无线通信技术在自然资源勘察领域的应用

朱自强 姜作喜 彭巍巍

（1.自然资源部航空地球物理与遥感地质重点实验室 北京市 100083 2.中国自然资源航空物探遥感中心 北京市 100083）

自然资源勘察工作具有流动性高、野外作业分散、工作点多的特点，随着大规模集成电路的应用及电子技术的进步，无线通信设备的集成度越来越高，体积大幅缩小，功能越来越多,无线通信技术的长足发展使其取代了有线通信逐渐应用到自然资源勘察的各个领域。在了解仪器工作状态的同时又能有效的抑制串模干扰。按照通信距离的远近，可以分为近距离无线通信、中程无线通信及超远程无线通信。

1 射频局域网无线通信

射频无线通信属于近距离无线通信，工作在ISM(Industrial Scientific Medical)频段，是由ITU-R（国际通信联盟无线电通信局）定义的。ISM 频段分为工业（902-928MHz）,科学研究（2.42-2.4835GHz）和医疗（5.725-5.850GHz）。此频段主要是开放给工业、科学、医学三个主要机构使用，无需授权许可，但是对所使用设备的发射功率进行限制(一般低于1W)，并且不要对其它频段造成干扰即可，因此发射与接收之间只能是很短的距离。国内常用的通信频率有433M、2.4G 等。433M 频段被分配给业余无线电使用，因其位于UHF 频带的中间，被各种无线通信模块广泛使用。2.4G 无线通信技术的有Wi-Fi、Zigbee、蓝牙等。

自然资源勘测经常要去野外勘察测量，野外勘测远距离通信的需求比较多且具有流动性大的特点，比如传输数据，仪器状态监测等。野外环境通常远离城镇，现有通信基础设施缺乏，因此免申请许可的ISM 频段无线通信得以广泛应用，比如一般的在限制功率内的433M 通信模块的传输距离一般3-5 公里，正好满足野外勘测的需求。

无线通信模块可以有多种工作模式进行选择，可以分为透明传输和非透明传输两个模式。无线通信模块的透明传输不关心传输内容，把所有的数据全部传输。非透明传输模式的数据格式通常是定制的，需要自定义相关的串口数据格式。

图1：点对多模式传输示意图

图2：卫星定位原理

透明传输分为点对点模式、点对多模式及广播模式，点对点可以理解为1 对1 传播，即一个发送端对应一个接收端。点对多的模式相对复杂点，多个发射端和接收端的角度要设置合理，还要考虑信号损耗、传输距离、使用频率等情况综合布网。如图1所示为点对多模式的布网示意图。A 点为主控制点位，其他点都是从控制点位，都可以和A 点进行通信，可以发送和接收信号。地址相同、信道相同、无线速率（非串口波特率）相同的模块，任意一个模块发送，其他模块都可以接收到。每个模块都可以做发送/接收。数据完全透明，所发即所得。

一般点对点传输适合应用于监控点位分散、传输距离较远的情况。点对多点传输适合点位较集中、数量较多、传输距离较近的情况。

2 GNSS卫星通信

如图2所示，卫星定位是基于后方交会的测量原理的超远程无线通信技术，把卫星布在离地数万公里同步轨道上空可实现全球性定位及信号传输，按照后方交会原理，一般三颗卫星就可以唯一定位到地球表面的位置，参加定位的星数越多，定位精度越高。比较成熟的有美国的GPS 系统、俄罗斯的GLONASS 系统以及中国的北斗系统，值得一提的是北斗系统把短信和导航结合是区别与其他导航系统的独特发明。一般来讲，世界上其他的全球卫星导航系统只是告诉用户什么时间、在什么地方，用户是一个信息被动接收端，而北斗系统除此之外还可以将用户的信息发送出去，使用户想告知的其他人获知用户的情况。

这一点在自然资源工作中有着巨大作用，自然资源勘察工作常常需要深入野外偏远地区，可将自然资源野外工作人员、车辆、飞机和轮船进行统一监控，发生突发紧急事件可以进行紧急呼救，并可以进行双向短信通信及时告知现场情况，同时还可以用于设备或人员的定位追踪、轨迹回放、应急保障和数据传输等情况。

图3：RTK 作业模式原理

图4：4G 无线通信原理

3 卫星通信和射频局域网通信的结合

卫星通信的优势是可实现全球覆盖，缺点是传输数据量较小，而射频局域网传输的数据量大，传输距离较小，将两者结合可以弥补两者之间的劣势，起到事半功倍的效果。比如网络RTK 技术就是将这两种技术结合而形成的新的定位测量技术。

RTK（Real - time kinematic）实时动态差分法。这是一种新的常用的GPS 测量方法，传统的差分定位方法都需要事后进行解算才能获得厘米级的精度，而RTK 能够在野外实时得到厘米级定位精度的测量方法，它的工作原理如图3，采用了载波相位动态实时差分方法，在RTK 作业模式下，基准站终端通过将其观测值和测站坐标信息一起传送给流动站接收终端。流动站终端不仅通过无线信号模块的数据链接收来自基准站终端的数据，还要采集GPS 观测数据，并在系统内组成差分观测值进行实时处理，实时给出厘米级定位结果。流动站终端可处于静止状态，也可处于运动状态。RTK 技术的关键在于数据处理技术和数据传输技术，RTK 定位时要求基准站接收机实时地把观测数据及已知数据传输给流动站接收终端，数据量比较大，一般都要求9600 以的波特率，这在无线电射频传输上不难实现。RTK 技术是卫星定位技术的重大里程碑，它的出现为自然资源调查、地形测图，各种控制测量带来了新的发展方向，极大地提高了外业作业效率。

4 4G无线通信

随着4G 无线通信网络的普及，我国大部分地区已经布上了4G基站，以其基站布设多、数据传输速率高的特点，快速应用到自然资源勘测领域，其工作原理如图4所示，终端设备的4G 信号模块通过近处基站进行数据交换传输，然后基站的数据通过专用网络进行传输到控制主站附近的基站，控制主站与主站附近的基站之间进行数据的接收和传输指令，及时了解终端设备的工作状态及发送指令。

5 结论与展望

随着无线通信技术的发展，将会有越来越多的无线通信技术应用于自然资源勘察领域，可根据自然资源勘察的野外实际需求，结合无线通信技术的特点，进行选择合适的无线通信方案，也可以采用不同无线通信方案进行组合应用的方法，以达到提高生产效率，达到快速完成任务的目的。