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#Produkttrends
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Wirtschaftlicher GNSS-Chipsatz für den Einsatz in einer Lösung zur Überwachung von Strukturzustand und Verformung
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1 Einleitung
Die Deformationsüberwachung ermöglicht die Echtzeitüberwachung von Position, Raum und Deformation eines Objekts. Die übliche Deformationsüberwachung umfasst die Überwachung von Erdrutschen, Minen, Straßen und Brücken, Dämmen, Bauwerken usw. Sie wird seit langem im Ausland entwickelt. Jetzt, mit der kontinuierlichen Entwicklung von Chinas Wirtschaft und Technologie, wird der Markt für Deformationsüberwachung immer größer, und auch die Technologie zur Deformationsüberwachung nimmt rapide zu [1]. Unter den vielen Lösungen zur Deformationsüberwachung ist die GNSS-Technologie die am weitesten verbreitete und wichtigste. Verglichen mit anderen technischen Systemen hat das GNSS-System viele Vorteile. Diese sind die folgenden:
① Hohe Genauigkeit, im Falle einer kurzen Basislinie kann sie bis zu einem Millimeter genau sein.
② Unbeeinflusst von Wetter, Sichtweite usw.
③ Großer Überwachungsbereich und geringe Datenfluktuation [2].
Gegenwärtig verfügt China über eine Infrastruktur von Weltklasse und eine Produktionskapazität, was bedeutet, dass jedes Jahr Billionen von Projekten durchgeführt werden. Allein im Jahr 2019 wurden etwa 1,8 Billionen Yuan an Straßenbauarbeiten abgeschlossen [3]. Infolgedessen wird häufig eine große Anzahl von Straßen- und Brückenüberwachungsanlagen und -programmen benötigt, um den Verlust von Straßen und Brücken durch Naturkatastrophen, illegale Überlastung usw. zu verhindern. Konventionelle hochpräzise GNSS-Empfänger sind in praktischen Projekten weit verbreitet, aber ihr hoher Preis und Stromverbrauch haben zu hohen technischen Anwendungskosten geführt.
Mit der Entwicklung der GNSS-Technologie sowie der Produkthard- und -software sind jedoch nach und nach viele kostengünstige chipbasierte Lösungen entstanden.
In diesem Beitrag wird die Machbarkeit einer kostengünstigen Zweifrequenz-Multisystem-GNSS-Chiplösung für Deformationsüberwachungsanwendungen anhand verschiedener Aspekte validiert.
2 Erschwingliche GNSS-Chipsatz-Lösung
2.1 Lieferantenlager für erschwingliche GNSS-Chipsatz-Lösungen
Gegenwärtig bieten mehrere Hersteller hochpräzise GNSS-Chipsatz-Lösungen auf dem Markt an, wie z.B. Ublox, Septentrio, Broadcom usw., und eine Reihe inländischer Unternehmen, wie z.B. Unicorecomm, Allystar, MTK, Techtotop usw. Die Eigenschaften, klein und kostengünstig zu sein und einen geringen Stromverbrauch zu haben, wurden durch die Verwendung von Chipsätzen erreicht, die die Entwicklung von GNSS-Empfängern rasch vorantreiben.
2.2 Ublox-F9P-Lösungen
Der in dieser Arbeit verwendete kostengünstige Empfänger ist das ZED-F9P-Chipmodul von Ublox. Das chipbasierte Design macht es zu einem kleinen, kostengünstigen Gerät mit niedrigem Stromverbrauch, und die kostengünstige Dual-Band-Multisystemlösung hat einen revolutionären Einfluss auf die traditionellen hochpräzisen Multi-Band-Multisystemplatinen gehabt. Das F9P-Modul, das über 184 Kanäle verfügt und Dual-Band-GPS-, GLONASS-, GAL-, BDS-, QZSS-Systeme mit einer RTK-Positionierungsgenauigkeit von 0,01m+1ppm unterstützt, hat die Anforderungen der Deformationsüberwachung erfüllt.
