基于北斗三號區(qū)域短報文通信的滑坡災害監(jiān)測數據傳輸方案設計

王 純,杜 源,黃觀文,賀 星,張 歡,王 鐸,劉喜瑞,李 楊,李東旭

(1.長安大學地質工程與測繪學院,西安 710054; 2.中電科星河北斗技術(西安)有限公司,西安 710068)

0 引言

我國幅員遼闊,地形地貌紛繁復雜,但地質災害頻發(fā),尤其是黃土高原、西南山區(qū)等地受滑坡等地質災害影響較大。在過去的半個多世紀以來,我國因滑坡災害造成的死亡人數超過2.5萬人,平均每年的經濟損失高達5 000萬美元[1-2]。為了保障人民生命財產安全,開展科學有效的滑坡監(jiān)測預警工作是防災減災的重要手段。

隨著近年來全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)(global naviga-tion satellite system,GNSS)的快速發(fā)展,北斗/GNSS定位技術憑借其全天候、高精度、自動化的優(yōu)點,在地質災害防災減災領域得到了廣泛應用[3-4]。早期的GNSS滑坡災害監(jiān)測是通過靜態(tài)相對定位實現的[5],其通過長時間的連續(xù)同步觀測,得到高精度的定位結果,但實時性較差。隨著以最小二乘模糊度降相關平差法(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,實時動態(tài)精密相對定位(real-time kinematic, RTK)技術成為了主流,通過該技術可以得到實時毫米級的監(jiān)測序列,但其通常對流動站與基準站之間的通信鏈路具有較高要求[6-7]。然而,一方面,大量滑坡災害發(fā)生區(qū)域地處偏遠,通信設施匱乏,極易引起監(jiān)測數據傳輸的網絡延時;另一方面,當突發(fā)險情引起地面通信設施癱瘓時,無法及時準確得到災情信息,阻礙后續(xù)救災工作的開展[8]。隨著通信技術的發(fā)展,人們對低時延信息的需求日益增長,尤其在滑坡災害監(jiān)測領域,監(jiān)測信息的時效性甚至關乎人民生命財產安全。因此,在有線、無線通信網絡中斷的情況下,如何實現滑坡災害監(jiān)測信息的及時有效傳輸成為一個值得研究的問題。

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

眾多學者針對北斗短報文技術進行了相關研究。李博峰等提出利用北斗二號短報文進行簡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,實現了高精度海洋定位[14]。姬生月等通過單套北斗短報文設備,提出了空間相對定位+時間相對定位的定位方案[15]。張翔宇等針對庫案滑坡中的通信盲區(qū),基于北斗短報文通信和物聯網技術進行了滑坡監(jiān)測數據采集系統(tǒng)設計[16]。張亮儒等針對北斗短報文通信容量有限的問題,提出了一種帶反饋重發(fā)機制的通信方法,提高了信號發(fā)送效率和魯棒性[17]。劉雪強等針對高海拔區(qū)域通信易丟包的問題,提出了基于北斗短報文的高海拔區(qū)域用電信息采集方法,實現了居民用電信息的自動化安全采集[18]。羅曉萌等通過將北斗短報文技術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]。劉利等對比了基于北斗二號與北斗三號區(qū)域短報文通信的單向與雙向授時方法,證明了北斗新體制信號的優(yōu)越性[20]。以上研究豐富了北斗二號短報文技術的應用,但基于最新的北斗三號RSMC技術討論極少,亟需對其行業(yè)應用的優(yōu)化與可行性進行探討。

本文結合滑坡監(jiān)測領域在地面通信受限下對數據傳輸的迫切需求,探索了北斗三號RSMC在該領域中應用的可行性,提出了一種適用于GNSS監(jiān)測數據的短報文編碼方法,在此基礎上研究了編碼數據的最佳傳輸方案,并對方案的通信指標及滑坡變形監(jiān)測可行性進行了驗證分析。

1 北斗三號短報文在滑坡災害監(jiān)測中的編碼設計

1.1 GNSS滑坡災害監(jiān)測算法

對于監(jiān)測站r和衛(wèi)星j,北斗/GNSS測碼偽距與載波相位原始觀測方程分別為

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

通過式(4)、式(5),結合序貫最小二乘或卡爾曼濾波算法,即可求解該歷元對應變形監(jiān)測結果[22]。

1.2 北斗三號 RSMC技術

北斗三號RSMC技術通過3顆GEO衛(wèi)星對中國及周邊區(qū)域用戶提供服務,其服務可覆蓋東經75°～135°、北緯10°～55°的廣大區(qū)域。在進行短報文通信時,需要將ID卡插入源用戶與目標用戶終端,作為各自的唯一標識[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,經過地面監(jiān)測站的接收與轉發(fā),再次通過GEO衛(wèi)星以下行頻段S(2 483.5～2 500 MHz)傳遞給目標用戶終端[11]。工作模式如圖 1所示。

