基于GNSS的廣電發(fā)射塔狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)研究

李建雄，林耐云，馬 巖

（唐山廣播電視臺，河北 唐山 063000）

1 研究背景

最早由歐盟提出的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）概念，現(xiàn)在已經(jīng)逐漸寬泛為由各種無線電信號組成的導(dǎo)航定位系統(tǒng)，廣泛地應(yīng)用于交通運輸、軍工國防、移動通信、電力電子及救災(zāi)減災(zāi)等領(lǐng)域，為廣大用戶提供高精度、全天候的導(dǎo)航定位服務(wù)。它已成為改變?nèi)藗兓顒恿晳T、方便人們生活的不可缺少的一部分。

按照功能范圍，全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)主要分為全球?qū)Ш较到y(tǒng)、區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)及星基增強系統(tǒng)3類。3類系統(tǒng)根據(jù)需要互相配合，不斷為人類發(fā)展做出貢獻。其中，全球?qū)Ш较到y(tǒng)主要指衛(wèi)星覆蓋全球，為全球終端提供服務(wù)的導(dǎo)航定位系統(tǒng)；區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)主要指衛(wèi)星覆蓋一部分區(qū)域，為區(qū)域內(nèi)終端提供服務(wù)的導(dǎo)航定位系統(tǒng)；星基增強系統(tǒng)主要是為了增強某一區(qū)域的衛(wèi)星導(dǎo)航定位性能而特別設(shè)立的服務(wù)系統(tǒng)。隨著衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)的快速發(fā)展，其應(yīng)用越來越廣泛，用戶對定位精度的要求越來越高，載波相位差分（Real Time Kinematic，RTK）技術(shù)應(yīng)運而生。RTK技術(shù)被廣泛應(yīng)用到農(nóng)業(yè)機械、控制測量、地形測繪及建筑物形變等高精度定位服務(wù)中。

1.1 單基站RTK技術(shù)

單基站RTK技術(shù)是最早投入使用的改善定位精度的方法，其作業(yè)原理是將一臺固定的GNSS接收機設(shè)置為基準站，將基準站連續(xù)觀測衛(wèi)星的原始數(shù)據(jù)經(jīng)過計算后作為基準數(shù)據(jù)傳送給附近的流動站，流動站將自己觀測的數(shù)據(jù)同基準站數(shù)據(jù)進行相關(guān)處理，進而得到流動站的相對位置定位[1]。為了提升定位的穩(wěn)定性和精度，單基站RTK技術(shù)要求基準站安裝在高位、地勢開闊且周邊無電磁干擾的地區(qū)，而移動站架設(shè)位置則要求與基準站之間沒有地形上的遮擋且在有效距離之內(nèi)。單基站RTK技術(shù)使野外測繪在保證精度的前提下，操作變得簡易方便，但也存在一些弊端，例如，在衛(wèi)星信號易受到遮擋的地區(qū)或受到衛(wèi)星軌道運行的限制，測量時間會減少；當天氣和氣候發(fā)生變化，電離層變得活躍，可觀測衛(wèi)星數(shù)目減少，都可能導(dǎo)致設(shè)備初始化時間過長或無法進行初始化；基準站與移動站之間的數(shù)據(jù)傳輸會隨著它們之間距離的增加，信號會不斷衰減；傳輸通道也比較容易受到高頻信號的干擾，從而導(dǎo)致定位精度受到影響。單基站RTK技術(shù)構(gòu)成如圖1所示。

圖1 單基站RTK技術(shù)構(gòu)成

1.2 網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)

為了彌補單基站RTK技術(shù)的缺點，網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)應(yīng)運而生。網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)將多個基準站進行組網(wǎng)形成GNSS網(wǎng)絡(luò)，設(shè)立基準站網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理中心。流動站將自己的概略位置信息發(fā)送給數(shù)據(jù)處理中心。數(shù)據(jù)處理中心通過對該信息和基準站網(wǎng)生成的觀測數(shù)據(jù)進行解算，在流動站附近生成一個虛擬參考站（VRS）。數(shù)據(jù)處理中心將虛擬參考站的差分數(shù)據(jù)信息發(fā)送給流動站，流動站通過對虛擬參考站數(shù)據(jù)進行分析和差分定位，來獲得精確度較高的定位信息[2]。對比單基站RTK技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)的覆蓋范圍更加廣泛，操作步驟更加簡便。由于虛擬參考站的網(wǎng)絡(luò)位置就在流動站附近，因此可靠性和精度得到了進一步提升，同時避免了外界因素的干擾。網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)的構(gòu)成如圖2所示。

