吳煥瑯

（福建三元達(dá)通訊股份有限公司，福州350000）

引 言

地質(zhì)環(huán)境自身的不穩(wěn)定性，如暗流、地下水造成的流沙等因素給環(huán)境帶來了嚴(yán)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(dòng)，也誘發(fā)了一定程度的地質(zhì)災(zāi)害。我國(guó)乃至全球地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，造成直接或間接的損失巨大，其經(jīng)濟(jì)和社會(huì)損害面呈上升趨勢(shì)，而科學(xué)有效預(yù)報(bào)技術(shù)的相對(duì)缺失，導(dǎo)致預(yù)防和控制工作的開展相對(duì)滯后。這就需要科學(xué)、先進(jìn)、有效的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)。

由于北斗具有定位快、全天候、自動(dòng)化、測(cè)站間無需通視、同時(shí)測(cè)定三維坐標(biāo)、測(cè)量精度高等特點(diǎn)［1]，是普通人工借助光學(xué)儀器測(cè)量地質(zhì)沉降的技術(shù)無法比擬的，高精度北斗監(jiān)測(cè)地質(zhì)沉降技術(shù)具有很強(qiáng)的先進(jìn)性和實(shí)用性。

1 北斗地質(zhì)沉降監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)方法

北斗連續(xù)運(yùn)行參考站網(wǎng)（Continuously Operating Reference Stations，CORS）是由若干個(gè)固定的、連續(xù)運(yùn)行的北斗參考站，利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)通信和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)組成的網(wǎng)站，實(shí)時(shí)地向不同類型、不同需求、不同層次的用戶自動(dòng)地提供北斗衛(wèi)星觀測(cè)值，如載波相位、偽距、各種改正數(shù)、狀態(tài)信息，以及其他有關(guān)北斗服務(wù)項(xiàng)目的系統(tǒng)［2]。

北斗CORS地質(zhì)沉降監(jiān)測(cè)方法是利用CORS連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位參考站技術(shù)，采用雙差解算模式，在優(yōu)化載波相位差分?jǐn)?shù)據(jù)處理方法的基礎(chǔ)上，同時(shí)處理基準(zhǔn)站和監(jiān)測(cè)站載波相位等數(shù)據(jù)，得到精確的監(jiān)測(cè)點(diǎn)相對(duì)于基準(zhǔn)點(diǎn)的形變量［3]，達(dá)到地質(zhì)沉降形變監(jiān)測(cè)目的。

基于CORS網(wǎng)絡(luò)誤差改正與模糊度實(shí)時(shí)解算的北斗CORS地質(zhì)沉降監(jiān)測(cè)參數(shù)估計(jì)方程如下［4]：

其中，λ為載波相位波長(zhǎng)；φ為載波相位觀測(cè)值；N為整周模糊度；ρ為站星間幾何距離；M為多路徑效應(yīng)誤差；ε為接收機(jī)噪聲；i、j為衛(wèi)星標(biāo)號(hào)；r、u分別為虛擬參考站所對(duì)應(yīng)的主參考站以及移動(dòng)站標(biāo)號(hào)。

δρ＝－I＋T＋O，為CORS網(wǎng)絡(luò)誤差模型改正值，包含載波相位觀測(cè)值所對(duì)應(yīng)的綜合距離相關(guān)誤差。其中，I為電離層延遲，T為對(duì)流層延遲誤差，O為衛(wèi)星軌道誤差。

由于新方法是利用CORS網(wǎng)絡(luò)誤差改正模型確定改正參數(shù)Δ▽，其不僅適用于1km以內(nèi)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(guān)誤差Δ▽影響，即使是中長(zhǎng)距離基線也可采用式（1）所描述的基線解算模型進(jìn)行處理和模糊度固定。該方法的實(shí)時(shí)誤差改正模型由電離層NLIM線性內(nèi)插模型、對(duì)流層全球先驗(yàn)?zāi)Ｐ透恼?、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(jìn)行多站融合解算可以得到各監(jiān)測(cè)站相對(duì)于基準(zhǔn)站精確三維位置變化值，從而進(jìn)行精密地質(zhì)沉降形變監(jiān)測(cè)。

