基于高精度北斗定位的地质沉降监测

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７８ 　Ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｓ　＆Ｅｍｂｅｄｄｅｄ　Ｓｙｓｔｅｍｓ　　２０１３ 年第１２ 期ｗｗｗ．ｍｅｓｎｅｔ．ｃｏｍ．ｃｎ　
基于高精度北斗定位的地质沉降监测＊※
吴焕琅
（福建三元达通讯股份有限公司，福州３５００００）
＊ 基金项目：福建省科技计划项目“基于车联网技术的运营车辆监控系
统”（项目编号：２０１２Ｈ０００９）。
摘要：在地质灾害点外地质稳固点设立基准站，在地质灾害区域内设置若干监测站，在基准站和各监测站上均安装高精度
北斗卫星接收机进行连续观测。利用通信网络将基准站和监测站接收的伪距、星历等北斗卫星数据传到数据处理中心处
理，得到高精度的地质灾害区域的沉降形变数据。利用该技术可实现地质沉降监测，保证地质环境的可持续开发利用。
关键词：北斗；高精度定位；地质沉降监控；通信网络
中图分类号：ＴＮ９６６　　　　文献标识码：Ａ
Ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ　Ｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ　Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｈｉｇｈ　Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　Ｂｅｉｄｏｕ　Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ※
Ｗｕ　Ｈｕａｎｌａｎｇ
（Ｆｕｊｉａｎ　Ｓａｎｎａｄａ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｆｕｚｈｏｕ　３５００００，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｕｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ　ｓｏｌｉｄ　ｐｏｉｎｔ　ｏｕｔｓｉｄｅ　ｔｈｅ　ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ　ｄｉｓａｓｔｅｒ　ａｒｅａ　ｔｏ　ｓｅｔ　ｕｐ　ａ　ｂａｓｅ　ｓｔａｔｉｏｎ，ａｎｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ　ｄｉｓａｓｔｅｒ　ａｒｅａ
ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｓｅｔｓ　ｕｐ　ａ　ｎｕｍｂｅｒ　ｏｆ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｓｔａｔｉｏｎｓ．Ｈｉｇｈ－ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ｂｅｉｄｏｕ　ｓａｔｅｌｌｉｔｅｓ　ｒｅｃｅｉｖｅｒｓ　ａｒｅ　ｉｎｓｔａｌｌｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｂａｓｅ　ｓｔａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｅａｃｈ
ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｓｔａｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ　ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｉｓ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ｓｅｎｄ　ｐｓｅｕｄｏｒａｎｇｅ　ａｎｄ　ｅｐｈｅｍｅｒｉｓ　ｄａｔａ　ｒｅｃｅｉｖｅｄ　ｂｙ
ｔｈｅ　ｂａｓｅ　ｓｔａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｓｔａｔｉｏｎ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｄａｔａ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ｃｅｎｔｅｒ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，ａｎｄ　ｉｔ　ｇｅｔｓ　ｔｈｅ　ｈｉｇｈ　ａｃｃｕｒａｃｙ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｄａｔａ　ｏｆ　ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ
