基于GSM数据传输的GPS差分相对位移监测系统

章步云 王仁波

　　1.南京理工大学 南京 210009；2.东华理工学院 抚州 344000

　　GPS差分测量是近年来逐渐发展起来的一种新型高精度GPS测量技术。它采用多台单频或双频GPS接收机进行同步观测，经后台差分数据处理后得出观测点间基线向量的高精度解算值。目前在GPS差分测量中一般是将现场观测数据暂存于存储介质中，测量作业完毕再将数据转移至PC机中进行解算。部分实时系统采用了数传电台作为数据传输手段，但存在传输距离短、误码率较高等缺陷。

　　1 系统总体结构


　　如图1所示，系统由一个监测中心和多个野外监测区域构成。每个监测区域设置一个机箱，内含一台GPS接收机、一块数据采集器电路板、一个GSM数据传输模块以及直流电源等部分；监测中心只包含GSM模块和用作GPS差分解算的PC机。系统工作时将GPS天线安放于监测点的位置上，各点的GPS接收机都按预先设定好的时段参数同时进行观测，原始数据暂存于各自采集器的RAM中。观测结束后，各监测区依次通过GSM模块及GSM网络将数据传送至监测中心PC机，进行后台差分解算，得出各监测点间基线向量的长度及高程差。若把其中一个或多个监测点设置于绝对固定的参考位置上，则每次解算后均可得到其它监测点较参考点的相对位移值，包括水平位移和垂直位移。

　　在两个或多个观测站同步观测相同卫星的情况下，卫星的轨道误差、卫星钟差、接收机钟差以及电离层和对流层的折射误差等对观测量的影响具有一定的相关性，利用这些观测量的不同线性组合，如在卫星间求差、在接收机间求差或者在不同历元间求差等可有效地消除或减弱相关误差的影响，提高系统的相对定位的精度。

　　2 数据采集器

数据采集器作用是自动收集GPS接收机和其它传感器输出的观测数据，经存储、压缩、编码、打包后送往数据传输模块，集中向监测中心发送。同时数据采集器也接收从中心发来的设置参数，并可对GPS接收机进行参数预设和操作控制。

　　采集器是一个以89C55单片机为核心的数据接收、处理和转发系统。它包括硬件电路和控制处理软件两部分。硬件电路主要由89C55单片机、TL16C554高速串行口接口、8路并行光电隔离接口、64KB 片外RAM存储器、X5045（串行E2PRAM/看门狗）电路以及一系列译码电路等组成。

　3 GSM数据传输


图2 两种GSM数据传输连接方式示意图

　　GSM数据传输方式是利用现有的GSM移动通信网络，将分布在各处的GPS观测数据传送至监测中心，同时也把中心发出的各种设置和控制命令传递到观测点。根据传输方式的不同，可采用图2所示的两种结构。一种是GSM拨号方式，如图2（a）所示，它是将采集的数据以数据呼叫（Data Call）的形式传送到中心PC机，其通信过程和费用相当于两部手机之间的一次语音通话，数据传输速率为9.6kbit/s。另一种是GPRS方式，如图2（b）所示，它采用GPRS分组数据业务，为各监测点与中心之间建立起一个无线分组数据传输网络，且该网络在协议层采用TCP/IP协议，因此各采集终端无需依次排队拨号，能边观测边传送数据。这两种方式均可构建成一（中心）对多（采集器）的数据传输网。

　　GSM模块采用SIEMENS TC35 GSM移动数据引擎。TC35相当于一部工业级的移动台（MS）设备，支持包括数据、语音、传真和短消息在内的所有移动台功能，具有体积小、功耗低、接口简单等特点。

　　TC35可直接通过RS232接口与单片机连接，支持标准AT指令集（ITU-T V.25ter）、传真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增强AT指令集。

　　由于GSM网络的无线数据传输协议中具有卷积编码、循环纠错、交织重排等编码纠错机制，因此网络本身就具有较强的数据纠错能力，无需用户再专门增加校验和纠错措施，且不受传输距离限制，与数传电台相比方便很多。

　　4 后台处理软件

　　后台处理软件运行于监测中心PC机上，负责完成各监测点数据的接收、监测参数的设置、差分GPS基线解算、监测数据和监测结果的存储以及位移数据的图形显示等工作。

　　整个处理软件在Windows环境下，采用Visual C++6面向对象（OOP）的高级语言进行编程。开发过程中充分利用OOP环境中对象的封装和继承特性，建立完整的数据和文件结构，结合消息和多任务机制，实现数据传输、处理和显示的实时性。

　　该软件系统分为5个模块：数据文件管理模块、串行数据通信模块、观测参数设置模块、GPS基线解算模块及监测结果显示模块，如图3所示。



图3 后台处理软件

　　GPS差分解算模块是软件的核心部分。解算可生成由各观测点基线构成的监测网图，各观测点的位置坐标存入观测结果数据库中。只要上述各项设置参数预先配置好，后续的每次观测数据处理过程可自动进行。

　　5 监测精度

　　系统监测精度与所采用的GPS接收机类型、观测时段长度、监测点基线长度等因素相关。例如当采用两台单频接收机（Motorola VP），一部天线固定不动，另一部架设于仪器导轨上，逐次精确模拟位移变化进行10次观测，水平位移最大绝对误差为6mm；垂直位移最大绝对误差为11mm。若采用2台以上GPS组网观测，并对数据进行同步环平差处理后，系统精度可进一步提高。

----《电信科学》