基于高精度北斗定位的地质沉降监测＊※

吴焕琅

（福建三元达通讯股份有限公司，福州350000）

引 言

地质环境自身的不稳定性，如暗流、地下水造成的流沙等因素给环境带来了严重破坏，修建水电站、高速公路、高速铁路或切坡建楼等人类工程活动，也诱发了一定程度的地质灾害。我国乃至全球地质灾害频发，造成直接或间接的损失巨大，其经济和社会损害面呈上升趋势，而科学有效预报技术的相对缺失，导致预防和控制工作的开展相对滞后。这就需要科学、先进、有效的地质灾害监测预警系统。

由于北斗具有定位快、全天候、自动化、测站间无需通视、同时测定三维坐标、测量精度高等特点［1]，是普通人工借助光学仪器测量地质沉降的技术无法比拟的，高精度北斗监测地质沉降技术具有很强的先进性和实用性。

1 北斗地质沉降监测实现方法

北斗连续运行参考站网（Continuously Operating Reference Stations，CORS）是由若干个固定的、连续运行的北斗参考站，利用现代计算机、数据通信和互联网技术组成的网站，实时地向不同类型、不同需求、不同层次的用户自动地提供北斗卫星观测值，如载波相位、伪距、各种改正数、状态信息，以及其他有关北斗服务项目的系统［2]。

北斗CORS地质沉降监测方法是利用CORS连续运行卫星定位参考站技术，采用双差解算模式，在优化载波相位差分数据处理方法的基础上，同时处理基准站和监测站载波相位等数据，得到精确的监测点相对于基准点的形变量［3]，达到地质沉降形变监测目的。

基于CORS网络误差改正与模糊度实时解算的北斗CORS地质沉降监测参数估计方程如下［4]：

其中，λ为载波相位波长；φ为载波相位观测值；N为整周模糊度；ρ为站星间几何距离；M为多路径效应误差；ε为接收机噪声；i、j为卫星标号；r、u分别为虚拟参考站所对应的主参考站以及移动站标号。

δρ＝－I＋T＋O，为CORS网络误差模型改正值，包含载波相位观测值所对应的综合距离相关误差。其中，I为电离层延迟，T为对流层延迟误差，O为卫星轨道误差。

由于新方法是利用CORS网络误差改正模型确定改正参数Δ▽，其不仅适用于1km以内的短基线，且可有效减弱1km以上中距离定位中基线距离相关误差Δ▽影响，即使是中长距离基线也可采用式（1）所描述的基线解算模型进行处理和模糊度固定。该方法的实时误差改正模型由电离层NLIM线性内插模型、对流层全球先验模型改正、轨道误差精密星历改正三种误差改正模型组成，采用该方法进行多站融合解算可以得到各监测站相对于基准站精确三维位置变化值，从而进行精密地质沉降形变监测。

地质沉降监测要求定位精度很高，一般选用双频（B1、B2）高精度北斗卫星接收机，双频高精度北斗卫星接收机可以同时接收B1、B2载波的信号，利用两频率对电离层延迟影响的不一样，可消除电离层对电磁波延迟的影响。对于所有的北斗卫星观测数据而言，电离层的误差都是固有的，结合两个频率的卫星观测信息，建立模型可以有效地消除这种误差［5]。高精度北斗卫星接收机不仅可以输出伪距等信息，还可以输出高精度定位解算需要的载波相位等数据，很适合桥梁形变监测、地质沉降监测等高精度测量。

2 北斗卫星接收机的工作原理

模拟前端作为卫星导航接收机非常重要的一个组成部分，包含RF部分和基带部分，具体由低噪声放大器、下变频器、带通滤波器及模数转换器等模块组成［6]。目前的技术水平已经可以把这部分电路集成在一个IC里，实现了模拟前端小型化、低成本和低功耗。北斗卫星接收机的原理框图如图1所示。

数字处理通道及其后续的星历计算、用户位置解算等步骤可以采用FPGA或DSP来完成，也可以采用FPGA＋DSP方式完成，整个系统的控制使用ARM7MCU即可完成。数字处理通道原理框图如图2所示。

图2 数字处理通道原理框图

3 北斗地质灾害监测系统总体设计

北斗监测系统由基准站、监测站、通信网络、计算机服务器、管理平台及相关软件组成。系统总体结构图略——编者注。

3.1 地质沉降主要监测内容

3.1.1 位移监测

位移监测地质沉降区域位移量、位移变形速度、滑体活动范围。地质沉降区位移监测由地表位移监测和深部位移监测两部分组成。

地表位移监测包含平面位移量监测和垂直方向（即高程）的位移量监测。观测方法很多，可根据具体情况因地制宜地使用观测方法。采用高精度北斗卫星接收机监测位移方法最为妥当，一台北斗接收机可以同时完成水平位移和垂直位移采集。