2.3 Hardware-Architekturanalyse für eine kostengünstige Lösung
Die in diesem Papier getestete kostengünstige Lösung ist ein Dual-Band-Multisystem-GNSS-Empfänger der Firma Hi-target mit eingebautem F9P-Modul, Cortex-A5-Prozessor und einer Leistungsaufnahme von weniger als 2,5 W, mit eingebettetem Linux-Betriebssystem und Web-Schnittstelle, eingebauter Doppelspiral-Luftantenne und 4G-Kommunikationsmodul. Die Gesamtgröße beträgt 65*65*165mm und die Kosten betragen nur 1/4 eines ähnlichen Mehrband-Multisystemempfängers. Es handelt sich um einen wirklich kostengünstigen GNSS-Empfänger mit geringem Stromverbrauch.
3. Analyse des Systemprinzips
3.1 Rahmen der Überwachungsplattform
Der Empfänger sendet Differentialtelegramme im internationalen RTCM3.3-Format über das Standard-TCP-Client-Protokoll an den Server, der die Echtzeit-Überwachungsplattform des Hi-target-Unternehmens ist. Die Kommunikationsverbindung zwischen dem Empfänger und dem Server ist eine 4G-Netzwerkkommunikation. 3.2 Datenlösungsstrategie
Gegenwärtig gibt es zwei gängige GNSS-basierte Techniken im Bereich der Deformationsüberwachung. Die eine ist die auf GNSS basierende statische relative Positionierungstechnik [5]. Ein GNSS-Empfänger wird auf einem bekannten Punkt und der andere auf dem Überwachungspunkt aufgestellt, und sie sammeln gleichzeitig ihre Beobachtungsdaten für die Basislinienlösung, die in der Regel eine kontinuierliche Beobachtung für 1~3h oder sogar länger erfordert, um hochgenaue Ergebnisse zu erhalten. Die Technologie der statischen relativen Positionierung ist die wichtigste Technologie im Bereich der Deformationsüberwachung, da sie die Vorteile einer hohen Präzision und hohen Zuverlässigkeit bietet. Die andere Technik ist die GNSS-basierte schnelle Positionierungstechnologie. Die gebräuchlichste wird RTK (Real-Time Kinematic) genannt, eine dynamische Echtzeit-Differential-Positionierungstechnologie, die auf Beobachtungen der Trägerphase basiert. Damit können die dreidimensionalen Koordinaten eines Überwachungspunkts in einem bestimmten Koordinatensystem in Echtzeit gelöst werden, indem einer der GNSS-Empfänger auf einem bekannten Punkt als Referenzstation und ein weiterer GNSS-Empfänger auf dem Überwachungspunkt aufgestellt wird. Die Referenzstation überträgt dann die Differentialkorrekturdaten der RTCM (Radio Technical Commission for Maritime Services) in Echtzeit entweder über ein drahtgebundenes oder drahtloses Netzwerk an die Überwachungsstation, und die Überwachungsstation kann innerhalb weniger Sekunden schnell auf Zentimetergenauigkeit konvergieren. Aufgrund ihrer schnellen Konvergenz auf Zentimeter-Genauigkeit wird sie häufig zur Überwachung und Frühwarnung vor möglichen oder plötzlich auftretenden geologischen Katastrophen wie Erdrutschen und Schlammlawinen eingesetzt.
In den nachfolgenden Experimenten in dieser Arbeit werden die Leistungsindikatoren von kostengünstigen GNSS-Empfängern unter Verwendung dieser beiden Überwachungstechniken analysiert.
4 Versuchsplanung und -analyse
Die Experimente werden eine objektive Bewertung der Eignung von kostengünstigen Empfängern für die Deformationsüberwachung vornehmen und drei Aspekte unter die Lupe nehmen: statische Datenqualität, interne Compliance-Genauigkeit und den tatsächlichen Überwachungseffekt.
4.1 Experiment 1: Vergleich der Qualität von statischen Langzeitdaten
Um das Experiment überzeugender und kontrollierter zu gestalten, wurde ein professioneller CORS-Split-Empfänger mit einer 3D-Choke-Antenne als Komparator für dieses Experiment in die Hauptplatine BD970 von Trimble eingebaut. Dieses Experiment stellt das leistungsfähigste Schema im Hochpräzisionsbereich als Referenz vor und zielt darauf ab, die Ergebnisse fair und objektiv zu machen.
