黄祖德　王峰　夏佩　曹彬　揭云飞　邱文添　李学易

摘要：针对大坝监测布线困难大，实施困难问题，该文提出一种采用GPS卫星导航定位系统的实时差分定位（RTK）技术，利用LoRa无线传输技术构成星型局域网把基站到卫星的距离修正数实时地广播到移动站，然后用GPRS把各个节点解算的定位结果传输到远程的监控中心。通过综合分析，该系统可以有效预测监测大坝形变情况。

关键词： 差分定位；loRa；形变监测

中图分类号：TN962 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）19-0249-03

1 引言

随着大坝工程技术的快速发展，水资源的深入开发利用，大坝安全问题变得日益突出。建立可靠的大坝形变监测系统，对于实时准确监控大坝的健康状态，保证大坝的安全具有极其重要意义。针对大坝形变预防和预报的相关技术也在快速发展之中，GPS（Global Positioning System）技术作为现代成熟的形变监测技术被广泛应用于大坝和山体滑坡等應急形变监测之中，在预防地质灾害中起到相应的作用。

迄今为止，卫星导航系统被广泛应用于各个领域[1-2]：对海上行驶的船舶进行跟踪，当船舶发生故障时可以迅速对其定位、救援；对城市汽车行程路线进行规划，有效避开拥堵路段；在各种等级的大地测量、工程测量、航空摄影测量、运载工具导航和管制、工程形变监测、资源勘察、地球动力学等多种学科，其中GPS给测绘领域带来了深刻的技术革命。基于GPS的形变监测系统与传统的大地测量方法（边角交会、水准测量等）、埋设仪器法（正倒垂、多点位移计等）等常规方法相比[3]，其成本与功效、环境影响、误差控制、连续性、自动化与否及对操作人员要求等方面都具有明显的优势，能够实时高精度监测大坝的动态变形，符合大坝变形监测工作要求的“及时、连续、可靠”三原则。本文提出了一种基于GPS与LoRa无线传输网络的大坝监测方案，该方案性价比高，可扩张性强[4]，在实际应用中具有很重要意义。

2 高精度差分定位大坝监测系统设计依据

2.1 差分GPS定位技术

根据发送的信息内容不同，差分GPS定位技术包括位置差分、伪距差分、相位平滑伪距差分和载波相位差分[5]。采用载波相位观测值可以实现高精度的GPS测量，RTK定位技术就是基于载波相位观测值的实时动态定位技术，该差分定位技术可以实时地提供测站点在指定坐标系中的三维定位结果，且定位精度达到厘米级。在RTK作业模式下，基准站通过数据链路将其观测值和观测站坐标信息传送给流动站。流动站通过数据链接收来自基准站的数据的同时，还要采集GPS观测数据，并在系统内组成差分观测值进行实时处理，同时解算出厘米级定位结果，历时不到一秒钟，差分原理如图1。流动站可以在静止状态或者运动状态下工作。在整周模糊度解固定后，就可进行每个历元的实时处理，保持四颗以上卫星相位观测值的跟踪和必要的几何图形，则流动站可实时给出厘米级定位结果。

2.2 loRa无线传输技术

LoRa（Long Range）是由Semtech公司提供的超长距离、低功耗的物联网解决方案[6]。LoRa采用了星型网络架构，其网络架构与网状网络架构相比，它具有更低的延迟、最简单的网络结构。应用于低成本的传感网解决方案中，LoRa使用先进的扩频调制技术和编码方案，增加了链路预算和更好的抗干扰性能[7]，并且在功耗方面相比WIFI、蓝牙技术有明显的改进。

在实际应用中，如果物联网设备中采用LoRa协议，其无线通信距离超过15公里（郊区环境），电池的使用寿命最少10年，并且可以将数百万的无线传感器节点与LoRa技术网关连接起来，这个优势是传统的网络通讯标准无法比拟的。如表1所示，不同的无线通信方式的传输距离、速率、功耗对比。