圖2 網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)構(gòu)成

2 研究內(nèi)容

廣播電視的信號發(fā)射環(huán)節(jié)非常重要。由于廣電發(fā)射塔一般地處高山地區(qū)，維護維修不便?；诖耍O(shè)計一種基于網(wǎng)絡(luò)RTK定位技術(shù)的高精度發(fā)射塔狀態(tài)監(jiān)測方法，保證廣電信號安全優(yōu)質(zhì)播出。

在實際應(yīng)用中，在發(fā)射塔無傾斜變化、塔基無沉降的基礎(chǔ)上，將2個接收機水平地固定在塔頂，對衛(wèi)星進行持續(xù)觀測。根據(jù)實際觀測值，與安裝時監(jiān)測的基礎(chǔ)數(shù)值進行矢量計算，以此來監(jiān)測發(fā)射塔的傾斜狀況。將1個接收機固定在塔基，將實際觀測數(shù)值與安裝時監(jiān)測的基礎(chǔ)數(shù)值進行對比，以此監(jiān)測發(fā)射塔的整體位移和沉降。接收機接收虛擬基準站發(fā)送過來的差分改正數(shù)據(jù)信息，用來對接收機進行差分定位并將數(shù)據(jù)回傳至數(shù)據(jù)處理中心，解算出發(fā)射塔有無傾斜角度、位移及沉降等信息。作為RTK技術(shù)的主要原理，載波相位差分技術(shù)對測量值周跳的探測是定位精度是否接近真實值的關(guān)鍵。發(fā)射塔監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成如圖3所示。

3 周跳的探測

3.1 傳統(tǒng)周跳探測方法的優(yōu)缺點

Turbo Edit組合法是Blewitt提出的將GF組合和MW組合相融合的基于雙頻接收機的周跳檢測方法。該方法不需要測站坐標和衛(wèi)星位置數(shù)據(jù)等信息，可以在任何長度的基線上應(yīng)用，對非差載波相位觀測值進行周跳檢測。因為擁有較高的檢測精度，該方法使用廣泛。但經(jīng)過其他學者實驗證明，Turbo Edit組合法雖然對粗差判斷的比較準確，但觀測偽距時的噪聲比較大，且對特殊組合周跳的反應(yīng)不夠靈敏。這樣不僅在GF組合法中對偽距測量值的多項式擬合引入了人為誤差，還降低了MW組合的檢測精度，因此Turbo Edit組合法在檢測1～2周的小周跳時不敏感[3]。

圖3 發(fā)射塔監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成

電離層殘差法是一種在歷元間電離層改變量較小特性的基礎(chǔ)上檢測周跳的方法。在忽略多路徑效應(yīng)和測量誤差后，求得雙頻載波L1和L2的相位觀測值之差：

式中：B為電離層改變系數(shù)；f1和f2分別為雙頻載波L1和L2的頻率；M1和M2為相位整周數(shù)。將上式兩端同時除以λ1，即可求得電離層殘差為：

歷元之間的電離層殘差之差即為周跳檢驗量：

在電離層較為穩(wěn)定且不發(fā)生周跳的情況下，電離層延遲變化量為亞厘米級。若歷元之間的電離層殘差突然發(fā)生改變，則說明載波L1或L2的相位觀測值可能發(fā)生了周跳。由于在較短的觀測間隔（幾秒鐘）下，電離層延遲變化量非常小，一般維持在0.05 cm之內(nèi)，一旦檢測量超過0.1 cm，則可以認定為發(fā)生了周跳。利用該方法能監(jiān)測到1周左右的小周跳，但無法判斷出該周跳出現(xiàn)在哪一頻率上，對于一些特殊的周跳組合也無法探測[4]。