深部位移监测方法主要有测斜仪法、放射线同位素法、电阻丝法等，目前较为适用的是测斜仪法。

3.1.2 地下水监测

掌握地下水在不同气候条件下的活动规律，分析地下水对地质沉降的影响程度，为地质沉降及滑坡预报提供可靠的资料和信息，需要对地下水位、水量进行监测。

3.2 沉降监测基准站的选取

基准站是整个监测系统的基准参考，如图3所示，基准站上设立高精度北斗接收机采集卫星观测数据。基准站需建在稳定的基岩上，一方面要求该点的周边无明显的遮挡物体，确保卫星信号的覆盖面，另一方面要求远离大型变电站、高压线、大功率无线基站等干扰源。

基准站具备如下功能：

①基准站设计为无人值守型。

图3 基准站

②基准站北斗／GPS接收机实时向数据处理中心发送载波相位、伪距等数据。

③断电情况下，基准站能够依靠自身的后备电源正常工作12小时以上，保存北斗／GPS数据，向控制中心和有关单位报警。

基准站址选择：

①需要建设在已知地理坐标上；

②站点必须建设在稳固的地段上；

③站点要求观测环境条件好，不易被周边大型高耸的建筑物或植物遮挡；

④要求设备供电正常、通信网络稳定。

3.3 地质沉降监测站的设计

在整个区域形变特征点上布设地质沉降监测点，每个地质沉降点安装高精度北斗卫星接收机观测监测点水平和高程的形变情况，以此反映整个区域的形变。沉降区域监测点分布图如图4所示。监测站图略——编者注。

图4 沉降区域监测点分布图

监测站点选择：

①建设在地质错层、位移比较明显的地段上；

②选择观测环境条件良好的位置建设观测墩；

③远离干扰源，要求供电、网络传输性能稳定；

④监测站的观测墩高一般为1.5～1.7m，尽量避免多路径反射和建筑物遮挡影响。

4 通信网络选择分析

通信网络是连接基准站、监测站到数据处理中心，以及数据处理中心到远程监控中心的通信链路。

北斗地质沉降监测系统的通信方式有无线蓝牙、无线WiFi、ZigBee、无线2G（GPRS）／3G、有线光纤等多种通信方式的组合，根据具体情况选用。

从地质沉降区域监测点分布图看出，监测点之间的距离较近，监测点分布在田垄间，植被丰富，树木比较茂盛，采用有线传输方式的施工难度更大，采用无线覆盖传输方式比较合适。北斗卫星数据量相对较大，监测站离基准站以及数据处理中心又都比较远，综合各种通信手段特点，这里采用了CPE＋无线基站＋网桥的通信方式。

系统通信方式采用两级无线传输技术方案，如图5所示，监测中心与中转点之间通过网桥建立无线传输链路，通过5.8G进行传输可以减少干扰提高效率；中转点处利用基站对监测点区域进行2.4G无线覆盖，监测点通过CPE连接基站的无线信号接入。

图5 通信网络

4.1 CPE介绍

CPE产品特点：

①支持IEEE 802.11n标准，2X2MIMO定向天线架构，接入速率高达300Mbps；

②支持无线转有线。

CPE外观图如图6所示。

图6 CPE外观图

4.2 网桥介绍

网桥产品特点：

①基于802.11n标准，支持数据速率高达300Mbps。

②支持传输距离超过8km（视距）。

③可通过AC集中管理，支持标准SNMP、Web管理界面等。

④支持WEP、TKIP和AES加密技术，保证用户数据的安全传输。

无线网桥外观图略——编者注。

4.3 基站介绍

选用的基站是高速无线网络的增强型11n室外基站产品，采用802.11n协议，可同时工作在2.4GHz和5.8 GHz双频段，单射频可以提供高达300Mbps的接入速率，单基站可以提供600Mbps的接入速率。基站外观图、接口图如图7、图8所示。

图7 基站外观图

图8 基站接口图

结 语

地质沉降监测实际上是一种管理，包括信息采集、处理、结论的得出、启动预警、信息的反馈等功能。随着科学技术的发展、管理水平的提高及人们观念的转变，人工监测地质沉降监测将成为历史，具有全天候、全自动、24小时连续作业的北斗监测地质沉降系统将被更加广泛的应用。

编者注：本文为期刊缩略版，全文见本刊网站www.mesnet.com.cn。

［1] 李黎.GPS技术在变形监测中的应用及发展趋势［J] .勘测科学技术，2012（2）.

［2] 王军见.基于CORS的地质信息连续采集运行系统的设计［J] .科学技术与工程，2008（15）.

［3] 丁俊杰，胡昌华.连续运行基准站系统CORS综述［J] .黄河规划设计，2008（4）.

［4] 李成钢.GPS CORS精密区域地表位移动态监测技术研究［J] .测绘通报，2010（5）.

［5] 王文贯.单、双频GPS数据联合处理基线分析［J] .水利规划与设计，2010（4）.

［6] 应世君，邹绪平，刘卫，等.基于北斗二代系统的嵌入式船用导航仪硬件设计［J] .现代电子世界，2012（9）.