基于北斗的高精度滑坡监测系统设计

杨开伟，李娟娟

(1.卫星导航系统与装备技术国家重点实验室，河北 石家庄 050081；2.河北省卫星导航技术与装备工程技术研究中心，河北 石家庄 050081)



基于北斗的高精度滑坡监测系统设计

杨开伟1,2，李娟娟1,2

(1.卫星导航系统与装备技术国家重点实验室，河北 石家庄 050081；2.河北省卫星导航技术与装备工程技术研究中心，河北 石家庄 050081)

摘要为了实现高精度滑坡监测，对基于北斗的高精度滑坡监测系统进行了设计，介绍了系统的设备组成与工作原理，并根据工程经验提出系统建设实施方案。在对高精度实时处理和静态基线解算算法进行理论阐述的基础上，通过软件研发、原型系统搭建、测试试验以及数据处理与分析等，对系统的功能与性能进行测试验证。经试验证明，基于北斗进行高精度滑坡监测可行，且其监测精度较高，完全满足滑坡监测的需求。

关键词北斗导航系统；高精度；RTK；基线解算；滑坡监测

0引言

滑坡灾害轻则造成大量经济损失，重则造成人民生命受到严重威胁，因此地质滑坡监测预警、滑坡防治工作已势在必行。据国土资源部通报，每年全国发生的地质灾害中，滑坡地质灾害占60%～70%的比重，可见，滑坡是最主要的地质灾害类型，在地质灾害防治方面至关重要。

基于全球导航卫星系统(GNSS)技术的滑坡监测理论与方法，是当前广泛采用的滑坡监测新方法、新技术之一。GNSS定位技术相比于传统的测绘作业方法与模式有着显著的特点和优越性，其优越的性能及广泛的适用性，是常规测量作业难以比拟的。GNSS以其全天候、高精度、高效率和实时动态等优点，成为当今极为重要的监测手段之一。

如今，自主研制的北斗卫星导航系统已经正式运行并提供服务，北斗高精度接收机研制技术也取得很大发展。在这种背景下，北斗高精度定位技术在各个行业和领域的应用也得到了大大的扩展。在滑坡监测方面，北斗高精度监测也得到了一定的应用。

本文将根据滑坡监测的实际应用需求、监测模式以及精度要求，对高精度监测理论算法进行深入研究，研制实现实时和事后处理2种监测处理模式，并通过测试实验对不同模式的算法进行验证。

1系统组成与工作原理

1.1系统组成

基于北斗的高精度滑坡监测系统由数据采集子系统、数据通信子系统、数据处理子系统及辅助支持子系统组成。系统体系架构如图1所示。

图1　基于北斗的高精度滑坡监测系统架构

数据采集子系统主要实现北斗导航信号接收与观测数据采集功能，包括GNSS天线、北斗接收机和观测墩等设备。

数据通信子系统将采集的北斗观测数据上报给数据处理子系统，同时将数据处理子系统的监控指令发送给北斗接收机。

数据处理子系统主要完成数据处理与系统监控功能。数据处理包括实时处理和事后处理2种方式：通过实时数据处理，得到cm级的滑坡监测结果，并自动进行系统监控；事后处理能够得到mm级的滑坡监测结果。

辅助支持子系统主要包括供电、避雷等设备，满足在野外恶劣条件下系统建设。

基于北斗的高精度滑坡监测系统的典型建设与实施如图2所示。数据采集终端采用太阳能供电，并采取保护措施，建设在简易观测墩上；通信链路采用无线方式(3G或网桥等)实现数据通信[1]；数据处理与监控系统安装在室内，对数据进行处理分析与监控。

图2　基于北斗的高精度滑坡监测系统建设实施

1.2工作原理

基于北斗的高精度滑坡监测系统的工作原理为：2台高精度北斗接收机进行连续观测采集北斗观测数据，通过通信链路将观测数据发送给数据处理子系统；数据处理子系统的数据处理软件实时接收各个接收机采集上报的北斗高精度观测数据，并根据配置好的处理模式和参数进行实时处理，生成实时监测结果，并发送给系统监控计算机；系统监控计算机实时显示监测结果和系统运行状态，将收到的监测处理结果进行判断，如果结果异常则进行告警。

事后处理模式与实时处理模式类似，区别在于实时模式处理的是实时上报的观测数据，而事后模式处理的是按照固定格式存储的观测数据文件。

2数据处理算法

(1)

在站间单差的基础上再求星间单差，便得到双差观测值为[3]：

(2)

(3)

将式(3)代入双差组合方程式(2)中，并顾及T1和T2两测站同步观测j和k两颗卫星，在忽略大气折射残差影响的情况下，双差观测方程为[4]：

(4)

式中，

Δ▽Njk=ΔNk-ΔNj。

可以看出卫星钟差和接收机钟差也已经被消除，这是双差模型的重要优点。

若取测站T1为已知参考点，则在双差观测方程中，除了测站T2的位置为待定参数之外，还包含有整周模糊度参数项Δ▽Njk。通常在构成双差观测时，除了取一个测站为参考点外，同时也要取一颗观测卫星为参考星[5]。

如果要实现单历元解算(或进行实时动态定位)，则必须先解算出整周模糊度，这个过程就是RTK初始化过程。

2.1RTK解算

载波相位动态相对定位(RTK)的数学模型(双差观测方程)为[6]：

(5)

式中，

(6)

由于流动站的位置是不断变化的，所以RTK一般采用一个历元的观测值。若以Nr和Ns表示包括参考站在内的测站总数和同步观测的卫星数，则一个历元的双差观测方程的未知数个数和观测方程个数分别为[2]：

