李建雄，林耐云，馬 巖

（唐山廣播電視臺(tái)，河北 唐山 063000）

1 研究背景

最早由歐盟提出的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）概念，現(xiàn)在已經(jīng)逐漸寬泛為由各種無線電信號(hào)組成的導(dǎo)航定位系統(tǒng)，廣泛地應(yīng)用于交通運(yùn)輸、軍工國(guó)防、移動(dòng)通信、電力電子及救災(zāi)減災(zāi)等領(lǐng)域，為廣大用戶提供高精度、全天候的導(dǎo)航定位服務(wù)。它已成為改變?nèi)藗兓顒?dòng)習(xí)慣、方便人們生活的不可缺少的一部分。

按照功能范圍，全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)主要分為全球?qū)Ш较到y(tǒng)、區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)及星基增強(qiáng)系統(tǒng)3類。3類系統(tǒng)根據(jù)需要互相配合，不斷為人類發(fā)展做出貢獻(xiàn)。其中，全球?qū)Ш较到y(tǒng)主要指衛(wèi)星覆蓋全球，為全球終端提供服務(wù)的導(dǎo)航定位系統(tǒng)；區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)主要指衛(wèi)星覆蓋一部分區(qū)域，為區(qū)域內(nèi)終端提供服務(wù)的導(dǎo)航定位系統(tǒng)；星基增強(qiáng)系統(tǒng)主要是為了增強(qiáng)某一區(qū)域的衛(wèi)星導(dǎo)航定位性能而特別設(shè)立的服務(wù)系統(tǒng)。隨著衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)的快速發(fā)展，其應(yīng)用越來越廣泛，用戶對(duì)定位精度的要求越來越高，載波相位差分（Real Time Kinematic，RTK）技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。RTK技術(shù)被廣泛應(yīng)用到農(nóng)業(yè)機(jī)械、控制測(cè)量、地形測(cè)繪及建筑物形變等高精度定位服務(wù)中。

1.1 單基站RTK技術(shù)

單基站RTK技術(shù)是最早投入使用的改善定位精度的方法，其作業(yè)原理是將一臺(tái)固定的GNSS接收機(jī)設(shè)置為基準(zhǔn)站，將基準(zhǔn)站連續(xù)觀測(cè)衛(wèi)星的原始數(shù)據(jù)經(jīng)過計(jì)算后作為基準(zhǔn)數(shù)據(jù)傳送給附近的流動(dòng)站，流動(dòng)站將自己觀測(cè)的數(shù)據(jù)同基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)處理，進(jìn)而得到流動(dòng)站的相對(duì)位置定位[1]。為了提升定位的穩(wěn)定性和精度，單基站RTK技術(shù)要求基準(zhǔn)站安裝在高位、地勢(shì)開闊且周邊無電磁干擾的地區(qū)，而移動(dòng)站架設(shè)位置則要求與基準(zhǔn)站之間沒有地形上的遮擋且在有效距離之內(nèi)。單基站RTK技術(shù)使野外測(cè)繪在保證精度的前提下，操作變得簡(jiǎn)易方便，但也存在一些弊端，例如，在衛(wèi)星信號(hào)易受到遮擋的地區(qū)或受到衛(wèi)星軌道運(yùn)行的限制，測(cè)量時(shí)間會(huì)減少；當(dāng)天氣和氣候發(fā)生變化，電離層變得活躍，可觀測(cè)衛(wèi)星數(shù)目減少，都可能導(dǎo)致設(shè)備初始化時(shí)間過長(zhǎng)或無法進(jìn)行初始化；基準(zhǔn)站與移動(dòng)站之間的數(shù)據(jù)傳輸會(huì)隨著它們之間距離的增加，信號(hào)會(huì)不斷衰減；傳輸通道也比較容易受到高頻信號(hào)的干擾，從而導(dǎo)致定位精度受到影響。單基站RTK技術(shù)構(gòu)成如圖1所示。

圖1 單基站RTK技術(shù)構(gòu)成

1.2 網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)

為了彌補(bǔ)單基站RTK技術(shù)的缺點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)將多個(gè)基準(zhǔn)站進(jìn)行組網(wǎng)形成GNSS網(wǎng)絡(luò)，設(shè)立基準(zhǔn)站網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理中心。流動(dòng)站將自己的概略位置信息發(fā)送給數(shù)據(jù)處理中心。數(shù)據(jù)處理中心通過對(duì)該信息和基準(zhǔn)站網(wǎng)生成的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，在流動(dòng)站附近生成一個(gè)虛擬參考站（VRS）。數(shù)據(jù)處理中心將虛擬參考站的差分?jǐn)?shù)據(jù)信息發(fā)送給流動(dòng)站，流動(dòng)站通過對(duì)虛擬參考站數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和差分定位，來獲得精確度較高的定位信息[2]。對(duì)比單基站RTK技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)的覆蓋范圍更加廣泛，操作步驟更加簡(jiǎn)便。由于虛擬參考站的網(wǎng)絡(luò)位置就在流動(dòng)站附近，因此可靠性和精度得到了進(jìn)一步提升，同時(shí)避免了外界因素的干擾。網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)的構(gòu)成如圖2所示。