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

北斗三號RSMC的服務成功率大于95%,響應時間小于1 s,上行服務能力可達每小時1 200萬次,下行服務能力可達每小時600萬次,單次消息長度最大可為14 000比特,約為1 000個漢字[10,24-26]。相比于北斗二號,北斗三號RSMC服務容量有了較大提升,這為偏遠山區(qū)通信受限條件下的滑坡災害監(jiān)測帶來了可能。雖然北斗三號RSMC的平均服務頻度為30 s,但用戶獲得的實際服務頻度會受到ID卡注冊參數的限制[11]。本文所用北斗三號RSMC終端能夠獲得的服務頻度為60 s,即裝備單張北斗ID卡的短報文終端在發(fā)送一次北斗短報文消息之后,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文進行高頻GNSS觀測數據的傳輸變得難以實現。

1.3 北斗三號RSMC編碼策略介紹

為了能夠通過北斗三號RSMC技術進行GNSS監(jiān)測站實時觀測數據的傳輸,需要一種針對GNSS原始觀測值的編碼方法,使得既能夠完整地傳輸觀測值信息,又能夠滿足RSMC的帶寬限制要求。因此,基于實時GNSS觀測數據傳輸較為常用的RTCM3.2傳輸格式[27],本文設計了一種適用于北斗三號RSMC技術的數據編碼方法,格式如表 1所示。此外,由于廣播星歷可以基于Ntrip協議通過網絡直接傳輸至解算端,因此在編碼中不考慮廣播星歷傳輸。

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

本編碼方法的短報文消息包括同步碼、數據長度、GNSS觀測數據以及數據校檢碼4個部分。同步碼用來標識一條完整消息的開始,這里固定為16進制0XAA;數據長度標識了GNSS觀測數據的總字節(jié)長度,當一條短報文消息中無任何GNSS觀測數據時,數據長度用0填充;每條短報文消息的GNSS觀測數據部分則能夠完整記錄最多5個歷元的觀測值信息;數據校檢碼采用24位循環(huán)冗余校檢(CRC-24)方案,用來驗證消息的正確性與完整性。

表 2詳細說明了單個歷元GNSS觀測數據的編碼策略,包括觀測歷元時刻、可用通道總數、每個通道數據的衛(wèi)星PRN碼、衛(wèi)星頻段、載噪比、偽距、載波相位觀測值等信息。其中,每個通道數據段的數據最大總長度R為

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

(6)

因此,根據表 2,可以計算出單個歷元的GNSS觀測數據最大總長度R總為

表2 GNSS單歷元觀測數據編碼方法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,當通過本方法編碼的單條北斗短報文消息完整無缺失時,最大將占據共計13 293 bit的長度,滿足北斗三號區(qū)域短報文的14 000 bit限制。

1.4 觀測數據傳輸方案分析

滑坡災害一般位于人口稀少、路途艱險的區(qū)域,其通信條件時常不佳。因此,通過使用北斗RSMC技術,可以使流動監(jiān)測站擺脫對地面通信基礎設施的過度依賴,從而在由災害導致的通信中斷條件下時,依然能夠實時回傳監(jiān)測信息。另一方面,由于基準站通常部署于地質結構穩(wěn)定、通信較為良好的區(qū)域,因此可以使用4G/WIFI等傳統(tǒng)通信手段進行數據傳輸[28]。

在上述北斗三號RSMC編碼方法的基礎上,需要確定基準站與流動站GNSS觀測數據的傳輸方案。本節(jié)設計了3種備選傳輸方案進行分析,如表 3所示。其中方案1的基準站數據采用4G手段傳輸,采樣間隔為1 s,流動站數據采用RSMC手段傳輸,采樣間隔為12 s;在方案2中,基準站與流動站均采用RSMC技術傳輸,此時需要2臺短報文通信終端,采樣間隔為12 s;方案3與方案2類似,但基準站與流動站共用同1臺北斗短報文終端進行數據播發(fā),顧及通信容量與數據的同步性,均采用30 s采樣間隔。

