基于雙模通信技術的GNSS地表位移解算精度分析

收稿日期：2023-05-24

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2024.03.012

摘" 要：地質災害監測中往往通過移動通信的方式將觀測數據回傳至服務器，數據傳輸方式比較單一，對于信號不穩定或災害造成的信號中斷問題難以解決。結合使用電臺自組網通信技術與4G通信技術，研制具備雙模通信方式的GNSS接收機，彌補單模通信的短板。在穩定區域搭建測試環境，以4G通信為基準，驗證電臺自組網通信方式的穩定性與可靠性。將基準站安裝在穩定位置，分別在距離基準站1.5、3、5、6 km位置各安裝一臺GNSS接收機，各主機均開啟電臺與4G兩路數據傳輸，驗證電臺數據傳輸質量隨距離增大的衰減程度。根據測試結果，驗證電臺傳輸方式的適用場景及最佳組網距離。

關鍵詞：地質災害監測；雙模通信技術；電臺自組網；最佳組網距離

中圖分類號：TN929.5" 文獻標識碼：A" 文章編號：2096-4706（2024）03-0054-06

Accuracy Analysis of GNSS Surface Displacement Resolving Based on

Dual-mode Communication Technology

LIU Shiyun， GUO Qianqian， PAN Weifeng

（Guangzhou Southern Satellite Navigation Instrument Co.， Ltd.， Guangzhou" 510663， China）

Abstract： In geological disaster monitoring， the observation data is often transmitted back to the server through mobile communication， and the data transmission mode is relatively single， the signal interruption problem caused by signal instability or disaster is difficult to solve. By combining radio station's Ad Hoc Network communication technology with 4G communication technology， a GNSS receiver with dual-mode communication mode is developed to compensate for the shortcomings of single-mode communication. Build a testing environment in a stable area， using 4G communication as a benchmark， to verify the stability and reliability of the radio station's Ad Hoc Network communication method. Install the benchmark station in a stable position， and install one GNSS receiver at a distance of 1.5， 3， 5， and 6 km respectively from the benchmark station. Each host should enable data transmission between the radio station and 4G channels to verify the degree of attenuation of the radio station data transmission quality with increasing distance. Based on the test results， verify the applicable scenarios and optimal networking distance of the radio station transmission method.

Keywords： geological disaster monitoring; dual-mode communication technology; radio station's Ad Hoc Network; optimal networking distance

0" 引" 言

2021年自然資源部推行普適型地質災害監測設備野外試用的工作，重點是推進新技術、新方法試用示范。在符合《地質災害監測通信技術要求》和《地質災害專群結合監測預警技術規范》基礎上，積極推進非接觸式、自組網、衛星通信等新技術、新方法的示范應用[1-3]。

地質災害監測工程為生命工程，其對監測數據穩定性、實時性、準確性有著高標準和高要求。GNSS地表位移監測可以準確反映監測體的三維絕對變形，是地質災害監測中的一項重要內容[4-7]?；诘刭|災害隱患點的環境條件，GNSS監測接收機通過4G/5G通信方式將觀測數據回傳至遠程服務器，在服務器上完成解算。4G/5G通信方式打破了距離限制，極大程度上保障了監測的有效性。但在信號不穩定的隱患點，該方式會出現GNSS觀測數據無法回傳或數據不連續等問題，可用于解算的數據質量下降，導致解算失真甚至解算失敗；且災害的發生時常伴隨著移動通信信號的暫時中斷，依賴移動數據單模通信，在災害發生時存在短板。研制具備兩條或以上通信鏈路的GNSS接收機，可以很大程度上彌補單模通信的短板。

1" 電臺自組網技術原理

1.1" 電臺組網技術

電臺自組網通信技術是由多個電臺模塊組建局域網絡，通過無線電實現數據傳輸。GNSS接收機內置電臺模塊，通過參數配置，將對應GNSS接收機分別設置為基準站或監測站，電臺可采用時分多址或頻分多址的方式進行數據傳輸，各個監測站設置不同的傳輸時間或傳輸頻點，將數據統一發送至基準站[8-12]。在無4G網絡信號的監測區域，具備電臺模塊的終端機可以只通過電臺傳輸數據到基站網關主機，由基站網關主機將終端機數據通過4G/5G或短報文傳輸到服務器；若終端機以4G/5G信號傳輸為主時，當終端機的4G/5G信號出現異常時，則切換到電臺將數據傳送給基站網關。由于基站一般安裝在通信條件良好的穩定區域，可極大保障數據穩定傳輸，因此可由基站網關主機通過4G/5G通信的方式將數據回傳至服務器，確保終端機監測數據不間斷傳輸到服務器。技術框架圖如圖1所示。

圖1" 技術框架圖

1.2" 高精度解算原理

精密定位解算首先按偽距差分方法，利用基準站的偽距差對流動站的觀測偽距進行改正，得到流動站改正后的偽距觀測值；然后利用流動站的載波相位觀測值對改正后的偽距觀測值進行平滑，得到流動站平滑后的偽距觀測值；最后按偽距差分方法解算流動站坐標并進行精度評定。