Trimble-Empfänger und Low-Cost-Empfänger wurden für lange Zeiträume in der gleichen offenen Umgebung aufgestellt, um rohe statische Beobachtungen mit einer Abtastzeit von 10 Stunden und einer Abtastfrequenz von 1s zu sammeln. Die Daten wurden anschließend mit relevanten Werkzeugen, wie rtkLib, analysiert. In diesem Experiment wird die Qualität der statischen Daten bewertet, indem drei Aspekte unter die Lupe genommen werden: Integrität der Kalenderelemente, Suchfähigkeit und Signal-Rausch-Verhältnis (SNR). Epochen-Integrität: Beide Empfänger funktionierten einwandfrei. In den 10 aufeinanderfolgenden Stunden der Erfassung wurden keine Epochendaten versäumt, und die intakten Epochendaten bildeten die Grundlage der Lösung.
Fähigkeit zur Satellitensuche: Wie in Abbildung 4 dargestellt, reichte die Anzahl der von dem kostengünstigen Empfänger gesuchten Satelliten von 18 bis 29 und die Anzahl der von Trimble-Empfängern gesuchten Satelliten von 26 bis 35, mit einer Differenz von 6 bis 8 Satelliten. Die Ergebnisse des Experiments zeigen, dass die Fähigkeit zur Satellitensuche von Low-Cost-Empfängern tatsächlich schwächer ist als die Fähigkeit von Trimble-Empfängern. Unter dem Gesichtspunkt der Überwachung erfüllen die 18 bis 29 Satelliten jedoch bereits den täglichen Positionierungs- und Dekodierungsbedarf.
Analyse des Signal-Rausch-Verhältnisses: Das SNR stellt hauptsächlich das Verhältnis zwischen dem Rauschsignal und dem Trägersignal dar. Je höher das SNR, desto weniger Rauschen ist im Signal vorhanden [6]. In einer guten Umgebung und bei guter Leistung der Empfangsantenne kann das SNR mehr als 35db-HZ erreichen.
4.2 Experiment 2: Präzisionsgenauigkeitstest
Der kostengünstige Empfänger wurde für die interne Konformitätsgenauigkeitsprüfung an einem festen Punkt in einer offenen Umgebung aufgestellt. Für die Echtzeit-RTK-Lösung wurde das Gerät an die Referenzstation angeschlossen. Die Basislinienlänge betrug etwa 1 km, und es wurden automatisch 1000 3D-Koordinatendaten gesammelt. Die Abtastrate betrug 1s.
Die gesammelten 3D-Koordinaten wurden dann in eine Karte exportiert und auf das Koordinatensystem WGS_1984_UTM_Zone_49N (Guangzhou, Provinz Guangdong, China) projiziert. Die Ergebnisse des Experiments zeigten, dass es keine anomalen Abweichungen in den 1000 Sammelpunkten gab und die x- und y-Richtungen innerhalb von 1 cm lagen. Die vertikale Richtung war sehr genau, innerhalb von 2 cm, und wurde mit Präzisionsgenauigkeit durchgeführt.
4.3 Experiment 3: Validierung des Überwachungssystems und Analyse der Ergebnisse
Für die simulierten Deformationsüberwachungsexperimente wurde ein kostengünstiger GNSS-Empfänger an einem festen Punkt aufgebaut. Der Empfänger benutzte sein 4G-Netz, um RTCM3.3-Pakete über das Standard-TCP-Protokoll mit einer Frequenz von 1s an den Server zu senden. Der Server wurde mit Hi-Targets unabhängig entwickelter, umfassender Monitoring-Cloud-Plattform ausgestattet, um eine Online-Echtzeitlösung bereitzustellen.
Das Testgelände war das Dach eines 10-stöckigen Gebäudes in Guangzhou mit einer Basislänge von etwa 1 km. Aus den Ergebnissen ist ersichtlich, dass die horizontale Verschiebungsgenauigkeit innerhalb von 3 mm und die 3D-Verschiebungsgenauigkeit bei etwa 1 cm gehalten werden konnte.