地質(zhì)沉降監(jiān)測(cè)要求定位精度很高，一般選用雙頻（B1、B2）高精度北斗衛(wèi)星接收機(jī)，雙頻高精度北斗衛(wèi)星接收機(jī)可以同時(shí)接收B1、B2載波的信號(hào)，利用兩頻率對(duì)電離層延遲影響的不一樣，可消除電離層對(duì)電磁波延遲的影響。對(duì)于所有的北斗衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)而言，電離層的誤差都是固有的，結(jié)合兩個(gè)頻率的衛(wèi)星觀測(cè)信息，建立模型可以有效地消除這種誤差［5]。高精度北斗衛(wèi)星接收機(jī)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(shù)據(jù)，很適合橋梁形變監(jiān)測(cè)、地質(zhì)沉降監(jiān)測(cè)等高精度測(cè)量。

2 北斗衛(wèi)星接收機(jī)的工作原理

模擬前端作為衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)非常重要的一個(gè)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(shù)轉(zhuǎn)換器等模塊組成［6]。目前的技術(shù)水平已經(jīng)可以把這部分電路集成在一個(gè)IC里，實(shí)現(xiàn)了模擬前端小型化、低成本和低功耗。北斗衛(wèi)星接收機(jī)的原理框圖如圖1所示。

數(shù)字處理通道及其后續(xù)的星歷計(jì)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(gè)系統(tǒng)的控制使用ARM7MCU即可完成。數(shù)字處理通道原理框圖如圖2所示。

圖2 數(shù)字處理通道原理框圖

3 北斗地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

北斗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由基準(zhǔn)站、監(jiān)測(cè)站、通信網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)服務(wù)器、管理平臺(tái)及相關(guān)軟件組成。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖略——編者注。

3.1 地質(zhì)沉降主要監(jiān)測(cè)內(nèi)容

3.1.1 位移監(jiān)測(cè)

位移監(jiān)測(cè)地質(zhì)沉降區(qū)域位移量、位移變形速度、滑體活動(dòng)范圍。地質(zhì)沉降區(qū)位移監(jiān)測(cè)由地表位移監(jiān)測(cè)和深部位移監(jiān)測(cè)兩部分組成。

地表位移監(jiān)測(cè)包含平面位移量監(jiān)測(cè)和垂直方向（即高程）的位移量監(jiān)測(cè)。觀測(cè)方法很多，可根據(jù)具體情況因地制宜地使用觀測(cè)方法。采用高精度北斗衛(wèi)星接收機(jī)監(jiān)測(cè)位移方法最為妥當(dāng)，一臺(tái)北斗接收機(jī)可以同時(shí)完成水平位移和垂直位移采集。

深部位移監(jiān)測(cè)方法主要有測(cè)斜儀法、放射線同位素法、電阻絲法等，目前較為適用的是測(cè)斜儀法。

3.1.2 地下水監(jiān)測(cè)

掌握地下水在不同氣候條件下的活動(dòng)規(guī)律，分析地下水對(duì)地質(zhì)沉降的影響程度，為地質(zhì)沉降及滑坡預(yù)報(bào)提供可靠的資料和信息，需要對(duì)地下水位、水量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

3.2 沉降監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)站的選取

基準(zhǔn)站是整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基準(zhǔn)參考，如圖3所示，基準(zhǔn)站上設(shè)立高精度北斗接收機(jī)采集衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)。基準(zhǔn)站需建在穩(wěn)定的基巖上，一方面要求該點(diǎn)的周邊無明顯的遮擋物體，確保衛(wèi)星信號(hào)的覆蓋面，另一方面要求遠(yuǎn)離大型變電站、高壓線、大功率無線基站等干擾源。

基準(zhǔn)站具備如下功能：

①基準(zhǔn)站設(shè)計(jì)為無人值守型。

圖3 基準(zhǔn)站

②基準(zhǔn)站北斗／GPS接收機(jī)實(shí)時(shí)向數(shù)據(jù)處理中心發(fā)送載波相位、偽距等數(shù)據(jù)。

③斷電情況下，基準(zhǔn)站能夠依靠自身的后備電源正常工作12小時(shí)以上，保存北斗／GPS數(shù)據(jù)，向控制中心和有關(guān)單位報(bào)警。