圖2 網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)構(gòu)成

2 研究?jī)?nèi)容

廣播電視的信號(hào)發(fā)射環(huán)節(jié)非常重要。由于廣電發(fā)射塔一般地處高山地區(qū)，維護(hù)維修不便?；诖?，設(shè)計(jì)一種基于網(wǎng)絡(luò)RTK定位技術(shù)的高精度發(fā)射塔狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法，保證廣電信號(hào)安全優(yōu)質(zhì)播出。

在實(shí)際應(yīng)用中，在發(fā)射塔無傾斜變化、塔基無沉降的基礎(chǔ)上，將2個(gè)接收機(jī)水平地固定在塔頂，對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行持續(xù)觀測(cè)。根據(jù)實(shí)際觀測(cè)值，與安裝時(shí)監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)數(shù)值進(jìn)行矢量計(jì)算，以此來監(jiān)測(cè)發(fā)射塔的傾斜狀況。將1個(gè)接收機(jī)固定在塔基，將實(shí)際觀測(cè)數(shù)值與安裝時(shí)監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)數(shù)值進(jìn)行對(duì)比，以此監(jiān)測(cè)發(fā)射塔的整體位移和沉降。接收機(jī)接收虛擬基準(zhǔn)站發(fā)送過來的差分改正數(shù)據(jù)信息，用來對(duì)接收機(jī)進(jìn)行差分定位并將數(shù)據(jù)回傳至數(shù)據(jù)處理中心，解算出發(fā)射塔有無傾斜角度、位移及沉降等信息。作為RTK技術(shù)的主要原理，載波相位差分技術(shù)對(duì)測(cè)量值周跳的探測(cè)是定位精度是否接近真實(shí)值的關(guān)鍵。發(fā)射塔監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成如圖3所示。

3 周跳的探測(cè)

3.1 傳統(tǒng)周跳探測(cè)方法的優(yōu)缺點(diǎn)

Turbo Edit組合法是Blewitt提出的將GF組合和MW組合相融合的基于雙頻接收機(jī)的周跳檢測(cè)方法。該方法不需要測(cè)站坐標(biāo)和衛(wèi)星位置數(shù)據(jù)等信息，可以在任何長(zhǎng)度的基線上應(yīng)用，對(duì)非差載波相位觀測(cè)值進(jìn)行周跳檢測(cè)。因?yàn)閾碛休^高的檢測(cè)精度，該方法使用廣泛。但經(jīng)過其他學(xué)者實(shí)驗(yàn)證明，Turbo Edit組合法雖然對(duì)粗差判斷的比較準(zhǔn)確，但觀測(cè)偽距時(shí)的噪聲比較大，且對(duì)特殊組合周跳的反應(yīng)不夠靈敏。這樣不僅在GF組合法中對(duì)偽距測(cè)量值的多項(xiàng)式擬合引入了人為誤差，還降低了MW組合的檢測(cè)精度，因此Turbo Edit組合法在檢測(cè)1～2周的小周跳時(shí)不敏感[3]。

圖3 發(fā)射塔監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成

電離層殘差法是一種在歷元間電離層改變量較小特性的基礎(chǔ)上檢測(cè)周跳的方法。在忽略多路徑效應(yīng)和測(cè)量誤差后，求得雙頻載波L1和L2的相位觀測(cè)值之差：

式中：B為電離層改變系數(shù)；f1和f2分別為雙頻載波L1和L2的頻率；M1和M2為相位整周數(shù)。將上式兩端同時(shí)除以λ1，即可求得電離層殘差為：

歷元之間的電離層殘差之差即為周跳檢驗(yàn)量：

在電離層較為穩(wěn)定且不發(fā)生周跳的情況下，電離層延遲變化量為亞厘米級(jí)。若歷元之間的電離層殘差突然發(fā)生改變，則說明載波L1或L2的相位觀測(cè)值可能發(fā)生了周跳。由于在較短的觀測(cè)間隔（幾秒鐘）下，電離層延遲變化量非常小，一般維持在0.05 cm之內(nèi)，一旦檢測(cè)量超過0.1 cm，則可以認(rèn)定為發(fā)生了周跳。利用該方法能監(jiān)測(cè)到1周左右的小周跳，但無法判斷出該周跳出現(xiàn)在哪一頻率上，對(duì)于一些特殊的周跳組合也無法探測(cè)[4]。

