(xiàn)象，數(shù)據(jù)完整性在85%～95%之間，數(shù)據(jù)解算基本穩(wěn)定，偶爾出現(xiàn)跳點(diǎn)，通過一定的濾波算法可以加以消除。當(dāng)距離達(dá)到6 km，電臺傳輸質(zhì)量大幅降低，數(shù)據(jù)丟包嚴(yán)重，丟包率超過50%，在該情況下，數(shù)據(jù)解算頻繁失敗，穩(wěn)定位置下解算結(jié)果波動較大，達(dá)到數(shù)十個厘米，不具備可靠性。

4" 結(jié)" 論

本文應(yīng)用具備雙模通信方式的GNSS接收機(jī)，通過在穩(wěn)定區(qū)域搭建測試環(huán)境，以4G通信為基準(zhǔn)，驗(yàn)證了電臺自組網(wǎng)通信方式的穩(wěn)定性與可靠性。經(jīng)過測試可得到如下結(jié)論：

1）當(dāng)監(jiān)測站與基準(zhǔn)站距離在3 km范圍內(nèi)，電臺傳輸方式與4G傳輸方式數(shù)據(jù)質(zhì)量相一致，整體效果良好；

2）當(dāng)監(jiān)測站與基準(zhǔn)站距離在3～5 km之間，隨著距離增大，電臺傳輸方式的數(shù)據(jù)完整性較4G稍低，數(shù)據(jù)解算基本穩(wěn)定，存在個別跳點(diǎn)，通過一定的濾波算法可以消除，基本滿足地災(zāi)監(jiān)測規(guī)范對解算精度的要求。

3）當(dāng)監(jiān)測站與基準(zhǔn)站距離達(dá)到6 km，電臺傳輸方式出現(xiàn)大量丟包，數(shù)據(jù)完整性明顯下降，解算頻繁失敗，在穩(wěn)定位置下，形變量可達(dá)十幾厘米，與實(shí)際情況不符。在該距離下，電臺傳輸不具備適用性。

4）在地質(zhì)災(zāi)害或水庫等監(jiān)測場景中，基站與監(jiān)測站距離一般在3 km以內(nèi)，電臺傳輸方式可以保障良好的數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量，有效彌補(bǔ)單模通信的短板，同時也可拓展應(yīng)用于電力、礦山、交通等短基線監(jiān)測場景。

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作者簡介：劉詩云（1991—），男，漢族，湖南邵陽人，助理工程師，碩士研究生，研究方向：地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測。