王 純,杜 源,黃觀文,賀 星,張 歡,王 鐸,劉喜瑞,李 楊,李東旭

(1.長(zhǎng)安大學(xué)地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院,西安 710054; 2.中電科星河北斗技術(shù)(西安)有限公司,西安 710068)

0 引言

我國(guó)幅員遼闊,地形地貌紛繁復(fù)雜,但地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā),尤其是黃土高原、西南山區(qū)等地受滑坡等地質(zhì)災(zāi)害影響較大。在過去的半個(gè)多世紀(jì)以來,我國(guó)因滑坡災(zāi)害造成的死亡人數(shù)超過2.5萬人,平均每年的經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)5 000萬美元[1-2]。為了保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全,開展科學(xué)有效的滑坡監(jiān)測(cè)預(yù)警工作是防災(zāi)減災(zāi)的重要手段。

隨著近年來全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(global naviga-tion satellite system,GNSS)的快速發(fā)展,北斗/GNSS定位技術(shù)憑借其全天候、高精度、自動(dòng)化的優(yōu)點(diǎn),在地質(zhì)災(zāi)害防災(zāi)減災(zāi)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[3-4]。早期的GNSS滑坡災(zāi)害監(jiān)測(cè)是通過靜態(tài)相對(duì)定位實(shí)現(xiàn)的[5],其通過長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)同步觀測(cè),得到高精度的定位結(jié)果,但實(shí)時(shí)性較差。隨著以最小二乘模糊度降相關(guān)平差法(least squares ambiguity decorrelation adjustment,LAMBDA)為代表的快速模糊度固定理論與方法逐漸發(fā)展,實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)精密相對(duì)定位(real-time kinematic, RTK)技術(shù)成為了主流,通過該技術(shù)可以得到實(shí)時(shí)毫米級(jí)的監(jiān)測(cè)序列,但其通常對(duì)流動(dòng)站與基準(zhǔn)站之間的通信鏈路具有較高要求[6-7]。然而,一方面,大量滑坡災(zāi)害發(fā)生區(qū)域地處偏遠(yuǎn),通信設(shè)施匱乏,極易引起監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)延時(shí);另一方面,當(dāng)突發(fā)險(xiǎn)情引起地面通信設(shè)施癱瘓時(shí),無法及時(shí)準(zhǔn)確得到災(zāi)情信息,阻礙后續(xù)救災(zāi)工作的開展[8]。隨著通信技術(shù)的發(fā)展,人們對(duì)低時(shí)延信息的需求日益增長(zhǎng),尤其在滑坡災(zāi)害監(jiān)測(cè)領(lǐng)域,監(jiān)測(cè)信息的時(shí)效性甚至關(guān)乎人民生命財(cái)產(chǎn)安全。因此,在有線、無線通信網(wǎng)絡(luò)中斷的情況下,如何實(shí)現(xiàn)滑坡災(zāi)害監(jiān)測(cè)信息的及時(shí)有效傳輸成為一個(gè)值得研究的問題。

北斗區(qū)域短報(bào)文通信(regional short message communication, RSMC)技術(shù)是北斗導(dǎo)航系統(tǒng)區(qū)別于其他導(dǎo)航系統(tǒng)的一項(xiàng)通信導(dǎo)航一體化融合特色服務(wù),它通過雙向通信技術(shù),以北斗衛(wèi)星為中轉(zhuǎn)手段,根據(jù)地面站的調(diào)度規(guī)劃,將源用戶終端的消息發(fā)送至目標(biāo)用戶終端[9-11]。早在2003年,北斗一號(hào)有源導(dǎo)航系統(tǒng)就通過兩顆地球同步軌道(geostationary Earth orbiting,GEO)衛(wèi)星首次成功實(shí)現(xiàn)了短報(bào)文技術(shù)[12]。經(jīng)過近20年的發(fā)展,北斗短報(bào)文的功能與性能得到了擴(kuò)展與提升。目前,北斗三號(hào)RSMC長(zhǎng)度最長(zhǎng)可達(dá)1 000個(gè) 漢字,通信容量相較于北斗二號(hào)提升了近10倍[13]。