未知数个数=3(Nr-1)+(Ns-1)(Nr-1)，

单历元双差观测值数=(Ns-1)(Nr-1)。

可见，单历元解算的条件无法满足，由于整周模糊度在信号锁定的情况下是保持不变的，一旦初始化完成，则在每个历元就只有3(Nr-1)个未知数，则可解的条件变为：

(Ns-1)(Nr-1)≥3(Nr-1)，

或

Ns≥4。

只要同步观测的卫星数大于4颗，就可以进行RTK定位解算。定位过程中一旦发生失锁，则要重新进行初始化。

2.2静态基线解算

若两测站同步观测卫星为Sj和Sk，设Sj为参考卫星，则可得双差观测方程的线性化形式[7]，即：

(7)

式中，

Δ▽φk(t)=▽φk(t)-▽φj(t)，

Δ▽Nk=ΔNk-ΔNj。

令

(8)

则可改写为如下误差方程式的形式[8]，即：

Δ▽Nk+Δ▽uk(t)。

(9)

当两测站同步观测的卫星数为ns时，可得误差方程组如下[9]，即：

(10)

式中，

δX2=[δX2δY2δZ2]T，

如果在基线的两端，对同一组卫星观测的历元数为nt，那么相应的误差方程组由上式可得[10]：

(11)

式中，

相应的法方程及其解，可表示为[11]：

NΔY+W=0，

(12)

ΔY=-N-1W。

(13)

式中，

N=(AB)TP(AB)，

W=(AB)TPL。

3测试结果分析

为了测试滑坡监测系统的功能与性能，使用北斗高精度接收机进行了大量的试验，包括RTK实时动态测试与静态基线测试，2组试验均在事先高精度标定的基线场内进行。2台北斗接收机分别架设在基准点观测墩上，数据采样率为1 s，基线长度为5.760 m，试验持续时间为2 h。

3.1实时动态监测

将2台北斗接收机采集的观测数据导出，用高精度数据处理软件进行RTK单历元解算，解算结果如图3和表1所示。

图3　北斗动态RTK测试结果

方向真值/m精度/m(RMS)dX-0.8650.003dY3.8070.001dZ-4.2350.003L5.7600.003

由图3可知，用北斗滑坡监测系统进行实时处理监测，当基线为6 m左右时，其X、Y和Z三个方向的精度都达到mm级，基线长度监测精度也达到mm级。随着基线长度的增加，当基线长度为2 km以上时，精度会有所下降，可能会达到cm级。

3.2事后处理监测

将2台北斗接收机采集的观测数据导出，用自研的高精度数据处理软件进行静态基线解算，解算结果如图4所示。

图4　北斗静态基线解算结果

由图4可见，静态基线后处理解算结果(5.760 9 m)与真值(5.760 m)相差0.000 9 m，绝对精度优于1 mm，其统计精度为0.000 170 9，达到亚毫米级。静态基线后处理精度比实时RTK处理精度高，当基线长度较长时，可以采用实时监测处理和事后基线处理2种方式，以提高系统的可靠性和准确度。

3.3结论

通过系统原型搭建与试验数据分析，可以得到以下结论：

① 用滑坡监测系统进行实时监测处理时，处理精度可以达到cm级(短基线)甚至mm级(超短基线)；

② 利用事后静态基线进行数据处理的方式，处理精度可以达到mm级甚至亚毫米级；

③ 实时处理模式精度比事后处理模式低一个量级，但是具有实时性好、监测内容直观的优点；

④ 根据不同的监测环境可以选择不同的处理模式(实时处理模式或事后处理模式)，但采用2种模式相结合的模式能够提高系统的可靠性和准确度。

4结束语

本文对基于北斗的高精度滑坡监测系统进行了设计，并结合工程实际给出了系统的建设实施方案。在对高精度数据处理算法进行理论阐述的基础上研发出实时和事后高精度数据处理软件，并分别进行不同的测试试验对系统性能进行测试。由试验数据及处理结果证明，本文提出的滑坡监测系统及其数据处理方法能够有效对滑坡进行监测评估，并且可以根据实际情况选择不同的处理模式，具有高精度、灵活性等特点。

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doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2016.07.10

收稿日期：2016-04-20

基金项目：国家国际科技合作专项基金资助项目(2013DFA10540)；地理信息国家重点实验室开放基金资助项目(SKLGIE2014-M-2-4)。

中图分类号TP391.4

文献标志码A

文章编号1003-3106(2016)07-0038-04

作者简介

杨开伟男，(1984—)，硕士，工程师。主要研究方向：卫星导航数据处理。

李娟娟女，(1984—)，硕士，工程师。主要研究方向：卫星导航数据处理。

High Precision Landslide Monitoring System Based on BDS

YANG Kai-wei1,2,LI Juan-juan1,2

(1.StateKeyLaboratoryofSatelliteNavigationSystemandEquipmentTechnology,ShijiazhuangHebei050081，China2.SatelliteNavigationTechnologyandEquipmentEngineeringTechnologyResearchCenterofHebeiProvince,ShijiazhuangHebei050081,China;)

AbstractFor high precision landslide monitoring,a high precision landslide monitoring system based on BDS is designed,and its equipment composition and operation principle are introduced.The construction project is put forward according to engineering experience.The high precision real-time processing and static baseline resolution algorithm are described theoretically,based on which,the function and performance of the system are validated through software development,prototype system integration,test & experiment and data processing.Experiments have proved the feasibility of using BDS for high precision landslide monitoring,and the precision completely meets the requirements of landslide monitoring.

Key wordsBDS navigation system;high precision;RTK;baseline resolution;landslide monitoring

引用格式：杨开伟,李娟娟.基于北斗的高精度滑坡监测系统设计[J].无线电工程,2016,46(7):38-41,55.