基于北斗三号区域短报文通信的滑坡灾害监测数据传输方案设计

2023-07-08黄观文刘喜瑞李东旭

导航定位与授时 2023年3期

王纯,杜源,黄观文,贺星,张欢,王铎,刘喜瑞,李杨,李东旭

(1.长安大学地质工程与测绘学院,西安 710054; 2.中电科星河北斗技术(西安)有限公司,西安 710068)

0 引言

我国幅员辽阔,地形地貌纷繁复杂,但地质灾害频发,尤其是黄土高原、西南山区等地受滑坡等地质灾害影响较大。在过去的半个多世纪以来,我国因滑坡灾害造成的死亡人数超过2.5万人,平均每年的经济损失高达5 000万美元[1-2]。为了保障人民生命财产安全,开展科学有效的滑坡监测预警工作是防灾减灾的重要手段。

随着近年来全球导航卫星系统(global naviga-tion satellite system,GNSS)的快速发展,北斗/GNSS定位技术凭借其全天候、高精度、自动化的优点,在地质灾害防灾减灾领域得到了广泛应用[3-4]。早期的GNSS滑坡灾害监测是通过静态相对定位实现的[5],其通过长时间的连续同步观测,得到高精度的定位结果,但实时性较差。随着以最小二乘模糊度降相关平差法(least squares ambiguity decorrelation adjustment,LAMBDA)为代表的快速模糊度固定理论与方法逐渐发展,实时动态精密相对定位(real-time kinematic, RTK)技术成为了主流,通过该技术可以得到实时毫米级的监测序列,但其通常对流动站与基准站之间的通信链路具有较高要求[6-7]。然而,一方面,大量滑坡灾害发生区域地处偏远,通信设施匮乏,极易引起监测数据传输的网络延时;另一方面,当突发险情引起地面通信设施瘫痪时,无法及时准确得到灾情信息,阻碍后续救灾工作的开展[8]。随着通信技术的发展,人们对低时延信息的需求日益增长,尤其在滑坡灾害监测领域,监测信息的时效性甚至关乎人民生命财产安全。因此,在有线、无线通信网络中断的情况下,如何实现滑坡灾害监测信息的及时有效传输成为一个值得研究的问题。

北斗区域短报文通信(regional short message communication, RSMC)技术是北斗导航系统区别于其他导航系统的一项通信导航一体化融合特色服务,它通过双向通信技术,以北斗卫星为中转手段,根据地面站的调度规划,将源用户终端的消息发送至目标用户终端[9-11]。早在2003年,北斗一号有源导航系统就通过两颗地球同步轨道(geostationary Earth orbiting,GEO)卫星首次成功实现了短报文技术[12]。经过近20年的发展,北斗短报文的功能与性能得到了扩展与提升。目前,北斗三号RSMC长度最长可达1 000个汉字,通信容量相较于北斗二号提升了近10倍[13]。

众多学者针对北斗短报文技术进行了相关研究。李博峰等提出利用北斗二号短报文进行简化编码差分改正信息的播发,并通过多ID卡集成的方法增大带宽,实现了高精度海洋定位[14]。姬生月等通过单套北斗短报文设备,提出了空间相对定位+时间相对定位的定位方案[15]。张翔宇等针对库案滑坡中的通信盲区,基于北斗短报文通信和物联网技术进行了滑坡监测数据采集系统设计[16]。张亮儒等针对北斗短报文通信容量有限的问题,提出了一种带反馈重发机制的通信方法,提高了信号发送效率和鲁棒性[17]。刘雪强等针对高海拔区域通信易丢包的问题,提出了基于北斗短报文的高海拔区域用电信息采集方法,实现了居民用电信息的自动化安全采集[18]。罗晓萌等通过将北斗短报文技术引入安全通信加密算法中,降低了通信成本并提升了通信安全性[19]。刘利等对比了基于北斗二号与北斗三号区域短报文通信的单向与双向授时方法,证明了北斗新体制信号的优越性[20]。以上研究丰富了北斗二号短报文技术的应用,但基于最新的北斗三号RSMC技术讨论极少,亟需对其行业应用的优化与可行性进行探讨。

本文结合滑坡监测领域在地面通信受限下对数据传输的迫切需求,探索了北斗三号RSMC在该领域中应用的可行性,提出了一种适用于GNSS监测数据的短报文编码方法,在此基础上研究了编码数据的最佳传输方案,并对方案的通信指标及滑坡变形监测可行性进行了验证分析。

