基于RTK技術的極地冰川移動監測系統的試驗研究

周云霄,竇銀科,潘 曜,趙 琦,劉慧慧

(太原理工大學 電氣與動力工程學院,太原 030024)

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基于RTK技術的極地冰川移動監測系統的試驗研究

周云霄,竇銀科,潘 曜,趙 琦,劉慧慧

(太原理工大學 電氣與動力工程學院,太原 030024)

基于PTK(Real Time Kinematic)技術，提出了利用銥星通訊系統進行數據遠程傳輸的移動監測系統，其中基站和移動監測站由高精度GPS模塊、數傳電臺與MSP430單片機控制器集成為一體。該系統以冰面拋投式移動浮標基站為載體，給出了監測系統的構成及數據采集及處理方法；并在野外實現了移動定位的實時監測試驗。與常規定位進行比較，結果表明，該系統精度和穩定性均較高，移動監測精度可達厘米級，適用于冰川移動監測領域且將在中國第32次南極考察中進行應用試驗。

RTK技術;冰川;移動監測;GPS定位;數據鏈

冰川是在重力作用下進行緩慢移動的,它的移動是研究和開發利用冰川資源的重要內容,也是防止冰川災害重點研究課題之一[1]。冰川末端進退的變化在多種時間尺度上與氣候過程相關聯,因而它們又可以指示不同時間尺度的氣候變化;冰川本身的物理特征及其與周圍環境的密切關系,使得它的活動常引起許多重大的冰川災害;冰川活動對水資源利用規劃也有顯著的現實意義,因此監測冰川移動顯得尤為重要[2]。冰川移動是一個復雜多變的過程,而且由于冰川區域均屬于極其偏遠、人跡罕至、無電源無移動信號的惡劣客觀條件下,因此無法用一般的監測手段進行移動監測[3]。本系統主要解決在無源區的移動監測,填補無信號區的自動化監測空白。目前,國際上對冰川移動的監測主要有以下幾種方法:利用遙感和激光掃描方法自動化處理的航拍圖像,然后將激光掃描和數字攝影測量的結果和精確的手動測量結果通過解析測圖儀進行對比評價[4];地球物理研究雜志中對冰川邊緣識別利用MODIS影像的位置變化自動監測[5];MULSOW et al利用多傳感器C波段合成孔徑雷達(SAR)對冰川邊緣進行圖像監控[6]。我國對極地冰川監測尚停留在分析航拍圖片或衛星遙感定位的階段,這種方法精度低、連續性差、獲取的數據量少,無法對南極冰川移動進行連續的自動化的監測[7]。因此,本文提出的基于RTK技術的冰川監測系統有較大的實際意義。

1 RTK定位技術的發展過程及現狀

RTK(Real Time Kinematic)技術是GPS測量技術與數據傳輸技術相結合,而構成的組合系統,是GPS測量技術發展中的一個新的突破[8]。

實時動態定位技術是以載波相位觀測值為根據的實時差分GPS技術,它是GPS測量技術發展的一個新突破,在測繪、交通、能源、城市建設等領域有著廣闊的應用前景[9]。本文將RTK定位技術用于無源條件下的冰川移動監測是一個創新點。

目前,RTK技術的研究主要集中在無基準站RTK技術方面,國外20世紀90年代中期提出了虛擬參考站技術,不久國內就提出了網絡RTK技術,實現了RTK的無基準站模式,而且其測量距離也比較理想(可以達到100 km),逐漸成為現在RTK技術的研究熱點[10]。隨著各種科學技術的成熟以及生產和科研的需要,RTK技術的發展也勢必向高精度、高效率、大范圍、連續作業的方向發展[11]。RTK技術目前大多用于露天礦變形監測和預防山體滑坡自然災害等的監測中[12],羅周全等提出了適用于露天礦邊坡位移監測的高精度的GPS-RTK技術,并闡明了基于GPS-RTK的露天礦邊坡位移自動監測系統[13]。

2 利用RTK技術進行冰川移動監測的原理

2.1 基本原理

本文設計的實時動態定位系統由基準站、移動站和雙工的數據鏈組成,建立無線數據通訊是實時動態測量的保證。

圖1 數據鏈路原理圖Fig.1 Schematic diagram of data link

圖1為數據鏈路原理圖,其原理是取已知精度坐標的控制點作為基準點,安置一臺接收機作為基準站,對衛星進行連續觀測。基站GPS板卡內部在自我定位的同時,通過測算出一個基線向量,并將其發送給移動站。GPS 接收機測量出接收機至衛星的距離,加之通過其它方法獲得衛星發出測距信號時衛星的坐標,在此過程中,接收機鐘誤差、衛星鐘誤差、星歷誤差、相對論效應、電離層延遲、對流層延遲、多路徑效應等都會對定位結果產生一定的影響[14]。基線向量解算是指在衛星定位中,利用載波相位觀測值或其差分觀測值,求解兩個同步觀測站之間的基線向量坐標差的過程。此間進行多次數據處理,剔除觀測值中的粗差,以修正衛星信號發射時刻及相應的星歷坐標,從而獲得良好的基線向量結果。基線解算是GPS數據處理的重要環節,它直接關系到測量的精度[15]。