眾多學(xué)者針對(duì)北斗短報(bào)文技術(shù)進(jìn)行了相關(guān)研究。李博峰等提出利用北斗二號(hào)短報(bào)文進(jìn)行簡(jiǎn)化編碼差分改正信息的播發(fā),并通過多ID卡集成的方法增大帶寬,實(shí)現(xiàn)了高精度海洋定位[14]。姬生月等通過單套北斗短報(bào)文設(shè)備,提出了空間相對(duì)定位+時(shí)間相對(duì)定位的定位方案[15]。張翔宇等針對(duì)庫案滑坡中的通信盲區(qū),基于北斗短報(bào)文通信和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行了滑坡監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[16]。張亮儒等針對(duì)北斗短報(bào)文通信容量有限的問題,提出了一種帶反饋重發(fā)機(jī)制的通信方法,提高了信號(hào)發(fā)送效率和魯棒性[17]。劉雪強(qiáng)等針對(duì)高海拔區(qū)域通信易丟包的問題,提出了基于北斗短報(bào)文的高海拔區(qū)域用電信息采集方法,實(shí)現(xiàn)了居民用電信息的自動(dòng)化安全采集[18]。羅曉萌等通過將北斗短報(bào)文技術(shù)引入安全通信加密算法中,降低了通信成本并提升了通信安全性[19]。劉利等對(duì)比了基于北斗二號(hào)與北斗三號(hào)區(qū)域短報(bào)文通信的單向與雙向授時(shí)方法,證明了北斗新體制信號(hào)的優(yōu)越性[20]。以上研究豐富了北斗二號(hào)短報(bào)文技術(shù)的應(yīng)用,但基于最新的北斗三號(hào)RSMC技術(shù)討論極少,亟需對(duì)其行業(yè)應(yīng)用的優(yōu)化與可行性進(jìn)行探討。

本文結(jié)合滑坡監(jiān)測(cè)領(lǐng)域在地面通信受限下對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠惹行枨?探索了北斗三號(hào)RSMC在該領(lǐng)域中應(yīng)用的可行性,提出了一種適用于GNSS監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的短報(bào)文編碼方法,在此基礎(chǔ)上研究了編碼數(shù)據(jù)的最佳傳輸方案,并對(duì)方案的通信指標(biāo)及滑坡變形監(jiān)測(cè)可行性進(jìn)行了驗(yàn)證分析。

1 北斗三號(hào)短報(bào)文在滑坡災(zāi)害監(jiān)測(cè)中的編碼設(shè)計(jì)

1.1 GNSS滑坡災(zāi)害監(jiān)測(cè)算法

對(duì)于監(jiān)測(cè)站r和衛(wèi)星j,北斗/GNSS測(cè)碼偽距與載波相位原始觀測(cè)方程分別為

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

通過式(4)、式(5),結(jié)合序貫最小二乘或卡爾曼濾波算法,即可求解該歷元對(duì)應(yīng)變形監(jiān)測(cè)結(jié)果[22]。

1.2 北斗三號(hào) RSMC技術(shù)

北斗三號(hào)RSMC技術(shù)通過3顆GEO衛(wèi)星對(duì)中國(guó)及周邊區(qū)域用戶提供服務(wù),其服務(wù)可覆蓋東經(jīng)75°～135°、北緯10°～55°的廣大區(qū)域。在進(jìn)行短報(bào)文通信時(shí),需要將ID卡插入源用戶與目標(biāo)用戶終端,作為各自的唯一標(biāo)識(shí)[23]。源用戶終端通過上行頻段L(1 610.0～1 626.5 MHz)將消息發(fā)送給GEO衛(wèi)星,經(jīng)過地面監(jiān)測(cè)站的接收與轉(zhuǎn)發(fā),再次通過GEO衛(wèi)星以下行頻段S(2 483.5～2 500 MHz)傳遞給目標(biāo)用戶終端[11]。工作模式如圖 1所示。

圖1 北斗三號(hào)區(qū)域短報(bào)文通信示意圖Fig.1 Schematic diagram of BDS-3 regional short message communication