　ｄｉｓａｓｔｅｒ　ａｒｅａ．Ｔｈｉｓ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｃａｎ　ｒｅａｌｉｚｅ　ｔｈｅ　ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ　ｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ，ａｎｄ　ｉｔ　ｃａｎ　ｇｕａｒａｎｔｅｅ　ｔｈｅ　ｓｕｓｔａｉｎａｂｌｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ａｎｄ
ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ．
Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｂｅｉｄｏｕ；ｈｉｇｈ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ；ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ　ｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ；ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｎｅｔｗｏｒｋ
引　言
地质环境自身的不稳定性，如暗流、地下水造成的流沙
等因素给环境带来了严重破坏，修建水电站、高速公路、高
速铁路或切坡建楼等人类工程活动，也诱发了一定程度的
地质灾害。我国乃至全球地质灾害频发，造成直接或间接
的损失巨大，其经济和社会损害面呈上升趋势，而科学有效
预报技术的相对缺失，导致预防和控制工作的开展相对滞
后。这就需要科学、先进、有效的地质灾害监测预警系统。
由于北斗具有定位快、全天候、自动化、测站间无需通
视、同时测定三维坐标、测量精度高等特点［１］，是普通人工
借助光学仪器测量地质沉降的技术无法比拟的，高精度北
斗监测地质沉降技术具有很强的先进性和实用性。
１　北斗地质沉降监测实现方法
北斗连续运行参考站网（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｌｙ　Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ　Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ
　Ｓｔａｔｉｏｎｓ，ＣＯＲＳ）是由若干个固定的、连续运行的北
斗参考站，利用现代计算机、数据通信和互联网技术组成
的网站，实时地向不同类型、不同需求、不同层次的用户自
动地提供北斗卫星观测值，如载波相位、伪距、各种改正
数、状态信息，以及其他有关北斗服务项目的系统［２］。
北斗ＣＯＲＳ地质沉降监测方法是利用ＣＯＲＳ连续运
行卫星定位参考站技术，采用双差解算模式，在优化载波
相位差分数据处理方法的基础上，同时处理基准站和监测
站载波相位等数据，得到精确的监测点相对于基准点的形
变量［３］，达到地质沉降形变监测目的。
基于ＣＯＲＳ网络误差改正与模糊度实时解算的北斗
ＣＯＲＳ地质沉降监测参数估计方程如下［４］：
λΔ▽φｉｊ
ｒｕ＋λΔ▽ Ｎｉｊ
ｒｕ－Δ▽ρｉｊ
ｒｕ ＝
Δ▽δρｉｊ
ｒｕ＋Δ▽ Ｍｉｊ
ｒｕ＋Δ▽εｉｊ
ｒｕ （１）
　　其中，λ为载波相位波长；φ为载波相位观测值；Ｎ为
整周模糊度；ρ为站星间几何距离；Ｍ 为多路径效应误差；
ε为接收机噪声；ｉ、ｊ为卫星标号；ｒ、ｕ分别为虚拟参考站所
对应的主参考站以及移动站标号。
δρ＝－Ｉ＋Ｔ＋Ｏ，为ＣＯＲＳ网络误差模型改正值，包
含载波相位观测值所对应的综合距离相关误差。其中，Ｉ
为电离层延迟，Ｔ为对流层延迟误差，Ｏ为卫星轨道误差。
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由于新方法是利用ＣＯＲＳ网络误差改正模型确定改
正参数Δ▽δρｉｊ
ｒｕ，其不仅适用于１ｋｍ以内的短基线，且可
有效减弱１ｋｍ 以上中距离定位中基线距离相关误差
Δ▽δρｉｊ
ｒｕ
影响，即使是中长距离基线也可采用式（１）所描
述的基线解算模型进行处理和模糊度固定。该方法的实
时误差改正模型由电离层ＮＬＩＭ 线性内插模型、对流层
全球先验模型改正、轨道误差精密星历改正三种误差改正
