高精度差分定位大壩監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

黃祖德　王峰　夏佩　曹彬　揭云飛　邱文添　李學(xué)易

摘要：針對(duì)大壩監(jiān)測(cè)布線困難大，實(shí)施困難問(wèn)題，該文提出一種采用GPS衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的實(shí)時(shí)差分定位（RTK）技術(shù)，利用LoRa無(wú)線傳輸技術(shù)構(gòu)成星型局域網(wǎng)把基站到衛(wèi)星的距離修正數(shù)實(shí)時(shí)地廣播到移動(dòng)站，然后用GPRS把各個(gè)節(jié)點(diǎn)解算的定位結(jié)果傳輸?shù)竭h(yuǎn)程的監(jiān)控中心。通過(guò)綜合分析，該系統(tǒng)可以有效預(yù)測(cè)監(jiān)測(cè)大壩形變情況。

關(guān)鍵詞： 差分定位；loRa；形變監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào)：TN962 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2018）19-0249-03

1 引言

隨著大壩工程技術(shù)的快速發(fā)展，水資源的深入開(kāi)發(fā)利用，大壩安全問(wèn)題變得日益突出。建立可靠的大壩形變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)于實(shí)時(shí)準(zhǔn)確監(jiān)控大壩的健康狀態(tài)，保證大壩的安全具有極其重要意義。針對(duì)大壩形變預(yù)防和預(yù)報(bào)的相關(guān)技術(shù)也在快速發(fā)展之中，GPS（Global Positioning System）技術(shù)作為現(xiàn)代成熟的形變監(jiān)測(cè)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于大壩和山體滑坡等應(yīng)急形變監(jiān)測(cè)之中，在預(yù)防地質(zhì)災(zāi)害中起到相應(yīng)的作用。

迄今為止，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域[1-2]：對(duì)海上行駛的船舶進(jìn)行跟蹤，當(dāng)船舶發(fā)生故障時(shí)可以迅速對(duì)其定位、救援；對(duì)城市汽車行程路線進(jìn)行規(guī)劃，有效避開(kāi)擁堵路段；在各種等級(jí)的大地測(cè)量、工程測(cè)量、航空攝影測(cè)量、運(yùn)載工具導(dǎo)航和管制、工程形變監(jiān)測(cè)、資源勘察、地球動(dòng)力學(xué)等多種學(xué)科，其中GPS給測(cè)繪領(lǐng)域帶來(lái)了深刻的技術(shù)革命?；贕PS的形變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與傳統(tǒng)的大地測(cè)量方法（邊角交會(huì)、水準(zhǔn)測(cè)量等）、埋設(shè)儀器法（正倒垂、多點(diǎn)位移計(jì)等）等常規(guī)方法相比[3]，其成本與功效、環(huán)境影響、誤差控制、連續(xù)性、自動(dòng)化與否及對(duì)操作人員要求等方面都具有明顯的優(yōu)勢(shì)，能夠?qū)崟r(shí)高精度監(jiān)測(cè)大壩的動(dòng)態(tài)變形，符合大壩變形監(jiān)測(cè)工作要求的“及時(shí)、連續(xù)、可靠”三原則。本文提出了一種基于GPS與LoRa無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)的大壩監(jiān)測(cè)方案，該方案性價(jià)比高，可擴(kuò)張性強(qiáng)[4]，在實(shí)際應(yīng)用中具有很重要意義。

2 高精度差分定位大壩監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)依據(jù)

2.1 差分GPS定位技術(shù)

根據(jù)發(fā)送的信息內(nèi)容不同，差分GPS定位技術(shù)包括位置差分、偽距差分、相位平滑偽距差分和載波相位差分[5]。采用載波相位觀測(cè)值可以實(shí)現(xiàn)高精度的GPS測(cè)量，RTK定位技術(shù)就是基于載波相位觀測(cè)值的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位技術(shù)，該差分定位技術(shù)可以實(shí)時(shí)地提供測(cè)站點(diǎn)在指定坐標(biāo)系中的三維定位結(jié)果，且定位精度達(dá)到厘米級(jí)。在RTK作業(yè)模式下，基準(zhǔn)站通過(guò)數(shù)據(jù)鏈路將其觀測(cè)值和觀測(cè)站坐標(biāo)信息傳送給流動(dòng)站。流動(dòng)站通過(guò)數(shù)據(jù)鏈接收來(lái)自基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)的同時(shí)，還要采集GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)，并在系統(tǒng)內(nèi)組成差分觀測(cè)值進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，同時(shí)解算出厘米級(jí)定位結(jié)果，歷時(shí)不到一秒鐘，差分原理如圖1。流動(dòng)站可以在靜止?fàn)顟B(tài)或者運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下工作。在整周模糊度解固定后，就可進(jìn)行每個(gè)歷元的實(shí)時(shí)處理，保持四顆以上衛(wèi)星相位觀測(cè)值的跟蹤和必要的幾何圖形，則流動(dòng)站可實(shí)時(shí)給出厘米級(jí)定位結(jié)果。