北斗三號(hào)RSMC的服務(wù)成功率大于95%,響應(yīng)時(shí)間小于1 s,上行服務(wù)能力可達(dá)每小時(shí)1 200萬次,下行服務(wù)能力可達(dá)每小時(shí)600萬次,單次消息長(zhǎng)度最大可為14 000比特,約為1 000個(gè)漢字[10,24-26]。相比于北斗二號(hào),北斗三號(hào)RSMC服務(wù)容量有了較大提升,這為偏遠(yuǎn)山區(qū)通信受限條件下的滑坡災(zāi)害監(jiān)測(cè)帶來了可能。雖然北斗三號(hào)RSMC的平均服務(wù)頻度為30 s,但用戶獲得的實(shí)際服務(wù)頻度會(huì)受到ID卡注冊(cè)參數(shù)的限制[11]。本文所用北斗三號(hào)RSMC終端能夠獲得的服務(wù)頻度為60 s,即裝備單張北斗ID卡的短報(bào)文終端在發(fā)送一次北斗短報(bào)文消息之后,需要等待60 s才能發(fā)送下一條消息,這使得通過北斗短報(bào)文進(jìn)行高頻GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù)的傳輸變得難以實(shí)現(xiàn)。

1.3 北斗三號(hào)RSMC編碼策略介紹

為了能夠通過北斗三號(hào)RSMC技術(shù)進(jìn)行GNSS監(jiān)測(cè)站實(shí)時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)的傳輸,需要一種針對(duì)GNSS原始觀測(cè)值的編碼方法,使得既能夠完整地傳輸觀測(cè)值信息,又能夠滿足RSMC的帶寬限制要求。因此,基于實(shí)時(shí)GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù)傳輸較為常用的RTCM3.2傳輸格式[27],本文設(shè)計(jì)了一種適用于北斗三號(hào)RSMC技術(shù)的數(shù)據(jù)編碼方法,格式如表 1所示。此外,由于廣播星歷可以基于Ntrip協(xié)議通過網(wǎng)絡(luò)直接傳輸至解算端,因此在編碼中不考慮廣播星歷傳輸。

表1 基于北斗三號(hào)RSMC的GNSS觀測(cè)值消息編碼方法Tab.1 GNSS observation message coding method based on BDS-3 regional short message communication

本編碼方法的短報(bào)文消息包括同步碼、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)校檢碼4個(gè)部分。同步碼用來標(biāo)識(shí)一條完整消息的開始,這里固定為16進(jìn)制0XAA;數(shù)據(jù)長(zhǎng)度標(biāo)識(shí)了GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù)的總字節(jié)長(zhǎng)度,當(dāng)一條短報(bào)文消息中無任何GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù)時(shí),數(shù)據(jù)長(zhǎng)度用0填充;每條短報(bào)文消息的GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù)部分則能夠完整記錄最多5個(gè)歷元的觀測(cè)值信息;數(shù)據(jù)校檢碼采用24位循環(huán)冗余校檢(CRC-24)方案,用來驗(yàn)證消息的正確性與完整性。

表 2詳細(xì)說明了單個(gè)歷元GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù)的編碼策略,包括觀測(cè)歷元時(shí)刻、可用通道總數(shù)、每個(gè)通道數(shù)據(jù)的衛(wèi)星PRN碼、衛(wèi)星頻段、載噪比、偽距、載波相位觀測(cè)值等信息。其中,每個(gè)通道數(shù)據(jù)段的數(shù)據(jù)最大總長(zhǎng)度R為

R=6+3+6+36+21=72 bit

(6)

因此,根據(jù)表 2,可以計(jì)算出單個(gè)歷元的GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù)最大總長(zhǎng)度R總為

表2 GNSS單歷元觀測(cè)數(shù)據(jù)編碼方法Tab.2 GNSS observation data coding method in single epoch

R總=R×36+6+12+32+8=2 650 bit

(7)

綜合表 1與表 2信息,當(dāng)通過本方法編碼的單條北斗短報(bào)文消息完整無缺失時(shí),最大將占據(jù)共計(jì)13 293 bit的長(zhǎng)度,滿足北斗三號(hào)區(qū)域短報(bào)文的14 000 bit限制。

1.4 觀測(cè)數(shù)據(jù)傳輸方案分析

滑坡災(zāi)害一般位于人口稀少、路途艱險(xiǎn)的區(qū)域,其通信條件時(shí)常不佳。因此,通過使用北斗RSMC技術(shù),可以使流動(dòng)監(jiān)測(cè)站擺脫對(duì)地面通信基礎(chǔ)設(shè)施的過度依賴,從而在由災(zāi)害導(dǎo)致的通信中斷條件下時(shí),依然能夠?qū)崟r(shí)回傳監(jiān)測(cè)信息。另一方面,由于基準(zhǔn)站通常部署于地質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、通信較為良好的區(qū)域,因此可以使用4G/WIFI等傳統(tǒng)通信手段進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸[28]。

