引文格式： 林超，鄒勁，黃俊銘. 基于北斗的高精度測(cè)量接收機(jī)在位移監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究[J].測(cè)繪通報(bào)，2015(2)：64-66.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2015.0043

基于北斗的高精度測(cè)量接收機(jī)在位移監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究

林超，鄒勁，黃俊銘

(廣州中海達(dá)衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)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(cè)量接收機(jī)的設(shè)計(jì)方案，分析了其在位移監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。北斗高精度GNSS測(cè)量接收機(jī)的應(yīng)用使國(guó)家重點(diǎn)行業(yè)尤其是關(guān)系國(guó)家安全的特殊行業(yè)逐漸擺脫以 GPS 為首要定位和授時(shí)手段的應(yīng)用需求，滿足了市場(chǎng)對(duì)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)衛(wèi)星導(dǎo)航高精度監(jiān)測(cè)模塊的需求，市場(chǎng)前景非常廣闊。

關(guān)鍵詞：北斗高精度測(cè)量接收機(jī)；位移監(jiān)測(cè)；單歷元實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)解算；北斗系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：P228.4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

收稿日期：2013-11-14

作者簡(jiǎn)介：林超(1985—)，女，碩士，主要從事基于北斗芯片的測(cè)量接收機(jī)研制方案及應(yīng)用研究，大比例尺4D數(shù)據(jù)的采集、編輯研究。E-mail：lin_851028@163.com

一、引言

位移監(jiān)測(cè)是變形監(jiān)測(cè)中的一個(gè)分支，是指監(jiān)測(cè)體在各種影響因素的作用下,其位置在時(shí)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(dòng)及大壩變形位移等。由于許多災(zāi)害的發(fā)生與位移變形有著極為密切的聯(lián)系，因而，位移變形監(jiān)測(cè)研究在國(guó)內(nèi)外受到了廣泛的重視。近十幾年來，占據(jù)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)主導(dǎo)地位的GPS系統(tǒng)以其精度高、速度快、全天候等優(yōu)點(diǎn)成為當(dāng)今最先進(jìn)的位移監(jiān)測(cè)手段，已廣泛用于各類位移監(jiān)測(cè)。

2013年是中國(guó)的北斗應(yīng)用產(chǎn)業(yè)化元年，北斗系統(tǒng)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(bào)文通信功能，成功應(yīng)用在測(cè)繪、電信、水利、建筑變形監(jiān)測(cè)、交通運(yùn)輸和國(guó)家安全等諸多領(lǐng)域，為我國(guó)發(fā)展北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)做好了充分的技術(shù)和市場(chǎng)鋪墊。自主研制基于北斗系統(tǒng)的高精度測(cè)量接收機(jī)將是我國(guó)北斗系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵支撐之一[1-4]。

二、設(shè)計(jì)總體思路

接收機(jī)主要分為硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)、內(nèi)置單歷元實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)解算設(shè)計(jì)和固件平臺(tái)。

1. 硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

核心采用高配的ARM9CPU，主頻高達(dá)400MHz，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間1GB字節(jié)，結(jié)合衛(wèi)星接收模塊、電源模塊、3G/GPRS網(wǎng)絡(luò)通信模塊、藍(lán)牙模塊等，構(gòu)成整個(gè)硬件平臺(tái)，如圖1、表1所示。

圖1　北斗兼容型高精度測(cè)量型接收機(jī)硬件框架

表1　硬件模塊功能說明

2. 單歷元實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)解算設(shè)計(jì) [5-9]

單歷元實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)解算系統(tǒng)包括基準(zhǔn)站、移動(dòng)站及通信鏈路。通信鏈路可用無線設(shè)備來實(shí)現(xiàn)。

(1) 基準(zhǔn)站設(shè)計(jì)

基站利用自身的觀測(cè)值與已知位置進(jìn)行較差，產(chǎn)生基于偽距和載波的改正值，并將基站位置、基站觀測(cè)值或改正數(shù)打包成用戶需要的差分?jǐn)?shù)據(jù)格式，通過無線設(shè)備發(fā)送到移動(dòng)站，如圖2所示。

圖2　基站流程

(2) 移動(dòng)站設(shè)計(jì)

移動(dòng)站接收來自基準(zhǔn)站的差分?jǐn)?shù)據(jù)，通過雙差消除相關(guān)誤差，基于移動(dòng)站的初始位置先驗(yàn)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(yīng)卡爾曼濾波器求解高精度變形信息，如圖3所示。

圖3　移動(dòng)站單歷元實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)流程圖

3. 固件平臺(tái) [9]

固件平臺(tái)采用嵌入式Linux操作系統(tǒng)平臺(tái)，結(jié)合SQLite數(shù)據(jù)庫和上層的功能模塊(如圖4、表2所示)，構(gòu)成整套固件平臺(tái)。

圖4　北斗兼容型高精度測(cè)量型接收機(jī)固件模塊

表2　固件平臺(tái)

三、北斗高精度測(cè)量接收機(jī)在位移監(jiān)測(cè)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

