基于北斗的高精度测量接收机在位移监测中的应用研究

引文格式： 林超，邹劲，黄俊铭. 基于北斗的高精度测量接收机在位移监测中的应用研究[J].测绘通报，2015(2)：64-66.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2015.0043

基于北斗的高精度测量接收机在位移监测中的应用研究

林超，邹劲，黄俊铭

(广州中海达卫星导航技术股份有限公司，广东 广州 511400)

ResearchonApplicationofHigh-precisionMeasurementReceiverBasedon

BeiDouintheFieldofDisplacementMonitoring

LINChao,ZOUJin,HUANGJunming

摘要：主要研究了北斗高精度测量接收机的设计方案，分析了其在位移监测领域的应用优势。北斗高精度GNSS测量接收机的应用使国家重点行业尤其是关系国家安全的特殊行业逐渐摆脱以 GPS 为首要定位和授时手段的应用需求，满足了市场对自主知识产权卫星导航高精度监测模块的需求，市场前景非常广阔。

关键词：北斗高精度测量接收机；位移监测；单历元实时动态解算；北斗系统

中图分类号：P228.4文献标识码：B

收稿日期：2013-11-14

作者简介：林超(1985—)，女，硕士，主要从事基于北斗芯片的测量接收机研制方案及应用研究，大比例尺4D数据的采集、编辑研究。E-mail：lin_851028@163.com

一、引言

位移监测是变形监测中的一个分支，是指监测体在各种影响因素的作用下,其位置在时空域中的变化。自然界存在各种形式的位移变化，如地壳形变、滑坡、采矿塌陷、高层建筑的摆动及大坝变形位移等。由于许多灾害的发生与位移变形有着极为密切的联系，因而，位移变形监测研究在国内外受到了广泛的重视。近十几年来，占据卫星导航系统主导地位的GPS系统以其精度高、速度快、全天候等优点成为当今最先进的位移监测手段，已广泛用于各类位移监测。

2013年是中国的北斗应用产业化元年，北斗系统有别于GPS的无源定位原理，采用双星有源定位模式，并具有短报文通信功能，成功应用在测绘、电信、水利、建筑变形监测、交通运输和国家安全等诸多领域，为我国发展北斗卫星导航系统做好了充分的技术和市场铺垫。自主研制基于北斗系统的高精度测量接收机将是我国北斗系统产业化应用的关键支撑之一[1-4]。

二、设计总体思路

接收机主要分为硬件平台设计、内置单历元实时动态解算设计和固件平台。

1. 硬件平台设计

核心采用高配的ARM9CPU，主频高达400MHz，数据存储空间1GB字节，结合卫星接收模块、电源模块、3G/GPRS网络通信模块、蓝牙模块等，构成整个硬件平台，如图1、表1所示。

图1　北斗兼容型高精度测量型接收机硬件框架

表1　硬件模块功能说明

2. 单历元实时动态解算设计 [5-9]

单历元实时动态解算系统包括基准站、移动站及通信链路。通信链路可用无线设备来实现。

(1) 基准站设计

基站利用自身的观测值与已知位置进行较差，产生基于伪距和载波的改正值，并将基站位置、基站观测值或改正数打包成用户需要的差分数据格式，通过无线设备发送到移动站，如图2所示。

图2　基站流程

(2) 移动站设计

移动站接收来自基准站的差分数据，通过双差消除相关误差，基于移动站的初始位置先验信息，建立载波相位双差模糊度搜索空间，从而单历元固定模糊度，最后通过建立自适应卡尔曼滤波器求解高精度变形信息，如图3所示。

图3　移动站单历元实时动态流程图

3. 固件平台 [9]

固件平台采用嵌入式Linux操作系统平台，结合SQLite数据库和上层的功能模块(如图4、表2所示)，构成整套固件平台。

图4　北斗兼容型高精度测量型接收机固件模块

表2　固件平台

三、北斗高精度测量接收机在位移监测的应用优势

1. 减少接收机对观测卫星的锁定时间

北斗系统的GEO卫星位置相对于地球静止，其卫星信号往往更容易捕获到，IGSO卫星其次，MEO卫星最难捕获。因此，相比于GPS系统卫星均为MEO卫星，BDS系统的卫星信号更容易捕获得到，从而减少了接收机对卫星的锁定时间。

2. 北斗信号抗干扰能力更强，观测数据质量更高

首先，北斗播发的民用码伪距精度比GPS的C/A码精度高，卫星信号强度也优于GPS卫星，穿透力更强，更适合于在遮挡或者电磁干扰环境下使用；其次，GPS的L2波段经过加密，须采用无码跟踪技术才能捕获，降低了跟踪性能，从而导致L2数据容易丢失影响解算，北斗B1、B2波段信号均为民用信号，信号强度相当，数据完整性更好；最后，BDS系统的卫星高度角普遍大于GPS系统，不容易受多路径效应影响，并且在穿透电离层与对流层时能够减少电离层延迟和对流层延迟影响，观测数据质量更高(如图5所示)。

3. 增加了 RTK作用距离

BDS系统是国际上第一个三频实用化卫星导航系统，三频数据有利于进行更多的观测值组合解算，能更有效地消除电离层延迟影响，减少RTK的初始化时间，增加RTK的作用距离(见表3)。

图5　GPS/BDS信号噪声统计 (注：PSR Noise为伪距噪声，ASR Noise为载波相位噪声)

表3　 RTK模式初始化时间及作用距离分析

4. 缩短 RTK初始化时间、提高 RTK定位精度

北斗系统与GPS系统频率相近，均采用了码分多址技术，方便了多频模糊度处理；广播星历内容采用轨道参数，与GPS系统相似；北斗时间系统与GPS系统相差固定值，坐标系统与GPS系统只存在厘米级差异，容易归一化数据处理。因此，利用BDS/GPS观测数据可实现双系统RTK无缝兼容解算，明显缩短RTK初始化时间，提高RTK的定位精度。

5. BDS系统显著提高了亚太地区的空间可用性和时间可用性

在亚太地区，可以在全时段或绝大多数时段里观测到GEO卫星和IGSO卫星，正常情况下可以观测到10颗左右的北斗卫星；在城市街道等严重遮挡环境下，单独依靠GPS系统或BDS系统进行导航定位往往会因为接收的卫星数过少而解算失败；而依靠BDS/GPS双系统仍然可以接收到足够多的卫星，实现了北斗系统对亚太地区的区域增强，并显著提高在严重遮挡环境下的空间可用性和时间可用性，如图6、图7所示。

四、结束语

安监领域的位移监测成为关系国计民生的重大问题，卫星导航技术成为位移监测领域的主流技术发展方向，北斗高精度测量接收机可以为北斗在位移监测领域的应用提供核心技术支撑。而面向水利、电力、桥梁、矿区、地震等国民经济的重要领域的监测预警需求，使国家重点行业尤其是关系国家安全的特殊行业逐渐摆脱以GPS为首要定位和授时手段的应用需求，满足市场对自主知识产权卫星导航高精度监测模块的需求[10-11]。

图6　中国不同地区观测北斗系统GEO与IGSO卫星数

图7　不同观测环境下BDS/GPS组合定位性能

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