由表1可以看出，在通信数据量不大的情况下，其传输距离和功耗都比上述的无线通信方式有优势，且该技术主要工作在全球各地的ISM免费频段[8]（即非授权频段），主要有433、470、868、915MHz等。

3 高精度大坝监测系统的搭建和性能测试

3.1 高精度移动站搭建

RTK的关键技术在于使用GPS的载波相位观测量，并利用基准站和移动站之间观测误差的空间相关性，通过差分的方式有效减少移动站观测数据的大部分误差。常用的移动站有高精度测绘级的双频接收机NovAtel OEM 系列，由于其价格昂贵，所以自主设计了一款自主设计的便携式高性价比，并且能满足定位精度要求的移动站代替NovAtel，图2为移动站实物图。

下面图3是不同移动站差分定位精度对比图，其中测试条件是用RTCM3差分电文数据格式和不同移动站组成的差分系统进行的定位精度对比。从图中可以看出，在2公里以内自主设计的板卡在使用RTCM3差分电文数据进行载波相位差分定位的CEP（Circular Error Probable）与专业板卡接近。

3.2 系统结构

大坝监测系统的设计分软件设计部分和硬件设计部分，其中硬件设计主要由GPS定位模块、数据传输模块和处理器单元ICU的设计。由于考虑到系统的使用的通用性，大坝监测的处理器单元采用基于实时Linux系统的RaspberryPi嵌入式操作平台[9]，软件部分使用开源的rtklib差分软件、服务器和客户端，图4是大坝监测系统的结构图。

3.3 性能测试

由于大坝监测都是在可视范围内，所以这里选择短基线静态进行测试。实验地点选择在空旷的地带，通过在检测的区域布置基站和移动站在同一水平直线上，系统开始采集GPS定位数据，然后通过GPRS把采集到的数据传输到服务器上，户外定位精度如图5所示。

图5中，绿色的点为实时动态定位点，地图标尺每一格代表1cm，通过图可以看出定位精度在1cm左右。实验结果表明，在多径干扰较少的情况下，使用自主设计的差分移动站，定位精度可以达到厘米级，可以达到很好的监测形变效果。

4 结论

本文介绍了一款自主设计的高精度差分定位的大坝形变监测系统。通过实验表明，系统系统稳定性好，可扩展性强，定位精度达到厘米级，完全可以实现数据实时采集，实时传输，并对可能发生的大坝形变进行实时有效的监测预报，对于预防大坝形变带来的灾难具有十分重要的意义。

参考文献：

[1] 刘春保.国外卫星导航应用产业发展研究[J].卫星应用， 2015（2）：59-64.

[2] Mazumdar P， Patra B K， Lock R， et al. An approach to compute user similarity for GPS applications[J].Knowledge-Based Systems， 2016， 113：125-142.

[3] 王辰宇， 章璐瑜， 熊英男. GPS-RTK技术在山区交通沿线山体滑坡位移监测中的应用[J]. 科技促进发展， 2012（s1）：66-67.

[4] 朱望纯，庞少东.一种基于Zigbee与GPS山体滑坡监测系统开发[J]. 计算机测量与控制， 2014， 22（9）：2779-2780.

[5] 徐周. GPS差分定位技术及实现方法的研究[D]. 解放军信息工程大学， 2006.

[6] 刘琛， 邵震， 夏莹莹. 低功耗广域LoRa技术分析与应用建议[J].电信技术， 2016， 1（5）：43-46.

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[8] 郑浩. LoRa技术在低功耗广域网络中的实现和应用[J].信息通信技术， 2017（1）：19-26.

[9] Kizar， Sk. Noor， and G. S. R. Satyanarayana. Object detection and location estimation using SVS for UAVs[C].International Conference on Automatic Control and Dynamic Optimization Techniques IEEE， 2017：920-924.