在上述北斗三號(hào)RSMC編碼方法的基礎(chǔ)上,需要確定基準(zhǔn)站與流動(dòng)站GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù)的傳輸方案。本節(jié)設(shè)計(jì)了3種備選傳輸方案進(jìn)行分析,如表 3所示。其中方案1的基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)采用4G手段傳輸,采樣間隔為1 s,流動(dòng)站數(shù)據(jù)采用RSMC手段傳輸,采樣間隔為12 s;在方案2中,基準(zhǔn)站與流動(dòng)站均采用RSMC技術(shù)傳輸,此時(shí)需要2臺(tái)短報(bào)文通信終端,采樣間隔為12 s;方案3與方案2類似,但基準(zhǔn)站與流動(dòng)站共用同1臺(tái)北斗短報(bào)文終端進(jìn)行數(shù)據(jù)播發(fā),顧及通信容量與數(shù)據(jù)的同步性,均采用30 s采樣間隔。

表3 觀測(cè)數(shù)據(jù)的傳輸方案Tab.3 Transmission scheme for observational data

為了避免混淆,本文將流動(dòng)站監(jiān)測(cè)序列結(jié)果的輸出時(shí)刻與該歷元對(duì)應(yīng)觀測(cè)時(shí)刻之間的時(shí)間延遲稱為“輸出時(shí)延”;而將某個(gè)歷元解算時(shí),所使用的流動(dòng)站觀測(cè)值歷元時(shí)刻與基準(zhǔn)站之間的時(shí)間延遲稱為“解算時(shí)延”。輸出時(shí)延通常由流動(dòng)站觀測(cè)數(shù)據(jù)的延遲引起,而解算時(shí)延則是由基準(zhǔn)站觀測(cè)值的延遲或缺失造成的。輸出時(shí)延對(duì)解算精度并無影響,而解算時(shí)延的增加則會(huì)降低監(jiān)測(cè)序列的可靠性。此外,數(shù)據(jù)傳輸過程中由于信號(hào)的往返也會(huì)產(chǎn)生一定的延遲,但量級(jí)較小。因此為了簡(jiǎn)化方案分析,決定忽略流動(dòng)站在傳輸過程中由于信號(hào)往返產(chǎn)生的時(shí)間延遲。

1.4.1 方案1

方案1的數(shù)據(jù)播發(fā)示意圖如圖 2所示,假設(shè)流動(dòng)站于第Tmin的最后1 s發(fā)送北斗三號(hào)RSMC數(shù)據(jù),若此時(shí)忽略數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)延,則接收端該時(shí)刻接收并解碼得到的消息為第Tmin第12、24、36、48以及60 s的GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù)。

圖2 方案1數(shù)據(jù)播發(fā)策略Fig.2 Scheme 1 data broadcast strategy

在方案1中,雖然流動(dòng)站與基準(zhǔn)站采樣率不同,但由于二者播發(fā)的數(shù)據(jù)能夠在接收端得到一一匹配,因此可以得到較高精度結(jié)果。其對(duì)應(yīng)監(jiān)測(cè)序列的采樣間隔為12 s,但每次解算的前4個(gè)歷元數(shù)據(jù)由于不是觀測(cè)時(shí)刻準(zhǔn)時(shí)播發(fā),因此會(huì)存在不同程度的輸出時(shí)延,此方案的平均輸出時(shí)延為24 s。

方案1的解算時(shí)延如圖 3所示,由于基準(zhǔn)站非中斷情況下數(shù)據(jù)的傳輸延遲通常較小,因此假設(shè)基準(zhǔn)站傳輸延遲為ts,且t<12,則此時(shí)只有第60 s的流動(dòng)站監(jiān)測(cè)歷元會(huì)受到該傳輸延遲的影響。

圖3 方案1解算時(shí)延示意圖Fig.3 Scheme 1 solution delay sketch map

由圖 3可得,方案1第Tmin監(jiān)測(cè)結(jié)果的平均解算時(shí)延δt如式(8)所示,可見δt小于2.4 s。方案1由于基準(zhǔn)站較高的數(shù)據(jù)采樣率,因此解算時(shí)延較低。