Um die Wirksamkeit und Genauigkeit der Überwachung zu demonstrieren, wurde die Überwachungsstation verschoben, um Verformungen während des Experiments zu erzeugen. Beim ersten Mal waren es 30 cm für die plötzliche Verschiebung des Messpunktes und beim zweiten Mal 30 cm für die allmähliche Verschiebung des Messpunktes, insgesamt 60 cm. Die Überwachungsergebnisse zeigen, dass nach einer Verschiebung der Überwachungsstation um 60 cm die horizontale Verschiebungsgenauigkeit und die 3D-Genauigkeit beide bei etwa 1 mm lagen, mit guter Genauigkeit und Konsistenz.
4 Schlussfolgerung
In der Vergangenheit setzten die Ingenieure zunächst Einfrequenz-GNSS-Empfänger zur Deformationsüberwachung ein, und diese Technologie entwickelte sich dann allmählich zu Mehrfrequenz- und Mehrsystemlösungen, die heute weit verbreitet sind. Die GNSS-Technologie wird immer ausgefeilter, und ihre Leistung übertrifft allmählich die Anforderungen der Deformationsüberwachung. In diesem Beitrag wurden kostengünstige Empfänger getestet und verglichen, wobei verschiedene Aspekte unter die Lupe genommen wurden. Die Analyseergebnisse zeigten, dass der Empfänger sowohl die Genauigkeits- als auch die Zuverlässigkeitsanforderungen im Bereich der Deformationsüberwachung erfüllt. Es ist klar, dass mit der Entwicklung der GNSS-Technologie Niedrigkosten, geringer Stromverbrauch und Miniaturisierung zum Trend werden, und die Anwendung von Niedrigkostenlösungen kann die Projektkosten effektiv senken und sowohl für die Projektimplementierung als auch für die Programmförderung einen großen kommerziellen Wert haben.
Nachdem die obigen Experimente durchgeführt wurden, können folgende Schlussfolgerungen gezogen werden:
Obwohl die gefundenen Ergebnisse eine Lücke zwischen kostengünstigen Empfängern und traditionellen hochpräzisen Bordempfängern hinsichtlich ihrer Satellitensuchfähigkeit, Signalstärke usw. aufzeigen, ist klar, dass der Empfänger in einer statischen und offenen Umgebung eine größere Genauigkeit und Stabilität aufweist, die dem hochpräzisen Messstandard entspricht.
Kostengünstige GNSS-Chiplösungen sind ausgereift, und die kostengünstigen, stromsparenden, miniaturisierten Empfänger werden in Zukunft zum Trend werden.
Kostengünstige Empfänger können die Genauigkeit und Effektivität der Überwachung im eigentlichen Überwachungsprozess garantieren und sind gut genug, um im Bereich der Deformationsüberwachung für die Überwachung von Bergbaugebieten, Hängen, Dämmen, hohen Gebäuden und anderen Gebieten mit einer guten Umgebung eingesetzt zu werden.
Literaturhinweise
Wansheng Zhao, Wenzi Gong. Zusammenfassung und Prognose für die Situation und Methode der Deformationsbeobachtung [J]．Dam Beobachtung und geotechnische testing．1996(03)．
Youjian Hu, Bo Liu．A Zusammenfassung zu den gegenwärtigen Fortschritten der Deformationsüberwachung. 2006(02)．
Jing Wang．"Große Infrastruktur" als Baustein für Entwicklung [J]. Informationen zum Bauwesen in China Technology．2019(02)．
ZED-F9P_Produkt-Zusammenfassung_(UBX-17005151)
Wang Li. A Study on Key Technology of High Precision GPS Monitoring for Geological Hazard[J]．Journal of Geodesy and Geoinformation Science．2005．
Ziming Yin, Mingjian Chen, Jianqiao Yan, Wei Wang, Runyang Zhou. Korrelationsanalyse für GNSS-Mehrwege und SNR．2016．
Mit den Füßen am Boden zu den Sternen aufblicken China Commercial Space Communications Application Development Research Report 2019 [A]．iResearch．2019．
