基于GNSS的广电发射塔状态监测技术研究

李建雄，林耐云，马 岩

（唐山广播电视台，河北 唐山 063000）

1 研究背景

最早由欧盟提出的全球卫星导航系统（Global Navigation Satellite System，GNSS）概念，现在已经逐渐宽泛为由各种无线电信号组成的导航定位系统，广泛地应用于交通运输、军工国防、移动通信、电力电子及救灾减灾等领域，为广大用户提供高精度、全天候的导航定位服务。它已成为改变人们活动习惯、方便人们生活的不可缺少的一部分。

按照功能范围，全球卫星导航系统主要分为全球导航系统、区域导航系统及星基增强系统3类。3类系统根据需要互相配合，不断为人类发展做出贡献。其中，全球导航系统主要指卫星覆盖全球，为全球终端提供服务的导航定位系统；区域导航系统主要指卫星覆盖一部分区域，为区域内终端提供服务的导航定位系统；星基增强系统主要是为了增强某一区域的卫星导航定位性能而特别设立的服务系统。随着卫星导航定位技术的快速发展，其应用越来越广泛，用户对定位精度的要求越来越高，载波相位差分（Real Time Kinematic，RTK）技术应运而生。RTK技术被广泛应用到农业机械、控制测量、地形测绘及建筑物形变等高精度定位服务中。

1.1 单基站RTK技术

单基站RTK技术是最早投入使用的改善定位精度的方法，其作业原理是将一台固定的GNSS接收机设置为基准站，将基准站连续观测卫星的原始数据经过计算后作为基准数据传送给附近的流动站，流动站将自己观测的数据同基准站数据进行相关处理，进而得到流动站的相对位置定位[1]。为了提升定位的稳定性和精度，单基站RTK技术要求基准站安装在高位、地势开阔且周边无电磁干扰的地区，而移动站架设位置则要求与基准站之间没有地形上的遮挡且在有效距离之内。单基站RTK技术使野外测绘在保证精度的前提下，操作变得简易方便，但也存在一些弊端，例如，在卫星信号易受到遮挡的地区或受到卫星轨道运行的限制，测量时间会减少；当天气和气候发生变化，电离层变得活跃，可观测卫星数目减少，都可能导致设备初始化时间过长或无法进行初始化；基准站与移动站之间的数据传输会随着它们之间距离的增加，信号会不断衰减；传输通道也比较容易受到高频信号的干扰，从而导致定位精度受到影响。单基站RTK技术构成如图1所示。

图1 单基站RTK技术构成

1.2 网络RTK技术

为了弥补单基站RTK技术的缺点，网络RTK技术应运而生。网络RTK技术将多个基准站进行组网形成GNSS网络，设立基准站网络数据处理中心。流动站将自己的概略位置信息发送给数据处理中心。数据处理中心通过对该信息和基准站网生成的观测数据进行解算，在流动站附近生成一个虚拟参考站（VRS）。数据处理中心将虚拟参考站的差分数据信息发送给流动站，流动站通过对虚拟参考站数据进行分析和差分定位，来获得精确度较高的定位信息[2]。对比单基站RTK技术，网络RTK技术的覆盖范围更加广泛，操作步骤更加简便。由于虚拟参考站的网络位置就在流动站附近，因此可靠性和精度得到了进一步提升，同时避免了外界因素的干扰。网络RTK技术的构成如图2所示。

图2 网络RTK技术构成

2 研究内容

广播电视的信号发射环节非常重要。由于广电发射塔一般地处高山地区，维护维修不便。基于此，设计一种基于网络RTK定位技术的高精度发射塔状态监测方法，保证广电信号安全优质播出。

在实际应用中，在发射塔无倾斜变化、塔基无沉降的基础上，将2个接收机水平地固定在塔顶，对卫星进行持续观测。根据实际观测值，与安装时监测的基础数值进行矢量计算，以此来监测发射塔的倾斜状况。将1个接收机固定在塔基，将实际观测数值与安装时监测的基础数值进行对比，以此监测发射塔的整体位移和沉降。接收机接收虚拟基准站发送过来的差分改正数据信息，用来对接收机进行差分定位并将数据回传至数据处理中心，解算出发射塔有无倾斜角度、位移及沉降等信息。作为RTK技术的主要原理，载波相位差分技术对测量值周跳的探测是定位精度是否接近真实值的关键。发射塔监测系统构成如图3所示。