移動站是用于監測可漂移冰川隨時間變化的位移情況,移動站通過從數據鏈接收的基線向量和本身GPS定位衛星信號的數據作基線解算,得出一個差分后的、高精度的移動站定位數據,然后通過無線電鏈路向基準站發送其數據。基準站接收到該數據包后將其再打包通過銥星模塊傳輸給遠程計算機。后期經過分析處理后可以得到移動站的三維坐標漂移量和測量精度。這樣就可以實時監測待測點的移動數據,從而減少冗余觀測,實現遠程自動監測,提高工作效率[16],圖2為系統工作原理框圖。此監測手段在國內外均屬于前瞻性研究。

圖2 系統工作原理框圖Fig.2 The principle block diagram of system work

2.2 監測系統設計及硬件構成

通過利用RTK實時動態差分法原理,設計并在測量地投放集成銥星模塊、GPS模塊、差分模塊、蓄電池模塊、單片機主控模塊、電臺模塊為一體的硬件系統。利用基站、移動站定位的GPS數據生成GPGGA語句,通過電臺將定位數據進行站點之間的定時、定向傳輸,并在現場進行差分處理,再通過銥星通訊系統將差分后的數據包傳輸回國內的在線監測系統,實現對冰川移動的實時高精度監測[17]。系統結構示意如圖3所示。

圖3 系統結構示意圖Fig.3 Sketch map of the system structure

該系統各部分功能模塊的作用是:單片機主控模塊用于控制站點系統的上電、斷電并配置其初始命令等。每天在固定時間對整個系統進行上電檢測,確認GPS模塊正常后,連通電臺鏈路,進行數據定位、差分運算、電臺雙向數據傳輸、銥星模塊打包數據傳輸至計算機終端。單片機主控模塊檢測到經過一個完整上電過程后,開始控制斷電,使系統處于關斷狀態;GPS模塊可通過搜索相應區域在某一時刻經過的衛星數量進行一定精度的GPS定位,數據格式為GPGGA語句,該語句有讀取方便、數據量小、便于傳輸、不易丟失、間斷數據不影響后續差分功能的優點,其中GPS模塊集成了差分運算功能,基站GPS模塊具有搜星定位、基線解算的功能,可將實時定位的數據進行基線解算以后產生一組二進制的差分數據,移動站GPS模塊具有搜星定位、RTK差分運算的功能,可將基站通過電臺傳輸的差分數據與移動站定位數據進行RTK運算,其精度可達厘米級;電臺使用的型號是ADL-35收發雙工電臺,該電臺工作使用12 V電源供電,功耗為2～35 W,在通視良好無遮擋情況下可支持30～50 km數據鏈路傳輸。電臺使用波特率為19 200 Bd;系統使用嵌入式SBD收發器——銥星9602模塊,其體積小、重量輕,供電電壓12 V,尤其相比其它通訊模塊而言,其衛星多軌道低的配置使其具有搜星快,在全球范圍無盲區,傳輸丟包率低的優點;蓄電池采用12 V低溫蓄電池供電,原則為低功耗。在不需要定位采集、發送、保存數據的時候,整個系統處于低功耗的狀態下,盡量節省電池的能量。工作溫度為-40～+125 ℃,滿足工作環境要求。

3 基于RTK技術的移動監測系統野外試驗

3.1 GPS定位精度測試

GPS板卡搭載外圍電路通過串口調試軟件進行GPS定位精度的試驗,數據包含基站的定位數據和移動站經過基線解算后的高精度差分數據。基站定位的GPGGA語句為:

＄GPGGA,031628.00,3751.5685293,N,11231.0561085,E,1,09,1.0,803.3,M,-20.0,M,*44

移動站定位的GPGGA語句,上電初始為差分浮點解5,約1 min后為差分固定解4,其精度更高。

為便于檢驗試驗精度并對數據進行觀測分析,我們采取將試驗數據直接導入計算機的方法,按照圖1原理圖所示,在基站側設置一個COM端口用以實時監測定位數據。

現場布站采用基準站和一套移動站進行數據鏈路的通聯,以驗證基于RTK技術確實能有效提高定位精度。布站時站點距離較近,一是便于實驗,二是驗證定位精度即使在距離較近的情況下依然能滿足站點GPS信號、電臺鏈路通訊互不干涉。基站與移動站布站實際距離為2.14 m,取上電2 min以后的基站定位數據、移動站定位數據和移動站經過差分后的高精度數據,數據每間隔10 s采集一次,采集若干組。

