基于GSM數據傳輸的GPS差分相對位移監測系統

2019-11-03 09:13:36

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章步云王仁波
　　1.南京理工大學南京 210009；2.東華理工學院撫州 344000

　　GPS差分測量是近年來逐漸發展起來的一種新型高精度GPS測量技術。它采用多臺單頻或雙頻GPS接收機進行同步觀測，經后臺差分數據處理后得出觀測點間基線向量的高精度解算值。目前在GPS差分測量中一般是將現場觀測數據暫存于存儲介質中，測量作業完畢再將數據轉移至PC機中進行解算。部分實時系統采用了數傳電臺作為數據傳輸手段，但存在傳輸距離短、誤碼率較高等缺陷。

　　1 系統總體結構

　　如圖1所示，系統由一個監測中心和多個野外監測區域構成。每個監測區域設置一個機箱，內含一臺GPS接收機、一塊數據采集器電路板、一個GSM數據傳輸模塊以及直流電源等部分；監測中心只包含GSM模塊和用作GPS差分解算的PC機。系統工作時將GPS天線安放于監測點的位置上，各點的GPS接收機都按預先設定好的時段參數同時進行觀測，原始數據暫存于各自采集器的RAM中。觀測結束后，各監測區依次通過GSM模塊及GSM網絡將數據傳送至監測中心PC機，進行后臺差分解算，得出各監測點間基線向量的長度及高程差。若把其中一個或多個監測點設置于絕對固定的參考位置上，則每次解算后均可得到其它監測點較參考點的相對位移值，包括水平位移和垂直位移。

　　在兩個或多個觀測站同步觀測相同衛星的情況下，衛星的軌道誤差、衛星鐘差、接收機鐘差以及電離層和對流層的折射誤差等對觀測量的影響具有一定的相關性，利用這些觀測量的不同線性組合，如在衛星間求差、在接收機間求差或者在不同歷元間求差等可有效地消除或減弱相關誤差的影響，提高系統的相對定位的精度。

　　2 數據采集器

數據采集器作用是自動收集GPS接收機和其它傳感器輸出的觀測數據，經存儲、壓縮、編碼、打包后送往數據傳輸模塊，集中向監測中心發送。同時數據采集器也接收從中心發來的設置參數，并可對GPS接收機進行參數預設和操作控制。

　　采集器是一個以89C55單片機為核心的數據接收、處理和轉發系統。它包括硬件電路和控制處理軟件兩部分。硬件電路主要由89C55單片機、TL16C554高速串行口接口、8路并行光電隔離接口、64KB 片外RAM存儲器、X5045（串行E2PRAM/看門狗）電路以及一系列譯碼電路等組成。

　3 GSM數據傳輸

圖2 兩種GSM數據傳輸連接方式示意圖
　　GSM數據傳輸方式是利用現有的GSM移動通信網絡，將分布在各處的GPS觀測數據傳送至監測中心，同時也把中心發出的各種設置和控制命令傳遞到觀測點。根據傳輸方式的不同，可采用圖2所示的兩種結構。一種是GSM撥號方式，如圖2（a）所示，它是將采集的數據以數據呼叫（Data Call）的形式傳送到中心PC機，其通信過程和費用相當于兩部手機之間的一次語音通話，數據傳輸速率為9.6kbit/s。另一種是GPRS方式，如圖2（b）所示，它采用GPRS分組數據業務，為各監測點與中心之間建立起一個無線分組數據傳輸網絡，且該網絡在協議層采用TCP/ip協議，因此各采集終端無需依次排隊撥號，能邊觀測邊傳送數據。這兩種方式均可構建成一（中心）對多（采集器）的數據傳輸網。

　　GSM模塊采用SIEMENS TC35 GSM移動數據引擎。TC35相當于一部工業級的移動臺（MS）設備，支持包括數據、語音、傳真和短消息在內的所有移動臺功能，具有體積小、功耗低、接口簡單等特點。

　　TC35可直接通過RS232接口與單片機連接，支持標準AT指令集（ITU-T V.25ter）、傳真AT指令集、ETSI（European Telecommunications Standards Institute) GSM 07.07 AT 指令集、GSM 07.05 SMS AT指令集，以及SIEMENS增強AT指令集。

　　由于GSM網絡的無線數據傳輸協議中具有卷積編碼、循環糾錯、交織重排等編碼糾錯機制，因此網絡本身就具有較強的數據糾錯能力，無需用戶再專門增加校驗和糾錯措施，且不受傳輸距離限制，與數傳電臺相比方便很多。

　　4 后臺處理軟件

　　后臺處理軟件運行于監測中心PC機上，負責完成各監測點數據的接收、監測參數的設置、差分GPS基線解算、監測數據和監測結果的存儲以及位移數據的圖形顯示等工作。

　　整個處理軟件在Windows環境下，采用Visual C++6面向對象（OOP）的高級語言進行編程。開發過程中充分利用OOP環境中對象的封裝和繼承特性，建立完整的數據和文件結構，結合消息和多任務機制，實現數據傳輸、處理和顯示的實時性。

　　該軟件系統分為5個模塊：數據文件管理模塊、串行數據通信模塊、觀測參數設置模塊、GPS基線解算模塊及監測結果顯示模塊，如圖3所示。

圖3 后臺處理軟件
　　GPS差分解算模塊是軟件的核心部分。解算可生成由各觀測點基線構成的監測網圖，各觀測點的位置坐標存入觀測結果數據庫中。只要上述各項設置參數預先配置好，后續的每次觀測數據處理過程可自動進行。

　　5 監測精度

　　系統監測精度與所采用的GPS接收機類型、觀測時段長度、監測點基線長度等因素相關。例如當采用兩臺單頻接收機（Motorola VP），一部天線固定不動，另一部架設于儀器導軌上，逐次精確模擬位移變化進行10次觀測，水平位移最大絕對誤差為6mm；垂直位移最大絕對誤差為11mm。若采用2臺以上GPS組網觀測，并對數據進行同步環平差處理后，系統精度可進一步提高。

----《電信科學》