設置在基線兩端點的接收機相對于周圍的參照物固定不動，通過連續觀測獲得充分的多余觀測數據，解算基線向量，稱為靜態相對定位。靜態相對定位，一般均采用測相偽距觀測值作為基本觀測量。

通用的靜態基線解算過程為：首先根據選擇的數學模型建立觀測方程，然后根據估計方法（如最小二乘或Kalman濾波）得到浮點解，再根據模糊度浮點解及其方差協方差陣固定模糊度（使用LAMBDA方法或其他模糊度搜索方法），最后計算模糊度固定解，固定解為最終的基線解。安置在基線端點的GNSS接收機Ti（i = 1，2），相對于衛星S j和S k，于歷元ti（i=1，2）進行同步觀）測，則可獲得以下獨立的載波相位觀測量： 、 、 、 、 、 、 、 。

在靜態相對定位中，利用這些觀測量的不同組合求差進行相對定位，可以有效地消除這些觀測量中包含的相關誤差，提高相對定位精度。目前的求差方式有三種：單差、雙差、三差。本GNSS接收機核心算法采用雙差模型，兩臺GNSS接收機安置在測站，對衛星S j的單差為?? j（t），對衛星S k的單差為?? k（t）。雙差觀測方程可表示為：

在上式中可見，接收機的鐘差影響完全消除，大氣折射殘差取二次差可以略去不計。該方法可以將北斗系統、GPS和GLONASS的數據處理方式統一起來，即可以單獨處理這三種系統，也可以聯合處理它們的組合。

2" 電臺自組網通信可靠性測試

2.1" 現場測試

在穩定、開闊、無明顯信號干擾區域架設GNSS基準站和GNSS監測站，為盡可能減少組網距離對定位精度帶來的影響，各監測站與基準站直線距離均小于5 m，每千米誤差累積可忽略不計。本次測試共設立一個GNSS基準站和3個GNSS監測站，GNSS接收機內置電臺模塊采用頻分多址的傳輸方式。分別對4臺GNSS接收機進行參數配置，將目標基準站接收機配置為基準站模式，負責匯聚監測站電臺發送的數據，并將自身與各監測站數據發送至服務器；其他三臺接收機配置為監測站模式，并分別配置電臺傳輸頻率，負責將接收到的衛星數據通過電臺傳輸的方式發送至基準站。測試現場及點位分布如圖2所示。

圖2" 測試現場及點位分布圖

在良好環境下，4G/5G傳輸具有優越性，數據傳輸穩定性和完整性可以保障，因此各GNSS接收機配置TCP/IP數據鏈路，電臺傳輸的同時，通過4G回傳一路數據至遠程服務器，通過對比兩種通信方式的解算結果及衛星數據質量，驗證電臺傳輸的可靠性。

2.2" 數據質量分析

為分析電臺傳輸方式數據的完整性，采用GNSS數據處理工具對數據質量進行分析。分別選取各站點連續6小時觀測數據，導入南方地理數據處理平臺軟件（SGO），得到衛星數據歷元接收顯示圖，初步判斷數據連續性情況。為得到具體的量化數據質量指標，將4G與電臺兩種傳輸方式獲取的數據導入TEQC數據分析工具，計算數據的完整性、多路徑和周跳比。選取監測站01連續兩小時數據進行展示，數據完整性與多路徑誤差MP1/MP2曲線分別如圖3所示。（其中MP1/MP2是多路徑效應對L1/L2兩個頻點偽距觀測值影響的平均值，因L1/L2頻點為四個衛星系統（北斗、GPS、GLONASS、Galileo）共有頻點，對比性較強，故本次主要分析MP1/MP2值。）

由圖3可知，在超短基線距離下，電臺與4G傳輸兩種方式的衛星數據完整性均達到95%及以上，多路徑效應帶來的誤差小于0.4 m，滿足規范對于衛星數據質量的要求。在該情況下，可以保障數據解算效果的可靠性。

2.3" 數據解算效果展示

在GNSS監測應用中，增加觀測時長在一定程度上會提升解算精度。常規地質災害監測項目中，在滿足精度和時效性要求的情況下，一般要求1～2小時解算輸出一組形變量結果，水平精度要求±2.5 mm+

0.5×10-6 RMS，垂直精度要求：5 mm+0.5×10-6 RMS。為測試電臺傳輸方式解算的可靠性，電臺與4G兩路傳輸方式均設置1小時采集時長，即1小時解算一次。選取連續5天的解算結果，各站點形變量曲線圖分別如圖4～6所示。

由圖4至圖6可知，在超短基線距離下，電臺傳輸方式的數據解算結果與4G結果相匹配，水平解算精度基本在±2 mm以內，高程解算精度基本在±3 mm以內，完全滿足地質災害監測規范對于GNSS地表位移監測精度的要求。

