馮建強 范 哲 高振銘

(南水北調(diào)中線信息科技有限公司,北京 100038)

隨著北斗三號組網(wǎng)成功,北斗產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展,GNSS(Global Navigation Satellite System,全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng))技術(shù)在變形監(jiān)測行業(yè)的應用越來越廣泛,GNSS接收機觀測值精度指標的重要性越加凸顯[1]。大量工程實踐表明,長時序變形監(jiān)測水平精度最優(yōu)可達到±2mm,垂直精度最優(yōu)可達到±5mm。南水北調(diào)中線干線工程是一項跨流域、長距離的特大型調(diào)水工程,工程全長約1432km[2],目前變形監(jiān)測主要以人工觀測為主,與GNSS自動化監(jiān)測系統(tǒng)相比,存在自動化程度低、工作量大、易受氣候和其他外界條件的影響等顯著缺點,難以滿足高精度和高時效兼顧的監(jiān)測需求。針對南水北調(diào)中線工程實際工程特點,GNSS導航定位系統(tǒng)變形監(jiān)測自動化系統(tǒng)研究對工程安全運行具有重要指導意義,同時也存在兩大問題:?與現(xiàn)有人工觀測相比,GNSS觀測精度相對較低,尤其是垂直位移監(jiān)測方面;?南水北調(diào)中線工程線路長、規(guī)模大、成本較高,需投入大量的設(shè)備(包括前期建設(shè)、運行期維護、設(shè)備迭代更新)。針對存在的問題,基于南水北調(diào)中線工程變形監(jiān)測應用的研究進行GNSS觀測系統(tǒng)自主研發(fā)。本文結(jié)合南水北調(diào)工程實際作業(yè)條件對自主研發(fā)的GNSS系統(tǒng)進行靜態(tài)短基線精度評定,對其適用性和可行性開展初步研究。

1 自主研發(fā)GNSS觀測系統(tǒng)

依托自動化監(jiān)測系統(tǒng)平臺自主研發(fā)測地型GNSS接收機以高精度定位板卡進行二次開發(fā),具有較強的擴展性和靈活性,能夠切合工程實際需求,同時可以有效降低監(jiān)測成本。自主研發(fā)測地型GNSS接收機通常以雙頻或多頻進行設(shè)計,同時接收雙頻或多頻載波信號,利用雙頻觀測值組合消除電離層對電磁波信號的延遲影響[3-4],可用于長距離精密定位,符合南水北調(diào)中線工程大規(guī)模線性工程的特點。GNSS接收機研發(fā)過程涵蓋機械設(shè)計、硬件集成、嵌入式開發(fā)、無線傳輸、系統(tǒng)集成等方面。

1.1 硬件集成及開發(fā)

芯片、模塊、天線、板卡等GNSS系統(tǒng)應用基礎(chǔ)產(chǎn)品選擇是影響GNSS接收機觀測精度的直接因素。長期以來,高精度定位市場以Trimble、Ublox、Leica、Novatel、Septenrio等國際品牌為主。隨著北斗產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展,我國已建立實施北斗基礎(chǔ)產(chǎn)品認證制度[5],為北斗基礎(chǔ)產(chǎn)品高速發(fā)展營造了良好環(huán)境。GNSS融合定位系統(tǒng)已進入了全新的發(fā)展階段,國產(chǎn)化GNSS基礎(chǔ)產(chǎn)品在精度方面也邁上新的臺階,靜態(tài)定位精度最優(yōu)可達到±2.5mm。從觀測精度、成本和國家戰(zhàn)略方面考慮,自主研發(fā)GNSS接收機充分考慮國產(chǎn)化。經(jīng)篩選比對,選擇某國產(chǎn)品牌H高精度板卡(靜態(tài)基線精度2.5mm+1ppm)搭載測量型GNSS天線(相位中心誤差為±2mm),支持多系統(tǒng)多頻數(shù)據(jù)采集。整體設(shè)計思路在兼顧成本和觀測精度的前提下,充分考慮國產(chǎn)化,以迭代法確定基礎(chǔ)產(chǎn)品最優(yōu)組合,建立完善監(jiān)測平臺系統(tǒng),適應高精度定位板卡技術(shù)革新和產(chǎn)品迭代,實現(xiàn)低成本自主研發(fā)的GNSS觀測系統(tǒng)在南水北調(diào)中線工程大規(guī)模應用。

1.2 機械設(shè)計

為了便于安裝及后期維護調(diào)試,GNSS樣機采用分體式設(shè)計。接收機整機外殼充分考慮防塵、防水、防潮、防振,防護等級不低于IP68,搭載LED中控顯示屏,建立良好的人機交互界面。內(nèi)置電源反置和過電保護裝置。整機外殼采用鎂鋁合金材質(zhì),輕便堅固,具有良好的剛度和散熱性。自主研發(fā)的GNSS接收機初代產(chǎn)品見圖1。