3 周跳的探测

3.1 传统周跳探测方法的优缺点

Turbo Edit组合法是Blewitt提出的将GF组合和MW组合相融合的基于双频接收机的周跳检测方法。该方法不需要测站坐标和卫星位置数据等信息，可以在任何长度的基线上应用，对非差载波相位观测值进行周跳检测。因为拥有较高的检测精度，该方法使用广泛。但经过其他学者实验证明，Turbo Edit组合法虽然对粗差判断的比较准确，但观测伪距时的噪声比较大，且对特殊组合周跳的反应不够灵敏。这样不仅在GF组合法中对伪距测量值的多项式拟合引入了人为误差，还降低了MW组合的检测精度，因此Turbo Edit组合法在检测1～2周的小周跳时不敏感[3]。

图3 发射塔监测系统构成

电离层残差法是一种在历元间电离层改变量较小特性的基础上检测周跳的方法。在忽略多路径效应和测量误差后，求得双频载波L1和L2的相位观测值之差：

式中：B为电离层改变系数；f1和f2分别为双频载波L1和L2的频率；M1和M2为相位整周数。将上式两端同时除以λ1，即可求得电离层残差为：

历元之间的电离层残差之差即为周跳检验量：

在电离层较为稳定且不发生周跳的情况下，电离层延迟变化量为亚厘米级。若历元之间的电离层残差突然发生改变，则说明载波L1或L2的相位观测值可能发生了周跳。由于在较短的观测间隔（几秒钟）下，电离层延迟变化量非常小，一般维持在0.05 cm之内，一旦检测量超过0.1 cm，则可以认定为发生了周跳。利用该方法能监测到1周左右的小周跳，但无法判断出该周跳出现在哪一频率上，对于一些特殊的周跳组合也无法探测[4]。

3.2 改进的周跳探测方法

总结Turbo Edit组合法和电离层残差法的优点和缺点发现，这两种方法在广电发射塔状态监测的实际应用中，对周跳的探测能实现缺点互补[5]。利用Turbo Edit组合法判断第n个历元是否存在周跳，如果没有探测到，则利用电离层残差法再探测一遍，若仍然没有，则进行n+1个历元的探测。一旦检测到周跳的发生，则利用式（4）进行周跳的计算：

通过式（4）计算出浮点解并设定检索范围(ΔM1±4φn,ΔM2±4φn)，若检索范围内没有整数解，则再将检索范围增加一倍，函数为：

为了验证该方法的有效性，取部分不含周跳采样间隔为1 s的卫星载波L1相位观测值在MATLAB平台进行仿真实验，MW组合检测量和电离层残差检测量分别如图4和图5所示。

图4 MW组合检测量

图5 电离层残差检测量

由图4可以看出，由于观测伪距噪声的存在，MW组合检测量的波动范围比较大，无法敏感地探测出1～2周的周跳。而图5所示电离层残差检测量的波动范围则小的多，大大提升了对小周跳的探测精度。将两种方法结合应用，可以在剔除噪声的同时提高检测精度。

将卫星载波L1相位观测值人为地加入上述两种方法的不敏感周跳，以测试改进方法的有效性。在历元40加入MW组合不敏感值（5，5），历元90加入小周跳（1，1），历元160加入正常周跳（3，5），历元240加入电离层残差不敏感值（9，7），利用改进的周跳探测方法，实验结果如图6和图7所示。

实验结果证明，改进后的周跳探测方法能够很好地将原先各自不敏感的周跳互补地检测出来。

图6 加入周跳的MW组合检测量

图7 加入周跳的电离层残差检测量

4 发射塔状态监测

改进后的周跳探测方法能够大大提升网络RTK技术对发射塔形变监测的定位精度。塔顶水平设置的2个GNSS接收机可以获得接收机基于当前站点的三维坐标系A(X1,Y1,Z1)，B(X2,Y2,Z2)，利用该坐标系数据可以计算出2个GNSS接收机连成的直线与水平面形成的夹角β，这个角就是发射塔与地面的倾斜角，公式如下：

取一段时间的监测平均值作为发射塔的基准数值，将不同时间段的监测值与基准数值进行比较，得出该时间段内发射塔的形变状态和变化趋势。塔基GNSS接收机监测塔基的位移和沉降，通过对比塔基接收机的监测基准数值，可以直观地了解塔基具体的沉降和位移数值。

5 结 语

与传统的惯性测量方式和倾角传感器方式相比，基于GNSS技术的广电发射塔状态监测方法能够方便地获取发射塔的地理位置信息、形变信息及塔基位移和沉降信息。相对于传统方式，该方法的布设成本较低。改进的周跳探测方法，能有效地过滤检测量中存在的噪声，并使周跳检测变得更加敏感。在不改变硬件结构的基础上，该方法能有效地提升接收机的定位精度，从而获得更加准确的发射塔状态参数，为工作人员对发射塔的维护提供坚实的理论基础及数据支撑。