1 北斗三号短报文在滑坡灾害监测中的编码设计

1.1 GNSS滑坡灾害监测算法

对于监测站r和卫星j,北斗/GNSS测码伪距与载波相位原始观测方程分别为

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

通过式(4)、式(5),结合序贯最小二乘或卡尔曼滤波算法,即可求解该历元对应变形监测结果[22]。

1.2 北斗三号 RSMC技术

北斗三号RSMC技术通过3颗GEO卫星对中国及周边区域用户提供服务,其服务可覆盖东经75°～135°、北纬10°～55°的广大区域。在进行短报文通信时,需要将ID卡插入源用户与目标用户终端,作为各自的唯一标识[23]。源用户终端通过上行频段L(1 610.0～1 626.5 MHz)将消息发送给GEO卫星,经过地面监测站的接收与转发,再次通过GEO卫星以下行频段S(2 483.5～2 500 MHz)传递给目标用户终端[11]。工作模式如图 1所示。

图1 北斗三号区域短报文通信示意图Fig.1 Schematic diagram of BDS-3 regional short message communication

北斗三号RSMC的服务成功率大于95%,响应时间小于1 s,上行服务能力可达每小时1 200万次,下行服务能力可达每小时600万次,单次消息长度最大可为14 000比特,约为1 000个汉字[10,24-26]。相比于北斗二号,北斗三号RSMC服务容量有了较大提升,这为偏远山区通信受限条件下的滑坡灾害监测带来了可能。虽然北斗三号RSMC的平均服务频度为30 s,但用户获得的实际服务频度会受到ID卡注册参数的限制[11]。本文所用北斗三号RSMC终端能够获得的服务频度为60 s,即装备单张北斗ID卡的短报文终端在发送一次北斗短报文消息之后,需要等待60 s才能发送下一条消息,这使得通过北斗短报文进行高频GNSS观测数据的传输变得难以实现。

1.3 北斗三号RSMC编码策略介绍

为了能够通过北斗三号RSMC技术进行GNSS监测站实时观测数据的传输,需要一种针对GNSS原始观测值的编码方法,使得既能够完整地传输观测值信息,又能够满足RSMC的带宽限制要求。因此,基于实时GNSS观测数据传输较为常用的RTCM3.2传输格式[27],本文设计了一种适用于北斗三号RSMC技术的数据编码方法,格式如表 1所示。此外,由于广播星历可以基于Ntrip协议通过网络直接传输至解算端,因此在编码中不考虑广播星历传输。

表1 基于北斗三号RSMC的GNSS观测值消息编码方法Tab.1 GNSS observation message coding method based on BDS-3 regional short message communication

本编码方法的短报文消息包括同步码、数据长度、GNSS观测数据以及数据校检码4个部分。同步码用来标识一条完整消息的开始,这里固定为16进制0XAA;数据长度标识了GNSS观测数据的总字节长度,当一条短报文消息中无任何GNSS观测数据时,数据长度用0填充;每条短报文消息的GNSS观测数据部分则能够完整记录最多5个历元的观测值信息;数据校检码采用24位循环冗余校检(CRC-24)方案,用来验证消息的正确性与完整性。

表 2详细说明了单个历元GNSS观测数据的编码策略,包括观测历元时刻、可用通道总数、每个通道数据的卫星PRN码、卫星频段、载噪比、伪距、载波相位观测值等信息。其中,每个通道数据段的数据最大总长度R为

R=6+3+6+36+21=72 bit

(6)

因此,根据表 2,可以计算出单个历元的GNSS观测数据最大总长度R总为

表2 GNSS单历元观测数据编码方法Tab.2 GNSS observation data coding method in single epoch

R总=R×36+6+12+32+8=2 650 bit

(7)

综合表 1与表 2信息,当通过本方法编码的单条北斗短报文消息完整无缺失时,最大将占据共计13 293 bit的长度,满足北斗三号区域短报文的14 000 bit限制。

1.4 观测数据传输方案分析

滑坡灾害一般位于人口稀少、路途艰险的区域,其通信条件时常不佳。因此,通过使用北斗RSMC技术,可以使流动监测站摆脱对地面通信基础设施的过度依赖,从而在由灾害导致的通信中断条件下时,依然能够实时回传监测信息。另一方面,由于基准站通常部署于地质结构稳定、通信较为良好的区域,因此可以使用4G/WIFI等传统通信手段进行数据传输[28]。

在上述北斗三号RSMC编码方法的基础上,需要确定基准站与流动站GNSS观测数据的传输方案。本节设计了3种备选传输方案进行分析,如表 3所示。其中方案1的基准站数据采用4G手段传输,采样间隔为1 s,流动站数据采用RSMC手段传输,采样间隔为12 s;在方案2中,基准站与流动站均采用RSMC技术传输,此时需要2台短报文通信终端,采样间隔为12 s;方案3与方案2类似,但基准站与流动站共用同1台北斗短报文终端进行数据播发,顾及通信容量与数据的同步性,均采用30 s采样间隔。