2.2 loRa無(wú)線傳輸技術(shù)

LoRa（Long Range）是由Semtech公司提供的超長(zhǎng)距離、低功耗的物聯(lián)網(wǎng)解決方案[6]。LoRa采用了星型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，其網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)相比，它具有更低的延遲、最簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。應(yīng)用于低成本的傳感網(wǎng)解決方案中，LoRa使用先進(jìn)的擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)和編碼方案，增加了鏈路預(yù)算和更好的抗干擾性能[7]，并且在功耗方面相比WIFI、藍(lán)牙技術(shù)有明顯的改進(jìn)。

在實(shí)際應(yīng)用中，如果物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中采用LoRa協(xié)議，其無(wú)線通信距離超過(guò)15公里（郊區(qū)環(huán)境），電池的使用壽命最少10年，并且可以將數(shù)百萬(wàn)的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)與LoRa技術(shù)網(wǎng)關(guān)連接起來(lái)，這個(gè)優(yōu)勢(shì)是傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通訊標(biāo)準(zhǔn)無(wú)法比擬的。如表1所示，不同的無(wú)線通信方式的傳輸距離、速率、功耗對(duì)比。

由表1可以看出，在通信數(shù)據(jù)量不大的情況下，其傳輸距離和功耗都比上述的無(wú)線通信方式有優(yōu)勢(shì)，且該技術(shù)主要工作在全球各地的ISM免費(fèi)頻段[8]（即非授權(quán)頻段），主要有433、470、868、915MHz等。

3 高精度大壩監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的搭建和性能測(cè)試

3.1 高精度移動(dòng)站搭建

RTK的關(guān)鍵技術(shù)在于使用GPS的載波相位觀測(cè)量，并利用基準(zhǔn)站和移動(dòng)站之間觀測(cè)誤差的空間相關(guān)性，通過(guò)差分的方式有效減少移動(dòng)站觀測(cè)數(shù)據(jù)的大部分誤差。常用的移動(dòng)站有高精度測(cè)繪級(jí)的雙頻接收機(jī)NovAtel OEM 系列，由于其價(jià)格昂貴，所以自主設(shè)計(jì)了一款自主設(shè)計(jì)的便攜式高性價(jià)比，并且能滿足定位精度要求的移動(dòng)站代替NovAtel，圖2為移動(dòng)站實(shí)物圖。

下面圖3是不同移動(dòng)站差分定位精度對(duì)比圖，其中測(cè)試條件是用RTCM3差分電文數(shù)據(jù)格式和不同移動(dòng)站組成的差分系統(tǒng)進(jìn)行的定位精度對(duì)比。從圖中可以看出，在2公里以內(nèi)自主設(shè)計(jì)的板卡在使用RTCM3差分電文數(shù)據(jù)進(jìn)行載波相位差分定位的CEP（Circular Error Probable）與專業(yè)板卡接近。

3.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

大壩監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分軟件設(shè)計(jì)部分和硬件設(shè)計(jì)部分，其中硬件設(shè)計(jì)主要由GPS定位模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊和處理器單元ICU的設(shè)計(jì)。由于考慮到系統(tǒng)的使用的通用性，大壩監(jiān)測(cè)的處理器單元采用基于實(shí)時(shí)Linux系統(tǒng)的RaspberryPi嵌入式操作平臺(tái)[9]，軟件部分使用開(kāi)源的rtklib差分軟件、服務(wù)器和客戶端，圖4是大壩監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。

3.3 性能測(cè)試

由于大壩監(jiān)測(cè)都是在可視范圍內(nèi)，所以這里選擇短基線靜態(tài)進(jìn)行測(cè)試。實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)選擇在空曠的地帶，通過(guò)在檢測(cè)的區(qū)域布置基站和移動(dòng)站在同一水平直線上，系統(tǒng)開(kāi)始采集GPS定位數(shù)據(jù)，然后通過(guò)GPRS把采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器上，戶外定位精度如圖5所示。

圖5中，綠色的點(diǎn)為實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位點(diǎn)，地圖標(biāo)尺每一格代表1cm，通過(guò)圖可以看出定位精度在1cm左右。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在多徑干擾較少的情況下，使用自主設(shè)計(jì)的差分移動(dòng)站，定位精度可以達(dá)到厘米級(jí)，可以達(dá)到很好的監(jiān)測(cè)形變效果。

4 結(jié)論

本文介紹了一款自主設(shè)計(jì)的高精度差分定位的大壩形變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明，系統(tǒng)系統(tǒng)穩(wěn)定性好，可擴(kuò)展性強(qiáng)，定位精度達(dá)到厘米級(jí)，完全可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集，實(shí)時(shí)傳輸，并對(duì)可能發(fā)生的大壩形變進(jìn)行實(shí)時(shí)有效的監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)，對(duì)于預(yù)防大壩形變帶來(lái)的災(zāi)難具有十分重要的意義。

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