模型组成，采用该方法进行多站融合解算可以得到各监测
站相对于基准站精确三维位置变化值，从而进行精密地质
沉降形变监测。
地质沉降监测要求定位精度很高，一般选用双频（Ｂ１、
Ｂ２）高精度北斗卫星接收机，双频高精度北斗卫星接收机可
以同时接收Ｂ１、Ｂ２载波的信号，利用两频率对电离层延迟
影响的不一样，可消除电离层对电磁波延迟的影响。对于
所有的北斗卫星观测数据而言，电离层的误差都是固有的，
结合两个频率的卫星观测信息，建立模型可以有效地消除
这种误差［５］。高精度北斗卫星接收机不仅可以输出伪距等
信息，还可以输出高精度定位解算需要的载波相位等数据，
很适合桥梁形变监测、地质沉降监测等高精度测量。
２　北斗卫星接收机的工作原理
模拟前端作为卫星导航接收机非常重要的一个组成
部分，包含ＲＦ部分和基带部分，具体由低噪声放大器、下
变频器、带通滤波器及模数转换器等模块组成［６］。目前的
技术水平已经可以把这部分电路集成在一个ＩＣ里，实现
了模拟前端小型化、低成本和低功耗。北斗卫星接收机的
原理框图如图１所示。
图１　北斗卫星接收机的原理框图
数字处理通道及其后续的星历计算、用户位置解算等
步骤可以采用ＦＰＧＡ或ＤＳＰ来完成，也可以采用ＦＰＧＡ
＋ＤＳＰ方式完成，整个系统的控制使用ＡＲＭ７ＭＣＵ即可
完成。数字处理通道原理框图如图２所示。
图２　数字处理通道原理框图
３　北斗地质灾害监测系统总体设计
北斗监测系统由基准站、监测站、通信网络、计算机服
务器、管理平台及相关软件组成。系统总体结构图略———
编者注。
３．１　地质沉降主要监测内容
３．１．１　位移监测
位移监测地质沉降区域位移量、位移变形速度、滑体
活动范围。地质沉降区位移监测由地表位移监测和深部
位移监测两部分组成。
地表位移监测包含平面位移量监测和垂直方向（即高
程）的位移量监测。观测方法很多，可根据具体情况因地
制宜地使用观测方法。采用高精度北斗卫星接收机监测
位移方法最为妥当，一台北斗接收机可以同时完成水平位
移和垂直位移采集。
深部位移监测方法主要有测斜仪法、放射线同位素
法、电阻丝法等，目前较为适用的是测斜仪法。
３．１．２　地下水监测
掌握地下水在不同气候条件下的活动规律，分析地下
水对地质沉降的影响程度，为地质沉降及滑坡预报提供可
靠的资料和信息，需要对地下水位、水量进行监测。
图３　基准站
３．２　沉降监测基准站的选取
基准站是整个监测系统的基准参
考，如图３所示，基准站上设立高精度北
斗接收机采集卫星观测数据。基准站需
建在稳定的基岩上，一方面要求该点的
周边无明显的遮挡物体，确保卫星信号
的覆盖面，另一方面要求远离大型变电
站、高压线、大功率无线基站等干扰源。
基准站具备如下功能：
①基准站设计为无人值守型。
②基准站北斗／ＧＰＳ接收机实时向数据处理中心发
送载波相位、伪距等数据。
③断电情况下，基准站能够依靠自身的后备电源正常
工作１２小时以上，保存北斗／ＧＰＳ数据，向控制中心和有
关单位报警。
基准站址选择：
①需要建设在已知地理坐标上；
②站点必须建设在稳固的地段上；
③站点要求观测环境条件好，不易被周边大型高耸的
建筑物或植物遮挡；
④要求设备供电正常、通信网络稳定。
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３．３　地质沉降监测站的设计
在整个区域形变特征点上布设地质沉降监测点，每个
地质沉降点安装高精度北斗卫星接收机观测监测点水平
和高程的形变情况，以此反映整个区域的形变。沉降区域
监测点分布图如图４所示。监测站图略———编者注。
图４　沉降区域监测点分布图
监测站点选择：
①建设在地质错层、位移比较明显的地段上；
②选择观测环境条件良好的位置建设观测墩；
③远离干扰源，要求供电、网络传输性能稳定；
④监测站的观测墩高一般为１．５～１．７ｍ，尽量避免
多路径反射和建筑物遮挡影响。
４　通信网络选择分析
通信网络是连接基准站、监测站到数据处理中心，以
及数据处理中心到远程监控中心的通信链路。
北斗地质沉降监测系统的通信方式有无线蓝牙、无线
ＷｉＦｉ、ＺｉｇＢｅｅ、无线２Ｇ（ＧＰＲＳ）／３Ｇ、有线光纤等多种通信
方式的组合，根据具体情况选用。
从地质沉降区域监测点分布图看出，监测点之间的距
离较近，监测点分布在田垄间，植被丰富，树木比较茂盛，
采用有线传输方式的施工难度更大，采用无线覆盖传输方
式比较合适。北斗卫星数据量相对较大，监测站离基准站
以及数据处理中心又都比较远，综合各种通信手段特点，
这里采用了ＣＰＥ＋无线基站＋网桥的通信方式。
图５　通信网络
系统通信方式采用两级无线传输技术方案，如图５所
示，监测中心与中转点之间通过网桥建立无线传输链路，
通过５．８Ｇ进行传输可以减少干扰提高效率；中转点处利
用基站对监测点区域进行２．４Ｇ 无线覆盖，监测点通过
ＣＰＥ连接基站的无线信号接入。