(8)

1.4.2 方案2

方案2示意圖如圖 4所示,此種方案的輸出時(shí)延與方案1類似,解算得到的監(jiān)測(cè)序列采樣間隔為12 s,解算結(jié)果的平均輸出時(shí)延為24 s。

圖4 方案2數(shù)據(jù)播發(fā)策略Fig.4 Scheme 2 data broadcast strategy

在方案2中,當(dāng)基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)傳輸發(fā)生延遲或缺失的情況下,流動(dòng)站只能使用基準(zhǔn)站上一分鐘播發(fā)的數(shù)據(jù)。其解算時(shí)延如圖 5所示,同樣假設(shè)基準(zhǔn)站的傳輸延遲為ts(t<12)。

圖5 方案2解算時(shí)延示意圖Fig.5 Scheme 2 solution delay sketch map

此時(shí),第Tmin的平均解算時(shí)延δt如式(9)所示。δt達(dá)到了36 s,相比于方案1,該方案受基準(zhǔn)站與流動(dòng)站之間的解算時(shí)延影響較大。

(9)

1.4.3 方案3

方案3如圖 6所示。相比前兩種方案,此種方案下得到的監(jiān)測(cè)序列采樣頻率較低,為30 s,解算結(jié)果的平均輸出時(shí)延為15 s。

圖6 方案3數(shù)據(jù)播發(fā)策略Fig.6 Scheme 3 data broadcast strategy

與方案2類似,方案3的解算時(shí)延示意圖如圖 7所示,同樣假設(shè)基準(zhǔn)站的傳輸延遲為ts(t<12)。

圖7 方案3解算時(shí)延示意圖Fig.7 Scheme 3 solution delay sketch map

此時(shí),第Tmin的平均解算時(shí)延δt為

(10)

1.4.4 方案分析

在滑坡災(zāi)害監(jiān)測(cè)中,高頻的監(jiān)測(cè)序列相比低頻能夠更加直觀清晰地展現(xiàn)出滑坡體的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì),因此除了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)成本、輸出時(shí)延、解算時(shí)延之外,監(jiān)測(cè)序列的頻率也是較為重要的一項(xiàng)因素。綜合以上3個(gè)方案,統(tǒng)計(jì)每個(gè)方案的監(jiān)測(cè)序列頻率、平均解算時(shí)延、平均輸出時(shí)延與成本,如表 4所示。

表4 三種方案的特征分析Tab.4 Characteristics analysis of three schemes

從表 4可見,方案1的監(jiān)測(cè)序列采樣頻率高,平均輸出時(shí)延與建設(shè)成本處于中等水平,且平均解算時(shí)延最低,為最優(yōu)方案。方案2由于存在3種方案中最高的平均解算時(shí)延,會(huì)降低監(jiān)測(cè)序列可靠性,同時(shí)其建設(shè)成本最高。方案3雖然理論上系統(tǒng)的建設(shè)成本最低,但當(dāng)基準(zhǔn)站與流動(dòng)站相距較遠(yuǎn)時(shí),難以將數(shù)據(jù)傳輸至共用的北斗短報(bào)文終端,需要在站間建立額外的通信鏈路,因此可行性較低。綜上所述,本文選擇方案1作為最優(yōu)方案,方案2作為對(duì)比,進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)分析。

2 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

為了評(píng)估本文傳輸方案的可行性,根據(jù)方案1在西安市建立了TEST02-TEST01基線,作為對(duì)比,根據(jù)方案2在四川省康定市雅拉鄉(xiāng)駟馬塘滑坡建立了SMT02-SMT01基線,進(jìn)行了通信指標(biāo)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)與滑坡變形監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)中,考慮到后續(xù)數(shù)據(jù)的可擴(kuò)展性,流動(dòng)站每次播發(fā)的歷元個(gè)數(shù)與上節(jié)所述方案略微不同,為4個(gè)歷元。實(shí)驗(yàn)中采用圖 8所示北斗RDSS傳輸模塊作為RSMC終端,兩種方案的監(jiān)測(cè)區(qū)域基線示意圖如圖 9所示,其中方案1 TEST01流動(dòng)站處于城市開闊環(huán)境,無明顯遮擋,而方案2 SMT01流動(dòng)站地處山區(qū),其東西兩側(cè)低高度角區(qū)域受山坡與植被影響,存在部分遮擋。