表3 觀測數據的傳輸方案Tab.3 Transmission scheme for observational data

為了避免混淆,本文將流動站監(jiān)測序列結果的輸出時刻與該歷元對應觀測時刻之間的時間延遲稱為“輸出時延”;而將某個歷元解算時,所使用的流動站觀測值歷元時刻與基準站之間的時間延遲稱為“解算時延”。輸出時延通常由流動站觀測數據的延遲引起,而解算時延則是由基準站觀測值的延遲或缺失造成的。輸出時延對解算精度并無影響,而解算時延的增加則會降低監(jiān)測序列的可靠性。此外,數據傳輸過程中由于信號的往返也會產生一定的延遲,但量級較小。因此為了簡化方案分析,決定忽略流動站在傳輸過程中由于信號往返產生的時間延遲。

1.4.1 方案1

方案1的數據播發(fā)示意圖如圖 2所示,假設流動站于第Tmin的最后1 s發(fā)送北斗三號RSMC數據,若此時忽略數據的傳輸時延,則接收端該時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觀測數據。

圖2 方案1數據播發(fā)策略Fig.2 Scheme 1 data broadcast strategy

在方案1中,雖然流動站與基準站采樣率不同,但由于二者播發(fā)的數據能夠在接收端得到一一匹配,因此可以得到較高精度結果。其對應監(jiān)測序列的采樣間隔為12 s,但每次解算的前4個歷元數據由于不是觀測時刻準時播發(fā),因此會存在不同程度的輸出時延,此方案的平均輸出時延為24 s。

方案1的解算時延如圖 3所示,由于基準站非中斷情況下數據的傳輸延遲通常較小,因此假設基準站傳輸延遲為ts,且t<12,則此時只有第60 s的流動站監(jiān)測歷元會受到該傳輸延遲的影響。

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

由圖 3可得,方案1第Tmin監(jiān)測結果的平均解算時延δt如式(8)所示,可見δt小于2.4 s。方案1由于基準站較高的數據采樣率,因此解算時延較低。

(8)

1.4.2 方案2

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

圖4 方案2數據播發(fā)策略Fig.4 Scheme 2 data broadcast strategy

在方案2中,當基準站數據傳輸發(fā)生延遲或缺失的情況下,流動站只能使用基準站上一分鐘播發(fā)的數據。其解算時延如圖 5所示,同樣假設基準站的傳輸延遲為ts(t<12)。

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

此時,第Tmin的平均解算時延δt如式(9)所示。δt達到了36 s,相比于方案1,該方案受基準站與流動站之間的解算時延影響較大。

(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)測序列采樣頻率較低,為30 s,解算結果的平均輸出時延為15 s。

圖6 方案3數據播發(fā)策略Fig.6 Scheme 3 data broadcast strategy

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

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

此時,第Tmin的平均解算時延δt為

(10)

1.4.4 方案分析

在滑坡災害監(jiān)測中,高頻的監(jiān)測序列相比低頻能夠更加直觀清晰地展現出滑坡體的運動趨勢,因此除了監(jiān)測系統(tǒng)建設成本、輸出時延、解算時延之外,監(jiān)測序列的頻率也是較為重要的一項因素。綜合以上3個方案,統(tǒng)計每個方案的監(jiān)測序列頻率、平均解算時延、平均輸出時延與成本,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)測序列采樣頻率高,平均輸出時延與建設成本處于中等水平,且平均解算時延最低,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延,會降低監(jiān)測序列可靠性,同時其建設成本最高。方案3雖然理論上系統(tǒng)的建設成本最低,但當基準站與流動站相距較遠時,難以將數據傳輸至共用的北斗短報文終端,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作為對比,進行后續(xù)實驗分析。

2 實驗與結果分析

為了評估本文傳輸方案的可行性,根據方案1在西安市建立了TEST02-TEST01基線,作為對比,根據方案2在四川省康定市雅拉鄉(xiāng)駟馬塘滑坡建立了SMT02-SMT01基線,進行了通信指標驗證實驗與滑坡變形監(jiān)測實驗。在實驗中,考慮到后續(xù)數據的可擴展性,流動站每次播發(fā)的歷元個數與上節(jié)所述方案略微不同,為4個歷元。實驗中采用圖 8所示北斗RDSS傳輸模塊作為RSMC終端,兩種方案的監(jiān)測區(qū)域基線示意圖如圖 9所示,其中方案1 TEST01流動站處于城市開闊環(huán)境,無明顯遮擋,而方案2 SMT01流動站地處山區(qū),其東西兩側低高度角區(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)測區(qū)域示意圖Fig.9 Monitoring area diagrams of transmission schemes

2.1 通信指標驗證實驗

在基于北斗三號RSMC的數據傳輸中,傳輸成功率決定了實時觀測數據的完整性,傳輸方案的解算時延則關系到監(jiān)測序列結果的可靠性。因此,為了驗證本文傳輸方案在通信層面的可行性,對傳輸成功率與傳輸解算時延進行了通信指標驗證。