3.2 改進的周跳探測方法

總結(jié)Turbo Edit組合法和電離層殘差法的優(yōu)點和缺點發(fā)現(xiàn)，這兩種方法在廣電發(fā)射塔狀態(tài)監(jiān)測的實際應(yīng)用中，對周跳的探測能實現(xiàn)缺點互補[5]。利用Turbo Edit組合法判斷第n個歷元是否存在周跳，如果沒有探測到，則利用電離層殘差法再探測一遍，若仍然沒有，則進行n+1個歷元的探測。一旦檢測到周跳的發(fā)生，則利用式（4）進行周跳的計算：

通過式（4）計算出浮點解并設(shè)定檢索范圍(ΔM1±4φn,ΔM2±4φn)，若檢索范圍內(nèi)沒有整數(shù)解，則再將檢索范圍增加一倍，函數(shù)為：

為了驗證該方法的有效性，取部分不含周跳采樣間隔為1 s的衛(wèi)星載波L1相位觀測值在MATLAB平臺進行仿真實驗，MW組合檢測量和電離層殘差檢測量分別如圖4和圖5所示。

圖4 MW組合檢測量

圖5 電離層殘差檢測量

由圖4可以看出，由于觀測偽距噪聲的存在，MW組合檢測量的波動范圍比較大，無法敏感地探測出1～2周的周跳。而圖5所示電離層殘差檢測量的波動范圍則小的多，大大提升了對小周跳的探測精度。將兩種方法結(jié)合應(yīng)用，可以在剔除噪聲的同時提高檢測精度。

將衛(wèi)星載波L1相位觀測值人為地加入上述兩種方法的不敏感周跳，以測試改進方法的有效性。在歷元40加入MW組合不敏感值（5，5），歷元90加入小周跳（1，1），歷元160加入正常周跳（3，5），歷元240加入電離層殘差不敏感值（9，7），利用改進的周跳探測方法，實驗結(jié)果如圖6和圖7所示。

實驗結(jié)果證明，改進后的周跳探測方法能夠很好地將原先各自不敏感的周跳互補地檢測出來。

圖6 加入周跳的MW組合檢測量

圖7 加入周跳的電離層殘差檢測量

4 發(fā)射塔狀態(tài)監(jiān)測

改進后的周跳探測方法能夠大大提升網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)對發(fā)射塔形變監(jiān)測的定位精度。塔頂水平設(shè)置的2個GNSS接收機可以獲得接收機基于當前站點的三維坐標系A(chǔ)(X1,Y1,Z1)，B(X2,Y2,Z2)，利用該坐標系數(shù)據(jù)可以計算出2個GNSS接收機連成的直線與水平面形成的夾角β，這個角就是發(fā)射塔與地面的傾斜角，公式如下：

取一段時間的監(jiān)測平均值作為發(fā)射塔的基準數(shù)值，將不同時間段的監(jiān)測值與基準數(shù)值進行比較，得出該時間段內(nèi)發(fā)射塔的形變狀態(tài)和變化趨勢。塔基GNSS接收機監(jiān)測塔基的位移和沉降，通過對比塔基接收機的監(jiān)測基準數(shù)值，可以直觀地了解塔基具體的沉降和位移數(shù)值。

5 結(jié) 語

與傳統(tǒng)的慣性測量方式和傾角傳感器方式相比，基于GNSS技術(shù)的廣電發(fā)射塔狀態(tài)監(jiān)測方法能夠方便地獲取發(fā)射塔的地理位置信息、形變信息及塔基位移和沉降信息。相對于傳統(tǒng)方式，該方法的布設(shè)成本較低。改進的周跳探測方法，能有效地過濾檢測量中存在的噪聲，并使周跳檢測變得更加敏感。在不改變硬件結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，該方法能有效地提升接收機的定位精度，從而獲得更加準確的發(fā)射塔狀態(tài)參數(shù)，為工作人員對發(fā)射塔的維護提供堅實的理論基礎(chǔ)及數(shù)據(jù)支撐。