基于分布式衛星定位的礦山施工地質災害實時監測系統設計

鄭 庭

（中國有色金屬工業昆明勘察設計研究院有限公司，云南 昆明 650000）

近年來由于礦山的過度開采，導致礦區采空，巖層塌陷，引發了很多的地質災害。我國是世界上地質災害比較嚴重的國家之一，突發性的滑坡和泥石流導致很嚴重的人員傷亡，建立地質災害監測系統是國家防災減災的重大舉措。突發性地質災害大多數發生在山區，地勢險要，交通不便利，現有的地質災害實時監測系統在監測地質位移時存在一定的誤差，因此，設計一種基于分布式衛星定位的礦山施工地質災害實時監測系統。

1 基于分布式衛星定位的礦山施工地質災害實時監測系統設計

本文設計的監測系統是集Internet技術，分布式衛星定位技術，數據庫技術，計算機網絡技術于一體的高度集成系統，利用衛星接收機和數據無線網絡通信實現外業觀測數據的自動采集。本文設計的檢測系統結構圖如下所示：

圖1 分布式衛星定位的礦山施工地質災害實時監測系統結構圖

接下來本文將對系統的硬件和軟件分別進行設計。

（1）硬件設計。在一般的通信環境下，單頻率接收機就可以滿足信息傳輸的要求，但是在通信比較落后的山區，需要選擇雙頻高采樣率的接收機[1]。接收機上的天線的選擇也是一樣，針對不同的使用環境選擇不同的天線類型，對于精度要求不高的監測，普通測量型的天線就可以，但是對于監測環境比較差，周圍路徑數量多，輻射類信號干擾嚴重的環境需要選擇多路徑抑止功能扼流圈的天線。采樣機需要帶有4個輸出端口，對于每個端口的輸出內容可以人工設定。為了滿足系統的監測需求，對接收機的采樣率進行規定，要求原始數據的采樣頻率達到1赫茲，位置信息的采樣頻率要求1赫茲以上；內部帶有12個并行通道，雙頻連續跟蹤站接收機，且要求接收機能夠實現載波、星歷、偽衛星信息、位置信息等進行觀測，內存需要大于64G，保證接收機能夠連續存儲72小時以上接收到的原始數據。在數據傳輸中使用的是分布式衛星無線傳輸設備，通過建立的無線局域網在監測點和服務器之間完成原始數據的傳輸，其架設簡單、穩定，且維護邊界，無線傳輸設備的電路板上集成了通信、存儲芯片，用來輔助收發信息、語音通話以及數據傳輸存儲功能。至此完成了本文系統的硬件設計。

（2）軟件設計。數據通信是本文系統中的重要設計部分，本文使用的是分布式衛星無線數據傳輸。利用分布式衛星定位進行礦山施工的數據觀測，需要對數據進行預處理來減少觀測過程中的誤差。分布式衛星定位技術相對復雜，導致其觀測誤差的原因也更加復雜多樣[2]。誤差與誤差原因之間的關系錯綜復雜，既存在線性關系，也存在非線性關系。本文主要利用回歸分析法對數據進行預處理。首先建立誤差值與誤差因素之間的數學模型，將非線性關系轉化成線性關系求解。

假設y為誤差值，x1、x2...、xn為誤差因素，那么可以建立回歸模型為：

上式中，a與bi都為回歸系數，φ代表隨機變形量，進行幾次觀測就可以得到同樣數量的觀測方程，當兩個變量之間為線性關系時，成為一元線性回歸分析，響應的數學模型為：

βi為隨機參數，它們之間互相獨立，ω為回歸系數，在數據的預處理中，使用到一元線性回歸分析的數據較多。通過多次的觀測數據，建立數學模型來解算回歸系數，得到的回歸方程即誤差修正方程，從而找出誤差與誤差因素之間存在的函數關系，完成原始數據的預處理。本文系統主要使用這兩種格式的數據取長補短，完成信息傳輸，在保證數據真實的同時，加快數據解碼速度，至此完成基于分布式衛星定位的礦山施工地質災害實時監測系統的設計。

2 實驗

表1 監測結果對比

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為了驗證本文設計的監測系統在減少誤差方面有一定的有效性，需要設計對比實驗，與現有的實時監測系統進行比較。選取某礦山，分別使用兩個系統對其進行滑坡位移監測，利用NEUCORS軟件進行數據靜態基線解算，選取觀測點，進行為期30天的監測觀察，記錄觀測結果，如表所示。

從上表可以看出，本文系統監測位移的平均誤差為1.1mm，原有系統監測位移的平均誤差為2.9mm，驗證了本文設計的系統在減少位移誤差方面的有效性。

3 結語

本文基于分布式衛星定位設計了礦山施工地質災害監測系統，主要目的是為了減少地質位移監測的誤差。系統從兩方面進行設計，硬件中根據使用環境選擇接收機以及天線的類型，在無線傳輸設備電路板集成功能芯片；軟件設計中利用回歸分析法對數據進行預處理以減少原始數據的誤差，規范了數據格式，保證數據真實的同時，加快數據解碼速度。還可以根據監測到的數據建立起內容豐富的數據庫，對于相關的地質災害預測具有重要意義。