2.1.1 傳輸成功率

傳輸成功率是指在統(tǒng)計期間,北斗三號RSMC接收方正確接收的服務結果次數(成功次數)與發(fā)送方發(fā)出的總服務申請次數(測試次數)之比。由于傳輸成功率僅與北斗三號RSMC終端有關,方案1與方案2所用終端相同,因此本實驗選取方案2 SMT01流動站2022年年積日294、322、325 這3日的數據進行了傳輸成功率測試,結果如表 5所示,總測試次數達3 609次,其平均傳輸成功率可達98.46%,滿足北斗三號RSMC服務成功率大于95%的指標要求。

表5 傳輸方案成功率測試Tab.5 Transmission scheme success rate test

2.1.2 傳輸解算時延

選取方案1 TEST01流動站2022年年積日257、方案2 SMT01流動站年積日317的數據進行了傳輸方案的解算時延統(tǒng)計,分別繪制了時延序列圖與直方圖,結果如圖 10、圖 11所示。圖中可見兩種方案多數時延均集中于0 s,其中方案1解算時延均小于4 s,該日共3 050個歷元,平均解算時延為1.01 s;方案2則會出現高達60 s的解算時延,該日共2 823個歷元,平均解算時延為1.6 s。從傳輸解算時延試驗中可見,方案1的平均解算時延優(yōu)于方案2,且最大解算時延量級遠低于方案2,因此方案1相較于方案2更加可靠。

圖10 方案1解算時延測試Fig.10 The test of Scheme 1 solution delay

圖11 方案2解算時延測試Fig.11 The test of Scheme 2 solution delay

2.2 滑坡變形監(jiān)測實驗

基于本文傳輸方案1與方案2,將來自北斗三號RSMC的實時GNSS觀測數據解碼,進行了滑坡變形監(jiān)測實驗。實驗解算策略如表 6所示。此外,為了降低流動站與基準站之間的解算時延對結果的影響,將流動站每個觀測歷元對應時刻的基準站觀測值進行緩存,并在流動站相應歷元解算時進行匹配。

表6 解算策略Tab.6 Solution strategy

分別統(tǒng)計了方案1 TEST01流動站、方案2 SMT01流動站各年積日監(jiān)測結果E、N、U方向的固定解標準差(standard deviation,STD)及模糊度固定率,結果如表 7所示。其中以E方向為例,單年積日STD計算方法如下

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

(11)

在表 7基礎上對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)測精度相當,STD均可達到水平方向毫米級、垂直方向厘米級水平,能夠滿足實時北斗滑坡災害監(jiān)測的要求。方案2的精度略優(yōu)于方案1,是由于其基線長度較短引起。兩類實驗的模糊度固定率較低是由于流動站接收機的硬件原因導致,需要對北斗短報文通信天線與GNSS信號天線之間進行進一步的抗干擾處理。

對各監(jiān)測結果序列在E、N、U方向上的偏差進行了頻率直方圖統(tǒng)計,以方案1年積日263、方案2年積日322的結果為例進行展示,如圖 12、圖 13所示?？梢钥闯?兩種方案監(jiān)測序列在3個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傳輸方案數據得到的監(jiān)測序列受系統(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一致,表明監(jiān)測序列能夠達到較為穩(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)測中,水平方向的監(jiān)測精度優(yōu)于垂直方向。為了進一步分析傳輸方案監(jiān)測誤差分布情況,將兩種方案的定位偏差取絕對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,與當前RTK技術精度水平相當。

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 結論

本文對北斗三號RSMC技術應用于滑坡災害監(jiān)測的數據傳輸方案進行了分析與研究。提出了一種基于北斗三號RSMC的GNSS滑坡災害觀測數據編碼方法,分析了基準站與流動站不同傳輸方案對監(jiān)測結果的影響。對其中的兩種方案分別通過通信指標驗證實驗與滑坡變形監(jiān)測實驗進行了驗證。

實驗結果表明:

1)兩種傳輸方案的傳輸成功率優(yōu)于98%,滿足北斗三號RSMC服務成功率大于95%的指標要求?；鶞收静捎?G、流動站采用北斗三號RSMC的傳輸方案1,平均解算時延為1.01 s;基準站與流動站都基于北斗三號RSMC的傳輸方案2,平均解算時延為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害監(jiān)測精度在水平方向達到了毫米級,高程方向保持了厘米級水平。

3)北斗三號RSMC服務提升了地面通信受限時滑坡災害監(jiān)測的可用性,能夠滿足實時北斗滑坡災害監(jiān)測的要求。