表3 观测数据的传输方案Tab.3 Transmission scheme for observational data

为了避免混淆,本文将流动站监测序列结果的输出时刻与该历元对应观测时刻之间的时间延迟称为“输出时延”;而将某个历元解算时,所使用的流动站观测值历元时刻与基准站之间的时间延迟称为“解算时延”。输出时延通常由流动站观测数据的延迟引起,而解算时延则是由基准站观测值的延迟或缺失造成的。输出时延对解算精度并无影响,而解算时延的增加则会降低监测序列的可靠性。此外,数据传输过程中由于信号的往返也会产生一定的延迟,但量级较小。因此为了简化方案分析,决定忽略流动站在传输过程中由于信号往返产生的时间延迟。

1.4.1 方案1

方案1的数据播发示意图如图 2所示,假设流动站于第Tmin的最后1 s发送北斗三号RSMC数据,若此时忽略数据的传输时延,则接收端该时刻接收并解码得到的消息为第Tmin第12、24、36、48以及60 s的GNSS观测数据。

图2 方案1数据播发策略Fig.2 Scheme 1 data broadcast strategy

在方案1中,虽然流动站与基准站采样率不同,但由于二者播发的数据能够在接收端得到一一匹配,因此可以得到较高精度结果。其对应监测序列的采样间隔为12 s,但每次解算的前4个历元数据由于不是观测时刻准时播发,因此会存在不同程度的输出时延,此方案的平均输出时延为24 s。

方案1的解算时延如图 3所示,由于基准站非中断情况下数据的传输延迟通常较小,因此假设基准站传输延迟为ts,且t<12,则此时只有第60 s的流动站监测历元会受到该传输延迟的影响。

图3 方案1解算时延示意图Fig.3 Scheme 1 solution delay sketch map

由图 3可得,方案1第Tmin监测结果的平均解算时延δt如式(8)所示,可见δt小于2.4 s。方案1由于基准站较高的数据采样率,因此解算时延较低。

(8)

1.4.2 方案2

方案2示意图如图 4所示,此种方案的输出时延与方案1类似,解算得到的监测序列采样间隔为12 s,解算结果的平均输出时延为24 s。

图4 方案2数据播发策略Fig.4 Scheme 2 data broadcast strategy

在方案2中,当基准站数据传输发生延迟或缺失的情况下,流动站只能使用基准站上一分钟播发的数据。其解算时延如图 5所示,同样假设基准站的传输延迟为ts(t<12)。

图5 方案2解算时延示意图Fig.5 Scheme 2 solution delay sketch map

此时,第Tmin的平均解算时延δt如式(9)所示。δt达到了36 s,相比于方案1,该方案受基准站与流动站之间的解算时延影响较大。

(9)

1.4.3 方案3

方案3如图 6所示。相比前两种方案,此种方案下得到的监测序列采样频率较低,为30 s,解算结果的平均输出时延为15 s。

图6 方案3数据播发策略Fig.6 Scheme 3 data broadcast strategy

与方案2类似,方案3的解算时延示意图如图 7所示,同样假设基准站的传输延迟为ts(t<12)。

图7 方案3解算时延示意图Fig.7 Scheme 3 solution delay sketch map

此时,第Tmin的平均解算时延δt为

(10)

1.4.4 方案分析

在滑坡灾害监测中,高频的监测序列相比低频能够更加直观清晰地展现出滑坡体的运动趋势,因此除了监测系统建设成本、输出时延、解算时延之外,监测序列的频率也是较为重要的一项因素。综合以上3个方案,统计每个方案的监测序列频率、平均解算时延、平均输出时延与成本,如表 4所示。

表4 三种方案的特征分析Tab.4 Characteristics analysis of three schemes

从表 4可见,方案1的监测序列采样频率高,平均输出时延与建设成本处于中等水平,且平均解算时延最低,为最优方案。方案2由于存在3种方案中最高的平均解算时延,会降低监测序列可靠性,同时其建设成本最高。方案3虽然理论上系统的建设成本最低,但当基准站与流动站相距较远时,难以将数据传输至共用的北斗短报文终端,需要在站间建立额外的通信链路,因此可行性较低。综上所述,本文选择方案1作为最优方案,方案2作为对比,进行后续实验分析。

2 实验与结果分析

为了评估本文传输方案的可行性,根据方案1在西安市建立了TEST02-TEST01基线,作为对比,根据方案2在四川省康定市雅拉乡驷马塘滑坡建立了SMT02-SMT01基线,进行了通信指标验证实验与滑坡变形监测实验。在实验中,考虑到后续数据的可扩展性,流动站每次播发的历元个数与上节所述方案略微不同,为4个历元。实验中采用图 8所示北斗RDSS传输模块作为RSMC终端,两种方案的监测区域基线示意图如图 9所示,其中方案1 TEST01流动站处于城市开阔环境,无明显遮挡,而方案2 SMT01流动站地处山区,其东西两侧低高度角区域受山坡与植被影响,存在部分遮挡。