3.2 試驗GPS移動定位可行性

為了確認本套系統的外業可行性和穩定性,對系統進行遠距離作業,在城市里通視情況相對較好的條件下進行試驗,基站點設置在太原市北邊的山腳下,移動站在由北向南流向的汾河柴村橋上,在低功耗情況下,可以確保10 km的通訊傳輸,以及非常高精度的定位。說明該系統有穩定的可行性。

后續為驗證系統通聯區間,在太原市東西方向較遠的距離上進行測試,發現即使在電臺低功耗2 W的情況下,依然可以穩定傳輸20 km的距離,并做到連續的移動監測。

3.3 數據分析

如表1所示的是距離2.14 m初始布站的情況,實驗證明系統可以運行,而后對移動站偏移進行誤差分析,將上電2 min以后的若干組基站定位數據、移動站定位數據和移動站經過差分后的高精度數據進行后處理,分別求其平均值和標準差,并將秒十進制格式的平均值轉換為度分秒格式的平均值,然后在谷歌地球軟件中導入平均值的點作為其定位點。經過距離測算可知,差分后的定位距離要比不差分的定位距離更加接近實際值,而且通過其標準差可知,差分后的定位點收斂性極好,因此可以證明利用RTK技術進行冰川移動監測的手段是可行的。

表1 定位經緯度數據及處理

如表2所示的基站與移動站在最小功耗情況下距離8.5 km(穿越城市邊緣并不密集的遮擋建筑)可進行良好的數據定位通訊,結合實際位置顯示,定位精度非常高,與實際位置幾乎重疊,且定位點斂散性極好,說明采用RTK技術用于移動定位監測并通過無線鏈路傳輸數據具有較高的精確性。

表2 外業定位經緯度數據及處理

為驗證無線電通訊的可靠性,在距離基站約20 km且低功耗條件下布設站點,并記錄偏移定位位置,試驗時按照由近到遠、由遠至近再基本畫一個矩形框的粗略方式以充分確定其定位精度,結合實際位置在Matlab中繪制的移動軌跡如圖4進一步說明本試驗具有較高的精確性。

圖4 Matlab中移動站移動軌跡Fig.4 Mobile station moving track in matlab

4 結束語

針對傳統冰川監測手段無法獲得連續性的移動情況,監測方法簡單,受天氣狀況制約明顯,以及數據量少等缺點,本文設計了基于RTK技術結合無線電鏈路傳輸、單片機控制技術建立了一種自動化、高精度化的移動監測系統,并通過野外試驗證明該系統有較高的精度和較強的穩定性,監測精度可達2～5 cm,且具備特殊極地低溫環境下的監測功能。

本文闡述的數據鏈路是結合穩定性和經濟效益于一體的綜合設計,單片機控制電路可確保系統高效、穩定運行,形成了一套完整的適用于冰川移動監測的新方法,該系統將在2015年開展的中國第32次南極考察中對南極中山站附近的冰川進行實際監測試驗。

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(編輯：劉笑達)

Experimental Study of Glacier Mobile Monitoring System Based on RTK Technology

ZHOU Yunxiao,DOU Yinke,PAN Yao,ZHAO Qi,LIU Huihui

(College of Electrical and Power Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China)

RTK(Real Time Kinematic) as a modern geological survey technology has been widely used, but there is no instance for glacier monitoring.On the basis of GPS-RTK technology,with high-precision GPS module, data transmission radio and MSP430 single chip microcomputer controller,the base station and mobile station are integrated.It is a mobile monitoring system by using iridium communication for remote data transportation,which is supported on a dumped mobile ice buoy.The composition of the monitoring system and the method of data acquisition and processing are given,the real-time monitoring of mobile positioning test is roalized.Compared with those of conventional positioning,the accuracy and stability of the system are higher and the monitoring precision can reach cm level. It is suitable for mobile monitoring field of glacier movement and will be used for application tests in China 32nd Antarctic expedition.

RTK technology;glacier;mobile monitoring;GPS positioning;data link

1007-9432(2016)04-0501-05

2015-12-29

“南北極環境綜合考察與評估”極地專項基金資助項目(CHINARE2015-02-09)；國家自然科學基金資助項目：基于電容感應技術的海冰厚度自動化檢測方法的研究(41176080)

周云霄(1989-)，男，山西臨汾人，碩士生，主要從事電力電子裝置和冰川監測裝置研究,(E-mail)315045852@qq.com

竇銀科,教授,博導,主要從事智能儀器與自動化檢測技術方面的研究,(E-mail)douyk8888@126.com

TP277

A

10.16355/j.cnki.issn1007-9432tyut.2016.04.013