3.2 改進(jìn)的周跳探測(cè)方法

總結(jié)Turbo Edit組合法和電離層殘差法的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)發(fā)現(xiàn)，這兩種方法在廣電發(fā)射塔狀態(tài)監(jiān)測(cè)的實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)周跳的探測(cè)能實(shí)現(xiàn)缺點(diǎn)互補(bǔ)[5]。利用Turbo Edit組合法判斷第n個(gè)歷元是否存在周跳，如果沒有探測(cè)到，則利用電離層殘差法再探測(cè)一遍，若仍然沒有，則進(jìn)行n+1個(gè)歷元的探測(cè)。一旦檢測(cè)到周跳的發(fā)生，則利用式（4）進(jìn)行周跳的計(jì)算：

通過式（4）計(jì)算出浮點(diǎn)解并設(shè)定檢索范圍(ΔM1±4φn,ΔM2±4φn)，若檢索范圍內(nèi)沒有整數(shù)解，則再將檢索范圍增加一倍，函數(shù)為：

為了驗(yàn)證該方法的有效性，取部分不含周跳采樣間隔為1 s的衛(wèi)星載波L1相位觀測(cè)值在MATLAB平臺(tái)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，MW組合檢測(cè)量和電離層殘差檢測(cè)量分別如圖4和圖5所示。

圖4 MW組合檢測(cè)量

圖5 電離層殘差檢測(cè)量

由圖4可以看出，由于觀測(cè)偽距噪聲的存在，MW組合檢測(cè)量的波動(dòng)范圍比較大，無法敏感地探測(cè)出1～2周的周跳。而圖5所示電離層殘差檢測(cè)量的波動(dòng)范圍則小的多，大大提升了對(duì)小周跳的探測(cè)精度。將兩種方法結(jié)合應(yīng)用，可以在剔除噪聲的同時(shí)提高檢測(cè)精度。

將衛(wèi)星載波L1相位觀測(cè)值人為地加入上述兩種方法的不敏感周跳，以測(cè)試改進(jìn)方法的有效性。在歷元40加入MW組合不敏感值（5，5），歷元90加入小周跳（1，1），歷元160加入正常周跳（3，5），歷元240加入電離層殘差不敏感值（9，7），利用改進(jìn)的周跳探測(cè)方法，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6和圖7所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，改進(jìn)后的周跳探測(cè)方法能夠很好地將原先各自不敏感的周跳互補(bǔ)地檢測(cè)出來。

圖6 加入周跳的MW組合檢測(cè)量

圖7 加入周跳的電離層殘差檢測(cè)量

4 發(fā)射塔狀態(tài)監(jiān)測(cè)

改進(jìn)后的周跳探測(cè)方法能夠大大提升網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)對(duì)發(fā)射塔形變監(jiān)測(cè)的定位精度。塔頂水平設(shè)置的2個(gè)GNSS接收機(jī)可以獲得接收機(jī)基于當(dāng)前站點(diǎn)的三維坐標(biāo)系A(chǔ)(X1,Y1,Z1)，B(X2,Y2,Z2)，利用該坐標(biāo)系數(shù)據(jù)可以計(jì)算出2個(gè)GNSS接收機(jī)連成的直線與水平面形成的夾角β，這個(gè)角就是發(fā)射塔與地面的傾斜角，公式如下：

取一段時(shí)間的監(jiān)測(cè)平均值作為發(fā)射塔的基準(zhǔn)數(shù)值，將不同時(shí)間段的監(jiān)測(cè)值與基準(zhǔn)數(shù)值進(jìn)行比較，得出該時(shí)間段內(nèi)發(fā)射塔的形變狀態(tài)和變化趨勢(shì)。塔基GNSS接收機(jī)監(jiān)測(cè)塔基的位移和沉降，通過對(duì)比塔基接收機(jī)的監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)數(shù)值，可以直觀地了解塔基具體的沉降和位移數(shù)值。

5 結(jié) 語(yǔ)

與傳統(tǒng)的慣性測(cè)量方式和傾角傳感器方式相比，基于GNSS技術(shù)的廣電發(fā)射塔狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法能夠方便地獲取發(fā)射塔的地理位置信息、形變信息及塔基位移和沉降信息。相對(duì)于傳統(tǒng)方式，該方法的布設(shè)成本較低。改進(jìn)的周跳探測(cè)方法，能有效地過濾檢測(cè)量中存在的噪聲，并使周跳檢測(cè)變得更加敏感。在不改變硬件結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，該方法能有效地提升接收機(jī)的定位精度，從而獲得更加準(zhǔn)確的發(fā)射塔狀態(tài)參數(shù)，為工作人員對(duì)發(fā)射塔的維護(hù)提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)及數(shù)據(jù)支撐。