图8 北斗RDSS传输模块Fig.8 BeiDou RDSS transmission module

图9 传输方案监测区域示意图Fig.9 Monitoring area diagrams of transmission schemes

2.1 通信指标验证实验

在基于北斗三号RSMC的数据传输中,传输成功率决定了实时观测数据的完整性,传输方案的解算时延则关系到监测序列结果的可靠性。因此,为了验证本文传输方案在通信层面的可行性,对传输成功率与传输解算时延进行了通信指标验证。

2.1.1 传输成功率

传输成功率是指在统计期间,北斗三号RSMC接收方正确接收的服务结果次数(成功次数)与发送方发出的总服务申请次数(测试次数)之比。由于传输成功率仅与北斗三号RSMC终端有关,方案1与方案2所用终端相同,因此本实验选取方案2 SMT01流动站2022年年积日294、322、325 这3日的数据进行了传输成功率测试,结果如表 5所示,总测试次数达3 609次,其平均传输成功率可达98.46%,满足北斗三号RSMC服务成功率大于95%的指标要求。

表5 传输方案成功率测试Tab.5 Transmission scheme success rate test

2.1.2 传输解算时延

选取方案1 TEST01流动站2022年年积日257、方案2 SMT01流动站年积日317的数据进行了传输方案的解算时延统计,分别绘制了时延序列图与直方图,结果如图 10、图 11所示。图中可见两种方案多数时延均集中于0 s,其中方案1解算时延均小于4 s,该日共3 050个历元,平均解算时延为1.01 s;方案2则会出现高达60 s的解算时延,该日共2 823个历元,平均解算时延为1.6 s。从传输解算时延试验中可见,方案1的平均解算时延优于方案2,且最大解算时延量级远低于方案2,因此方案1相较于方案2更加可靠。

图10 方案1解算时延测试Fig.10 The test of Scheme 1 solution delay

图11 方案2解算时延测试Fig.11 The test of Scheme 2 solution delay

2.2 滑坡变形监测实验

基于本文传输方案1与方案2,将来自北斗三号RSMC的实时GNSS观测数据解码,进行了滑坡变形监测实验。实验解算策略如表 6所示。此外,为了降低流动站与基准站之间的解算时延对结果的影响,将流动站每个观测历元对应时刻的基准站观测值进行缓存,并在流动站相应历元解算时进行匹配。

表6 解算策略Tab.6 Solution strategy

分别统计了方案1 TEST01流动站、方案2 SMT01流动站各年积日监测结果E、N、U方向的固定解标准差(standard deviation,STD)及模糊度固定率,结果如表 7所示。其中以E方向为例,单年积日STD计算方法如下

表7 传输方案固定解精度统计Tab.7 Fixed solution accuracy statistics of transmission scheme

(11)

在表 7基础上对各方案不同年积日的固定率、STD精度取平均,可得方案1的日均模糊度固定率为73.8%,E、N、U方向的日均STD分别为0.006 m、0.005 m、0.018 m;方案2日均固定率为77.5%,日均STD为0.004 m、0.003 m、0.011 m。从以上分析可见两种方案的监测精度相当,STD均可达到水平方向毫米级、垂直方向厘米级水平,能够满足实时北斗滑坡灾害监测的要求。方案2的精度略优于方案1,是由于其基线长度较短引起。两类实验的模糊度固定率较低是由于流动站接收机的硬件原因导致,需要对北斗短报文通信天线与GNSS信号天线之间进行进一步的抗干扰处理。

对各监测结果序列在E、N、U方向上的偏差进行了频率直方图统计,以方案1年积日263、方案2年积日322的结果为例进行展示,如图 12、图 13所示。可以看出,两种方案监测序列在3个方向上的偏差均近似服从于均值为0的高斯分布,这表明通过北斗RSMC传输方案数据得到的监测序列受系统误差影响较小。另一方面,不同年积日在同一方向上的偏差分布表现一致,表明监测序列能够达到较为稳定的精度水平。此外,E方向与N方向的偏差分布相较于U方向均更加集中,这也证明了北斗/GNSS滑坡监测中,水平方向的监测精度优于垂直方向。为了进一步分析传输方案监测误差分布情况,将两种方案的定位偏差取绝对值并绘制了累积分布图,分别如图 14 (a)、(b)所示,图中可见在95%的概率条件下,两种方案的水平方向偏差均优于0.015 m,垂直方向均优于0.035 m,与当前RTK技术精度水平相当。