圖1 自主研發(fā)的GNSS接收機初代產(chǎn)品

1.3 供電、防雷系統(tǒng)設(shè)計

GNSS觀測設(shè)備抗雷擊電磁脈沖引起的過電壓、過電流能力脆弱,十分易損,必須對觀測設(shè)備采取防雷措施;還需考慮供電系統(tǒng)及觀測設(shè)備的防水設(shè)計,避免降雨時發(fā)生短路,造成設(shè)備損壞。結(jié)合南水北調(diào)中線工程變形監(jiān)測現(xiàn)場的供電條件,建立太陽能供電系統(tǒng)搭載蓄電池組,滿足連續(xù)14天陰雨天氣的持續(xù)供電。日常作業(yè)可實現(xiàn)7×24小時不間斷運行,GNSS接收機應內(nèi)置鋰電池,以便在外部供電系統(tǒng)異常的情況下,預留出搶修恢復時間。該供電系統(tǒng)已廣泛應用在南水北調(diào)中線工程防洪系統(tǒng)中,經(jīng)實踐驗證滿足GNSS監(jiān)測供電需求。

在防雷設(shè)計方面,從直擊雷防護和雷電感應過電壓防護兩方面進行防護,主要包括測站防雷、通信系統(tǒng)防雷和電源系統(tǒng)防雷。沿用南水北調(diào)工程現(xiàn)有防雷和接地措施,可有效防止直接雷和感應雷對GNSS監(jiān)測系統(tǒng)的損壞。供電系統(tǒng)和防雷系統(tǒng)見圖2。

圖2 供電系統(tǒng)和防雷系統(tǒng)

1.4 傳輸系統(tǒng)設(shè)計

在高精度OEM板卡基礎(chǔ)上進行二次開發(fā),將GNSS航電原始報文通過物聯(lián)網(wǎng)4G無線傳輸模塊發(fā)送到服務(wù)器,由監(jiān)測平臺解析處理。數(shù)據(jù)通信采用TCP/IP協(xié)議和MQTT數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議雙通道傳輸,有效解決無線傳輸數(shù)據(jù)丟包的難題。在確保數(shù)據(jù)傳輸安全及可通過雙向協(xié)議實現(xiàn)應用端與設(shè)備之間的交互功能方面充分切合南水北調(diào)中線工程監(jiān)測需求,定制相關(guān)功能。

2 精度測試

為詳細對比自主研發(fā)的GNSS接收機的整體性能和精度,基于南水北調(diào)中線干線工程實際作業(yè)環(huán)境對自主研發(fā)的GNSS接收機進行短基線相對靜態(tài)觀測,分別從內(nèi)符合精度評定和外符合精度評定兩個方面對觀測值的可靠性、穩(wěn)定性、精確度進行綜合測評。同時以綜合性能較好的某國外L品牌高精度GNSS接收機(以下簡稱GNSS接收機L)為對比對象,在相同觀測條件下進行同步觀測。通過橫向比對,研究分析自主研發(fā)的GNSS接收機在精度、可靠性方面的優(yōu)劣。

本次設(shè)備的規(guī)范部署是GNSS變形監(jiān)測中重要卻容易忽略的難題。設(shè)備安裝和調(diào)試不規(guī)范,將導致監(jiān)測結(jié)果精度下降、可靠性不足甚至完全不可用[6]。測試現(xiàn)場選取4個具有強制對中裝置的觀測墩,各觀測墩平均分布在工程渠道兩側(cè)(見圖3),基本處于穩(wěn)定狀態(tài),并且對空條件良好,周邊無強信號干擾源,具有良好的通視條件,滿足《全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)GPS測量規(guī)范》相關(guān)技術(shù)標準要求(見圖4)。同時為進一步保證觀測精度不受外部變形實際影響,在GNSS觀測前后分別采用高精度全站儀進行測量,驗證其穩(wěn)定性。

圖3 自主研發(fā)的GNSS接收機測試現(xiàn)場基線分布情況

圖4 自主研發(fā)的GNSS接收機現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)

2.1 測試流程

自主研發(fā)的GNSS接收機測試流程見圖5。

圖5 自主研發(fā)的GNSS接收機測試流程

2.2 基線標準值測定

外符合精度評定以標準值作為比對基準,所以標準值的測定精度將直接影響其外符合精度評定結(jié)果。本次測試,采集數(shù)據(jù)前后使用高精度全站儀Leica TM50(0.6mm+1ppm)對短基線進行對向觀測測定基線長度,每次設(shè)站觀測6個測回,每測回盤左、盤右各讀數(shù)3次,取均值作為觀測值。觀測過程中,同步測定溫度、氣壓、濕度等氣象參數(shù),實時進行氣象改正。通過加常數(shù)、乘常數(shù)后處理獲取基線精確標準值。同一基線前后兩次測定長度互差均應小于1mm,最終取前、后兩次基線長度值的算術(shù)平均值作為基線已知標準值。