４．１　ＣＰＥ介绍
ＣＰＥ产品特点：
①支持ＩＥＥＥ　８０２．１１ｎ标准，２Ｘ２ＭＩＭＯ定向天线架
构，接入速率高达３００Ｍｂｐｓ；
②支持无线转有线。
ＣＰＥ外观图如图６所示。
图６　ＣＰＥ外观图
４．２　网桥介绍
网桥产品特点：
①基于８０２．１１ｎ标准，支持数据速率高达３００Ｍｂｐｓ。
②支持传输距离超过８ｋｍ（视距）。
③可通过ＡＣ集中管理，支持标准ＳＮＭＰ、Ｗｅｂ管理
界面等。
④支持ＷＥＰ、ＴＫＩＰ和ＡＥＳ加密技术，保证用户数据
的安全传输。
无线网桥外观图略———编者注。
４．３　基站介绍
选用的基站是高速无线网络的增强型１１ｎ室外基站
产品，采用８０２．１１ｎ协议，可同时工作在２．４ＧＨｚ和５．８
ＧＨｚ双频段，单射频可以提供高达３００ Ｍｂｐｓ的接入速
率，单基站可以提供６００Ｍｂｐｓ的接入速率。基站外观图、
接口图如图７、图８所示。
图７　基站外观图图８　基站接口图
结　语
地质沉降监测实际上是一种管理，包括信息采集、处理、
结论的得出、启动预警、信息的反馈等功能。随着科学技术
的发展、管理水平的提高及人们观念的转变，人工监测地质
沉降监测将成为历史，具有全天候、全自动、２４小时连续作业
的北斗监测地质沉降系统将被更加广泛的应用。
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编者注：本文为期刊缩略版，全文见本刊网站ｗｗｗ．
ｍｅｓｎｅｔ．ｃｏｍ．ｃｎ。
参考文献
［１］李黎．ＧＰＳ技术在变形监测中的应用及发展趋势［Ｊ］．勘测科
学技术，２０１２（２）．
［２］王军见．基于ＣＯＲＳ的地质信息连续采集运行系统的设计
［Ｊ］．科学技术与工程，２００８（１５）．
［３］丁俊杰，胡昌华．连续运行基准站系统ＣＯＲＳ综述［Ｊ］．黄河
规划设计，２００８（４）．
［４］李成钢．ＧＰＳ　ＣＯＲＳ精密区域地表位移动态监测技术研究
［Ｊ］．测绘通报，２０１０（５）．
［５］王文贯．单、双频ＧＰＳ数据联合处理基线分析［Ｊ］．水利规划
与设计，２０１０（４）．
［６］应世君，邹绪平，刘卫，等．基于北斗二代系统的嵌入式船用
导航仪硬件设计［Ｊ］．现代电子世界，２０１２（９）．
吴焕琅（高级工程师），主要研究方向为嵌入式系统开发、北斗高精
度定位。
（责任编辑：杨迪娜　收修改稿日期：２０１３－０８－１０）
７３　利用现有的低压输电网传送信号，并将其应用于照明控
制系统、系统既提高了管理效率，又节约了能源，减少了电费支
出，还延长了灯具的使用寿命，具有很好的应用前景。
参考文献
［１］戴佳．５１单片机Ｃ语言应用程序设计［Ｍ］．北京：电子工业
出版社，２００３．
［２］姚远，吕康，董世龙，等．基于电力线载波通信技术的公共路
灯远程监控系统［Ｊ］．武汉理工大学学报：信息与管理工程
版，２００１（９）．
［３］张瑞红．５１兼容载波通信单片机ＰＬ３１０５的通信软件设计
［Ｊ］．单片机与嵌入式系统应用，２００４（７）．
［４］Ｎｉｏｖｉ　Ｐａｙｌｉｄｏｕ，Ａ　Ｊ　Ｈａｎ　Ｖｉｎｃｋ，Ｊａｖａｄ　Ｙａｚｄａｎｉ．Ｐｏｗｅｒ　Ｌｉｎｅ
Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ：Ｓｔａｔｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ａｒｔ　ａｎｄ　ＦｕｔｕｒｅＴｒｅｎｄｓ［Ｊ］．
ＩＥＥＥ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ　Ｍａｇａｚｉｎｅ，２００３，４１（４）：３４－４０．
［５］Ｊｏｈｎ　Ｎｅｗｂｕｒｙ，Ｗｉ１１ｉａｍ　Ｍｉｌｌｅｒ．Ｍｕｌｔｉｐｒｏｔｏｃｏｌｒｏｕｔｉｎｇ　ｆｏｒ
ａｕｔｏｍａｔｉｃ　Ｒｅｍｏｔｅ　Ｍｅｔｅｒ　Ｒｅａｄｉｎｇ　Ｕｓｉｎｇ　Ｐｏｗｅｒｌｉｎｅ　Ｃａｒｒｉｅｒ
Ｓｙｓｔｅｍｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ　ｏｎ　ＰｏｗｅｒＤｅｌｉｖｅｒｙ，２００１，１６
（１）：１－５．
［６］ＣＣ　Ｓｈｅｎ，Ｚ　Ｈｕａｎｇ，Ｃ　Ｊａｉｋａｅｏ．Ａｎｔ－ｂａｓｅｄｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　ｔｏｐｏｌｏｇｙ
　ｃｏｎｔｒｏｌ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ　ｆｏｒ　ＡＰ　ＨＯＣｍｏｂｉｌｅ　ｎｅｔｗｏｒｋｓ［Ｊ］．
Ｗｉｒｅｌｅｓｓ　Ｎｅｔｗｏｒｋｓ，２００５，１１（３）：２９９－３１７．
（责任编辑：杨迪娜　收稿日期：２０１３－０６－２１）
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