3" 電臺組網傳輸質量與距離關系測試

在超短基線距離下，通過與4G傳輸方式對比，電臺組網傳輸方式數據完整性、解算結果精度均滿足常規要求。但在具體應用場景中，基站與監測站的距離一般不僅僅是幾米，以地災監測中一個隱患點為例，監測站與基站距離一般在1～2 km，遠距離情況下可達3～4 km。為驗證不同距離下電臺組網傳輸質量與衰減程度，尋求電臺典型適用場景與最佳傳輸距離，進行了對應的測試研究。

3.1" 理論距離測算

影響電臺通信距離的主要因素有模塊的功率、模塊的靈敏度、模塊的選擇性、天線的高度、天線的類型、饋線的長度及線徑、所在地區無線電干擾的頻譜分布、高大建筑或金屬物體與天線的相對位置、地形地貌等環境因素。一般來說0.5 W（如F21DM型）數傳電臺的通信距離在3 km左右，5 W數傳電臺（如F21DM型）在10 km左右[13-15]。

測試所用自組網GNSS接收機，電臺模塊使用的是自制的SMOS-NETWORK電臺模塊，同時兼容XDL電臺和華信。電臺模塊主要是通過串口與CPU進行通信。內置電臺模塊理論組網距離可達8 km。

3.2" 現場測試

在可靠性測試基礎上，保持基準站位置不變，分別在距離基準站約1.5、3、5、6 km（均為直線距離）的穩定區域各安置一臺GNSS接收機，保持現場搜星良好及供電穩定。現場測試設備安裝實物圖如圖7所示。

圖7" 現場安裝實物圖

3.3" 數據解算效果展示

不同基線距離下電臺傳輸數據解算結果如圖8所示。

由圖8可知，當基線距離1.5 km時，電臺傳輸方式水平整體精度在±3 mm以內，高程整體精度在±4 mm以內。當基線距離3 km時，解算結果精度較

1.5 km時稍有衰減，水平精度在±4 mm以內，高程精度在±6 mm以內。當基線距離5 km時，解算結果精度較3 km時稍有衰減，水平精度基本在±8 mm以內，高程精度基本在±10 mm以內，存在個別跳點達到13 mm。當基線距離6 km時，電臺傳輸方式精度衰減嚴重，解算成功次數較正常狀態減少近50%，數據跳動較大，達到100 mm，且頻繁出現跳點，整體不具有可靠性。初步判斷是電臺傳輸方式數量質量差或數據丟包嚴重引起的，具體情況需結合數據質量分析進行進一步判斷。

3.4" 數據質量分析

選取不同距離下連續4小時原始觀測數據，采用OBS工具將4個文件合并成1個文件，導入TEQC數據處理工具，得到數據完整性如圖9所示。

由圖9可知，隨著距離增加，4G傳輸方式數據完整性基本沒有變化，各衛星系統數據完整性均在90%以上，證明接收機所在位置搜星狀態良好。在該環境基礎上，隨著距離增加，電臺傳輸方式數據完整性發生明顯變化，主要現象如下：

在3 km范圍內，隨著距離增加，電臺傳輸質量沒有明顯變化。當距離在3～5 km之間，隨著距離增加，電臺傳輸會出現一定的丟包現象，數據完整性在85%～95%之間，數據解算基本穩定，偶爾出現跳點，通過一定的濾波算法可以加以消除。當距離達到6 km，電臺傳輸質量大幅降低，數據丟包嚴重，丟包率超過50%，在該情況下，數據解算頻繁失敗，穩定位置下解算結果波動較大，達到數十個厘米，不具備可靠性。

4" 結" 論

本文應用具備雙模通信方式的GNSS接收機，通過在穩定區域搭建測試環境，以4G通信為基準，驗證了電臺自組網通信方式的穩定性與可靠性。經過測試可得到如下結論：

1）當監測站與基準站距離在3 km范圍內，電臺傳輸方式與4G傳輸方式數據質量相一致，整體效果良好；

2）當監測站與基準站距離在3～5 km之間，隨著距離增大，電臺傳輸方式的數據完整性較4G稍低，數據解算基本穩定，存在個別跳點，通過一定的濾波算法可以消除，基本滿足地災監測規范對解算精度的要求。

3）當監測站與基準站距離達到6 km，電臺傳輸方式出現大量丟包，數據完整性明顯下降，解算頻繁失敗，在穩定位置下，形變量可達十幾厘米，與實際情況不符。在該距離下，電臺傳輸不具備適用性。

4）在地質災害或水庫等監測場景中，基站與監測站距離一般在3 km以內，電臺傳輸方式可以保障良好的數據傳輸質量，有效彌補單模通信的短板，同時也可拓展應用于電力、礦山、交通等短基線監測場景。

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作者簡介：劉詩云（1991—），男，漢族，湖南邵陽人，助理工程師，碩士研究生，研究方向：地質災害監測。