2.3 Ratio檢驗

Ratio是在采用搜索算法確定整周未知數(shù)參數(shù)的整數(shù)值時,產(chǎn)生的次最小的單位權(quán)方差與最小的單位權(quán)方差的比值[7],其比值越大,觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量越可靠[8]。它是基線解算質(zhì)量評定的重要指標。這一衡量指標取決于多種因素,既與觀測值的質(zhì)量有關(guān),也與觀測條件的好壞有關(guān)。大量實踐表明,基于較短基線觀測Ratio值大于3時,可認為對應的搜索結(jié)果是正確的,觀測質(zhì)量較為可靠[9]。自主研發(fā)的GNSS接收機觀測值Ratio小于3的時段約占總觀測時段的20.8%,國外高精度GNSS接收機L觀測值Ratio均大于3。相比較而言,自主研發(fā)的GNSS接收機數(shù)據(jù)質(zhì)量較差。鑒于現(xiàn)場觀測條件基本相同,觀測條件對Ratio造成的差異性影響較小,表明GNSS系統(tǒng)基礎(chǔ)產(chǎn)品自身整體性能的穩(wěn)定性對自主研發(fā)的GNSS接收機Ratio指標值影響較大。

2.4 內(nèi)、外符合精度測試

(1)

式中:δ為標準誤差,mm;a為儀器固定誤差,mm;b為儀器比例誤差系數(shù),ppm;d為基線長度,km。

(2)

式中:σ為GNSS接收機的內(nèi)符合精度;V為觀測值與其最或然值的差值;n為觀測時段數(shù);P為觀測值的加權(quán)矩陣。

(3)

式中:σ為GNSS樣機的外符合精度;V為觀測值與標準值的差值;n為觀測時段數(shù);P為觀測值的加權(quán)矩陣。

3 精度分析

內(nèi)符合精度分析指利用各基線觀測值與最或然值差值對GNSS接收機自身系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性進行評定。比對結(jié)果顯示有3個觀測時段差值超出±1mm,最大差值為-2.1mm,其他時段差值均在±1mm內(nèi)。對各基線比對差值進統(tǒng)計分析,按式(2)計算各基線標準差(STD)為±0.34～±1.41mm(見表1)。外符合精度反映的是觀測值與標準值的偏差程度[10]。各基線觀測值與測定標準值比較,有1個時段偏差值較大(-3.72mm),超出儀器標準誤差δ,其他大部分偏差值分布在1～2mm之間,均小于標準誤差δ。由式(3)計算各基線均方根(RMS)誤差在±0.94～±2.02mm(見表1)。相同觀測條件下,GNSS接收機L內(nèi)符合測試比對結(jié)果最大差值為1.4mm(基線長約150m),其他時段均分布在±1mm以內(nèi);外符合測試比對結(jié)果大部分偏差值分布在±1mm以內(nèi)。GNSS接收機內(nèi)、外符合精度統(tǒng)計見圖6和圖7。

表1 自主研發(fā)的GNSS接收機內(nèi)、外符合精度統(tǒng)計 單位:mm

圖6 自主研發(fā)的GNSS接收機內(nèi)、外符合精度統(tǒng)計

圖7 國外GNSS接收機L內(nèi)、外符合精度統(tǒng)計

通過綜合評定分析,本次基于較短基線距離觀測條件測定的(基線長度相近,最長約150m,比例誤差帶來的差異性影響極小,可以忽略不計)自主研發(fā)的GNSS接收機內(nèi)符合精度為±0.67mm,外符合精度為±1.46mm。測評結(jié)果表明基于短基線距離,自主研發(fā)的GNSS接收機系統(tǒng)自身離散程度較低,穩(wěn)定性、可靠性較好,觀測數(shù)據(jù)準確性置信水平較高,從基線解算精度方面看,可以滿足GNSS接收機L的標稱精度。與GNSS接收機L橫向比對,GNSS基礎(chǔ)產(chǎn)品選型和集成工藝仍存在較大的提升空間,GNSS天線相位中心穩(wěn)定性和抗多徑干擾能力相對較弱,導致其穩(wěn)定性和電磁兼容性較國外GNSS接收機L水平較差,同時4G無線通信模塊對信號接收造成一定程度的干擾。在后續(xù)改進方面需進一步提高集成工藝水平和基礎(chǔ)產(chǎn)品穩(wěn)定性、可靠性和電磁兼容性。

4 結(jié) 論

GNSS技術(shù)在南水北調(diào)中線工程變形監(jiān)測的應用潛力巨大,將對推進南水北調(diào)中線工程高質(zhì)量發(fā)展發(fā)揮重大作用,可為其他國內(nèi)調(diào)水工程變形監(jiān)測提供參考和借鑒。本文對自主研發(fā)的GNSS觀測系統(tǒng)和精度測試試驗進行了簡要介紹。試驗結(jié)果表明,自主研發(fā)的GNSS觀測系統(tǒng)在短基線觀測條件下的內(nèi)、外符合精度水平較好,數(shù)據(jù)準確性置信水平較高,能夠滿足南水北調(diào)中線工程水平方向變形監(jiān)測需求。本測試驗證了低成本自主研發(fā)的GNSS觀測系統(tǒng)在南水北調(diào)中線工程變形監(jiān)測中應用的可行性,后續(xù)結(jié)合國家計量部門檢定結(jié)果進行持續(xù)優(yōu)化,并將大規(guī)模組建GNSS觀測網(wǎng),持續(xù)改進觀測系統(tǒng)的供電、通信和防雷接地等措施,并對中短、長距離基線進行進一步測試。