1. 減少接收機(jī)對(duì)觀測(cè)衛(wèi)星的鎖定時(shí)間

北斗系統(tǒng)的GEO衛(wèi)星位置相對(duì)于地球靜止，其衛(wèi)星信號(hào)往往更容易捕獲到，IGSO衛(wèi)星其次，MEO衛(wèi)星最難捕獲。因此，相比于GPS系統(tǒng)衛(wèi)星均為MEO衛(wèi)星，BDS系統(tǒng)的衛(wèi)星信號(hào)更容易捕獲得到，從而減少了接收機(jī)對(duì)衛(wèi)星的鎖定時(shí)間。

2. 北斗信號(hào)抗干擾能力更強(qiáng)，觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量更高

首先，北斗播發(fā)的民用碼偽距精度比GPS的C/A碼精度高，衛(wèi)星信號(hào)強(qiáng)度也優(yōu)于GPS衛(wèi)星，穿透力更強(qiáng)，更適合于在遮擋或者電磁干擾環(huán)境下使用；其次，GPS的L2波段經(jīng)過加密，須采用無碼跟蹤技術(shù)才能捕獲，降低了跟蹤性能，從而導(dǎo)致L2數(shù)據(jù)容易丟失影響解算，北斗B1、B2波段信號(hào)均為民用信號(hào)，信號(hào)強(qiáng)度相當(dāng)，數(shù)據(jù)完整性更好；最后，BDS系統(tǒng)的衛(wèi)星高度角普遍大于GPS系統(tǒng)，不容易受多路徑效應(yīng)影響，并且在穿透電離層與對(duì)流層時(shí)能夠減少電離層延遲和對(duì)流層延遲影響，觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量更高(如圖5所示)。

3. 增加了 RTK作用距離

BDS系統(tǒng)是國(guó)際上第一個(gè)三頻實(shí)用化衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，三頻數(shù)據(jù)有利于進(jìn)行更多的觀測(cè)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(shí)間，增加RTK的作用距離(見表3)。

圖5　GPS/BDS信號(hào)噪聲統(tǒng)計(jì) (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(shí)間及作用距離分析

4. 縮短 RTK初始化時(shí)間、提高 RTK定位精度

北斗系統(tǒng)與GPS系統(tǒng)頻率相近，均采用了碼分多址技術(shù)，方便了多頻模糊度處理；廣播星歷內(nèi)容采用軌道參數(shù)，與GPS系統(tǒng)相似；北斗時(shí)間系統(tǒng)與GPS系統(tǒng)相差固定值，坐標(biāo)系統(tǒng)與GPS系統(tǒng)只存在厘米級(jí)差異，容易歸一化數(shù)據(jù)處理。因此，利用BDS/GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)可實(shí)現(xiàn)雙系統(tǒng)RTK無縫兼容解算，明顯縮短RTK初始化時(shí)間，提高RTK的定位精度。

5. BDS系統(tǒng)顯著提高了亞太地區(qū)的空間可用性和時(shí)間可用性

在亞太地區(qū)，可以在全時(shí)段或絕大多數(shù)時(shí)段里觀測(cè)到GEO衛(wèi)星和IGSO衛(wèi)星，正常情況下可以觀測(cè)到10顆左右的北斗衛(wèi)星；在城市街道等嚴(yán)重遮擋環(huán)境下，單獨(dú)依靠GPS系統(tǒng)或BDS系統(tǒng)進(jìn)行導(dǎo)航定位往往會(huì)因?yàn)榻邮盏男l(wèi)星數(shù)過少而解算失?。欢揽緽DS/GPS雙系統(tǒng)仍然可以接收到足夠多的衛(wèi)星，實(shí)現(xiàn)了北斗系統(tǒng)對(duì)亞太地區(qū)的區(qū)域增強(qiáng)，并顯著提高在嚴(yán)重遮擋環(huán)境下的空間可用性和時(shí)間可用性，如圖6、圖7所示。

四、結(jié)束語

安監(jiān)領(lǐng)域的位移監(jiān)測(cè)成為關(guān)系國(guó)計(jì)民生的重大問題，衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)成為位移監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的主流技術(shù)發(fā)展方向，北斗高精度測(cè)量接收機(jī)可以為北斗在位移監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用提供核心技術(shù)支撐。而面向水利、電力、橋梁、礦區(qū)、地震等國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要領(lǐng)域的監(jiān)測(cè)預(yù)警需求，使國(guó)家重點(diǎn)行業(yè)尤其是關(guān)系國(guó)家安全的特殊行業(yè)逐漸擺脫以GPS為首要定位和授時(shí)手段的應(yīng)用需求，滿足市場(chǎng)對(duì)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)衛(wèi)星導(dǎo)航高精度監(jiān)測(cè)模塊的需求[10-11]。

圖6　中國(guó)不同地區(qū)觀測(cè)北斗系統(tǒng)GEO與IGSO衛(wèi)星數(shù)

圖7　不同觀測(cè)環(huán)境下BDS/GPS組合定位性能

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