圖8 北斗RDSS傳輸模塊Fig.8 BeiDou RDSS transmission module

圖9 傳輸方案監(jiān)測(cè)區(qū)域示意圖Fig.9 Monitoring area diagrams of transmission schemes

2.1 通信指標(biāo)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

在基于北斗三號(hào)RSMC的數(shù)據(jù)傳輸中,傳輸成功率決定了實(shí)時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)的完整性,傳輸方案的解算時(shí)延則關(guān)系到監(jiān)測(cè)序列結(jié)果的可靠性。因此,為了驗(yàn)證本文傳輸方案在通信層面的可行性,對(duì)傳輸成功率與傳輸解算時(shí)延進(jìn)行了通信指標(biāo)驗(yàn)證。

2.1.1 傳輸成功率

傳輸成功率是指在統(tǒng)計(jì)期間,北斗三號(hào)RSMC接收方正確接收的服務(wù)結(jié)果次數(shù)(成功次數(shù))與發(fā)送方發(fā)出的總服務(wù)申請(qǐng)次數(shù)(測(cè)試次數(shù))之比。由于傳輸成功率僅與北斗三號(hào)RSMC終端有關(guān),方案1與方案2所用終端相同,因此本實(shí)驗(yàn)選取方案2 SMT01流動(dòng)站2022年年積日294、322、325 這3日的數(shù)據(jù)進(jìn)行了傳輸成功率測(cè)試,結(jié)果如表 5所示,總測(cè)試次數(shù)達(dá)3 609次,其平均傳輸成功率可達(dá)98.46%,滿足北斗三號(hào)RSMC服務(wù)成功率大于95%的指標(biāo)要求。

表5 傳輸方案成功率測(cè)試Tab.5 Transmission scheme success rate test

2.1.2 傳輸解算時(shí)延

選取方案1 TEST01流動(dòng)站2022年年積日257、方案2 SMT01流動(dòng)站年積日317的數(shù)據(jù)進(jìn)行了傳輸方案的解算時(shí)延統(tǒng)計(jì),分別繪制了時(shí)延序列圖與直方圖,結(jié)果如圖 10、圖 11所示。圖中可見兩種方案多數(shù)時(shí)延均集中于0 s,其中方案1解算時(shí)延均小于4 s,該日共3 050個(gè)歷元,平均解算時(shí)延為1.01 s;方案2則會(huì)出現(xiàn)高達(dá)60 s的解算時(shí)延,該日共2 823個(gè)歷元,平均解算時(shí)延為1.6 s。從傳輸解算時(shí)延試驗(yàn)中可見,方案1的平均解算時(shí)延優(yōu)于方案2,且最大解算時(shí)延量級(jí)遠(yuǎn)低于方案2,因此方案1相較于方案2更加可靠。

圖10 方案1解算時(shí)延測(cè)試Fig.10 The test of Scheme 1 solution delay

圖11 方案2解算時(shí)延測(cè)試Fig.11 The test of Scheme 2 solution delay

2.2 滑坡變形監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)

基于本文傳輸方案1與方案2,將來自北斗三號(hào)RSMC的實(shí)時(shí)GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù)解碼,進(jìn)行了滑坡變形監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)解算策略如表 6所示。此外,為了降低流動(dòng)站與基準(zhǔn)站之間的解算時(shí)延對(duì)結(jié)果的影響,將流動(dòng)站每個(gè)觀測(cè)歷元對(duì)應(yīng)時(shí)刻的基準(zhǔn)站觀測(cè)值進(jìn)行緩存,并在流動(dòng)站相應(yīng)歷元解算時(shí)進(jìn)行匹配。

表6 解算策略Tab.6 Solution strategy

分別統(tǒng)計(jì)了方案1 TEST01流動(dòng)站、方案2 SMT01流動(dòng)站各年積日監(jiān)測(cè)結(jié)果E、N、U方向的固定解標(biāo)準(zhǔn)差(standard deviation,STD)及模糊度固定率,結(jié)果如表 7所示。其中以E方向?yàn)槔?單年積日STD計(jì)算方法如下

表7 傳輸方案固定解精度統(tǒng)計(jì)Tab.7 Fixed solution accuracy statistics of transmission scheme

(11)