基準(zhǔn)站址選擇：

①需要建設(shè)在已知地理坐標(biāo)上；

②站點(diǎn)必須建設(shè)在穩(wěn)固的地段上；

③站點(diǎn)要求觀測(cè)環(huán)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(shè)備供電正常、通信網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定。

3.3 地質(zhì)沉降監(jiān)測(cè)站的設(shè)計(jì)

在整個(gè)區(qū)域形變特征點(diǎn)上布設(shè)地質(zhì)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)地質(zhì)沉降點(diǎn)安裝高精度北斗衛(wèi)星接收機(jī)觀測(cè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平和高程的形變情況，以此反映整個(gè)區(qū)域的形變。沉降區(qū)域監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布圖如圖4所示。監(jiān)測(cè)站圖略——編者注。

圖4 沉降區(qū)域監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布圖

監(jiān)測(cè)站點(diǎn)選擇：

①建設(shè)在地質(zhì)錯(cuò)層、位移比較明顯的地段上；

②選擇觀測(cè)環(huán)境條件良好的位置建設(shè)觀測(cè)墩；

③遠(yuǎn)離干擾源，要求供電、網(wǎng)絡(luò)傳輸性能穩(wěn)定；

④監(jiān)測(cè)站的觀測(cè)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(wǎng)絡(luò)選擇分析

通信網(wǎng)絡(luò)是連接基準(zhǔn)站、監(jiān)測(cè)站到數(shù)據(jù)處理中心，以及數(shù)據(jù)處理中心到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的通信鏈路。

北斗地質(zhì)沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的通信方式有無線藍(lán)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(jù)具體情況選用。

從地質(zhì)沉降區(qū)域監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布圖看出，監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間的距離較近，監(jiān)測(cè)點(diǎn)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(wèi)星數(shù)據(jù)量相對(duì)較大，監(jiān)測(cè)站離基準(zhǔn)站以及數(shù)據(jù)處理中心又都比較遠(yuǎn)，綜合各種通信手段特點(diǎn)，這里采用了CPE＋無線基站＋網(wǎng)橋的通信方式。

系統(tǒng)通信方式采用兩級(jí)無線傳輸技術(shù)方案，如圖5所示，監(jiān)測(cè)中心與中轉(zhuǎn)點(diǎn)之間通過網(wǎng)橋建立無線傳輸鏈路，通過5.8G進(jìn)行傳輸可以減少干擾提高效率；中轉(zhuǎn)點(diǎn)處利用基站對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行2.4G無線覆蓋，監(jiān)測(cè)點(diǎn)通過CPE連接基站的無線信號(hào)接入。

圖5 通信網(wǎng)絡(luò)

4.1 CPE介紹

CPE產(chǎn)品特點(diǎn)：

①支持IEEE 802.11n標(biāo)準(zhǔn)，2X2MIMO定向天線架構(gòu)，接入速率高達(dá)300Mbps；

②支持無線轉(zhuǎn)有線。

CPE外觀圖如圖6所示。

圖6 CPE外觀圖

4.2 網(wǎng)橋介紹

網(wǎng)橋產(chǎn)品特點(diǎn)：

①基于802.11n標(biāo)準(zhǔn)，支持?jǐn)?shù)據(jù)速率高達(dá)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(biāo)準(zhǔn)SNMP、Web管理界面等。

④支持WEP、TKIP和AES加密技術(shù)，保證用戶數(shù)據(jù)的安全傳輸。

無線網(wǎng)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(wǎng)絡(luò)的增強(qiáng)型11n室外基站產(chǎn)品，采用802.11n協(xié)議，可同時(shí)工作在2.4GHz和5.8 GHz雙頻段，單射頻可以提供高達(dá)300Mbps的接入速率，單基站可以提供600Mbps的接入速率?；就庥^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(jié) 語

地質(zhì)沉降監(jiān)測(cè)實(shí)際上是一種管理，包括信息采集、處理、結(jié)論的得出、啟動(dòng)預(yù)警、信息的反饋等功能。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展、管理水平的提高及人們觀念的轉(zhuǎn)變，人工監(jiān)測(cè)地質(zhì)沉降監(jiān)測(cè)將成為歷史，具有全天候、全自動(dòng)、24小時(shí)連續(xù)作業(yè)的北斗監(jiān)測(cè)地質(zhì)沉降系統(tǒng)將被更加廣泛的應(yīng)用。

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

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