在表 7基礎(chǔ)上對(duì)各方案不同年積日的固定率、STD精度取平均,可得方案1的日均模糊度固定率為73.8%,E、N、U方向的日均STD分別為0.006 m、0.005 m、0.018 m;方案2日均固定率為77.5%,日均STD為0.004 m、0.003 m、0.011 m。從以上分析可見兩種方案的監(jiān)測(cè)精度相當(dāng),STD均可達(dá)到水平方向毫米級(jí)、垂直方向厘米級(jí)水平,能夠滿足實(shí)時(shí)北斗滑坡災(zāi)害監(jiān)測(cè)的要求。方案2的精度略優(yōu)于方案1,是由于其基線長(zhǎng)度較短引起。兩類實(shí)驗(yàn)的模糊度固定率較低是由于流動(dòng)站接收機(jī)的硬件原因?qū)е?需要對(duì)北斗短報(bào)文通信天線與GNSS信號(hào)天線之間進(jìn)行進(jìn)一步的抗干擾處理。

對(duì)各監(jiān)測(cè)結(jié)果序列在E、N、U方向上的偏差進(jìn)行了頻率直方圖統(tǒng)計(jì),以方案1年積日263、方案2年積日322的結(jié)果為例進(jìn)行展示,如圖 12、圖 13所示?？梢钥闯?兩種方案監(jiān)測(cè)序列在3個(gè)方向上的偏差均近似服從于均值為0的高斯分布,這表明通過北斗RSMC傳輸方案數(shù)據(jù)得到的監(jiān)測(cè)序列受系統(tǒng)誤差影響較小。另一方面,不同年積日在同一方向上的偏差分布表現(xiàn)一致,表明監(jiān)測(cè)序列能夠達(dá)到較為穩(wěn)定的精度水平。此外,E方向與N方向的偏差分布相較于U方向均更加集中,這也證明了北斗/GNSS滑坡監(jiān)測(cè)中,水平方向的監(jiān)測(cè)精度優(yōu)于垂直方向。為了進(jìn)一步分析傳輸方案監(jiān)測(cè)誤差分布情況,將兩種方案的定位偏差取絕對(duì)值并繪制了累積分布圖,分別如圖 14 (a)、(b)所示,圖中可見在95%的概率條件下,兩種方案的水平方向偏差均優(yōu)于0.015 m,垂直方向均優(yōu)于0.035 m,與當(dāng)前RTK技術(shù)精度水平相當(dāng)。

圖12 TEST01年積日263定位偏差直方圖Fig.12 The histograms of position bias of TEST01 of DOY 263

圖13 SMT01 年積日322定位偏差直方圖Fig.13 The histograms of position bias of SMT01 of DOY 322

圖14 傳輸方案定位偏差的累積分布圖Fig.14 The cumulative distribution graph of position bias of transmission scheme

3 結(jié)論

本文對(duì)北斗三號(hào)RSMC技術(shù)應(yīng)用于滑坡災(zāi)害監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)傳輸方案進(jìn)行了分析與研究。提出了一種基于北斗三號(hào)RSMC的GNSS滑坡災(zāi)害觀測(cè)數(shù)據(jù)編碼方法,分析了基準(zhǔn)站與流動(dòng)站不同傳輸方案對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果的影響。對(duì)其中的兩種方案分別通過通信指標(biāo)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)與滑坡變形監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:

1)兩種傳輸方案的傳輸成功率優(yōu)于98%,滿足北斗三號(hào)RSMC服務(wù)成功率大于95%的指標(biāo)要求?；鶞?zhǔn)站采用4G、流動(dòng)站采用北斗三號(hào)RSMC的傳輸方案1,平均解算時(shí)延為1.01 s;基準(zhǔn)站與流動(dòng)站都基于北斗三號(hào)RSMC的傳輸方案2,平均解算時(shí)延為1.6 s。方案1優(yōu)于方案2,具有較高的可靠性。

2)兩種傳輸方案的滑坡災(zāi)害監(jiān)測(cè)精度在水平方向達(dá)到了毫米級(jí),高程方向保持了厘米級(jí)水平。

3)北斗三號(hào)RSMC服務(wù)提升了地面通信受限時(shí)滑坡災(zāi)害監(jiān)測(cè)的可用性,能夠滿足實(shí)時(shí)北斗滑坡災(zāi)害監(jiān)測(cè)的要求。