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Chipset GNSS económico para su aplicación en la salud estructural y solución de monitoreo de deformaciones
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1 Introducción
La vigilancia de la deformación proporciona una supervisión en tiempo real de la posición, el espacio y la deformación de un objeto. La vigilancia de la deformación común incluye la vigilancia de los deslizamientos de tierra, la vigilancia de las minas, la vigilancia de carreteras y puentes, la vigilancia de las presas, la vigilancia de la construcción, etc. Se ha desarrollado durante mucho tiempo en países extranjeros. Ahora, con el continuo desarrollo de la economía y la tecnología de China, el mercado para el monitoreo de deformaciones es cada vez más grande, y la tecnología de monitoreo de deformaciones también está aumentando rápidamente [1]. Entre las muchas soluciones de monitoreo de deformación, la tecnología GNSS es la más utilizada e importante. En comparación con otros esquemas técnicos, el esquema GNSS tiene muchas ventajas. Estas son las siguientes:
① Alta precisión, en el caso de una línea de base corta, puede tener una precisión de hasta un milímetro.
② No se ve afectado por el clima, la visibilidad, etc.
③ Amplio rango de monitoreo y baja fluctuación de datos [2].
En la actualidad, China cuenta con una infraestructura y una capacidad de fabricación de primera clase, lo que significa que cada año se llevan a cabo billones de proyectos. Sólo en 2019, se completaron alrededor de 1,8 billones de yuanes de construcción de carreteras [3]. Como resultado, a menudo se necesita un gran número de equipos y programas de vigilancia de carreteras y puentes para evitar la pérdida de carreteras y puentes debido a desastres naturales, sobrecargas ilegales, etc. Los receptores GNSS convencionales de alta precisión se han utilizado ampliamente en proyectos prácticos, pero su elevado precio y consumo de energía han dado lugar a altos costos de aplicación de ingeniería.
Sin embargo, con el desarrollo de la tecnología GNSS, así como del hardware y el software del producto, han aparecido gradualmente muchas soluciones de bajo costo basadas en chips.
En el presente documento, se validará en varios aspectos la viabilidad de una solución de chips GNSS de doble frecuencia y multisistemas de bajo costo para aplicaciones de vigilancia de las deformaciones.
2 Solución asequible para el chipset GNSS
2.1 Campo de proveedores de soluciones de chips GNSS asequibles
En la actualidad, varios fabricantes ofrecen soluciones de conjuntos de chips GNSS de alta precisión en el mercado, como Ublox, Septentrio, Broadcom, etc., y varias empresas nacionales, como Unicorecomm, Allystar, MTK, Techtotop, etc. Las características de ser pequeño, de bajo costo y de tener un bajo consumo de energía han sido traídas por el uso de los conjuntos de chips, que están impulsando rápidamente el desarrollo de los receptores de GNSS.
2.2 soluciones Ublox-F9P
El receptor de bajo costo usado en este papel es el módulo de chip ZED-F9P de Ublox. El diseño basado en el chip lo convierte en un dispositivo pequeño, de bajo costo y bajo consumo, y la solución de doble banda y multisistema de bajo costo ha tenido un impacto revolucionario en los tableros tradicionales de multibanda, multisistema y alta precisión. El módulo F9P, que tiene 184 canales y soporta sistemas GPS de doble banda, GLONASS, GAL, BDS, QZSS con una precisión de posicionamiento RTK de 0,01m+1ppm, ha satisfecho las necesidades de monitorización de deformaciones.
2.3 Análisis de la arquitectura de hardware para una solución de bajo costo
La solución de bajo costo que se prueba en este documento es un receptor GNSS multisistema de banda dual de la compañía Hi-target, con módulo F9P incorporado, procesador Cortex-A5 y consumo de energía que es menos de 2,5W, con un sistema operativo Linux incorporado e interfaz web, antena aérea espiral doble incorporada y módulo de comunicación 4G. El tamaño total es de 65*65*165mm y el coste es sólo 1/4 de un receptor similar multibanda y multisistema. Es un verdadero receptor GNSS de bajo costo y baja potencia.
3. Análisis del principio del sistema
3.1 Marco de la plataforma de vigilancia
El receptor envía telegramas diferenciales internacionales en formato RTCM3.3 a través del protocolo estándar TCP Client al servidor, que es la plataforma de monitorización en tiempo real de la compañía Hi-target. El enlace de comunicación entre el receptor y el servidor es una comunicación de red 4G. 3.2 Estrategia de resolución de datos
En la actualidad, existen dos técnicas comunes basadas en el GNSS en el campo de la vigilancia de la deformación. Una es la técnica de posicionamiento relativo estático basada en el GNSS [5]. Se instala un receptor GNSS en un punto conocido y el otro en el punto de vigilancia, y simultáneamente se recogen los datos de observación para la solución de línea de base, que normalmente requiere una observación continua durante 1~3h o incluso más tiempo para obtener resultados de alta precisión. La tecnología de posicionamiento relativo estático ha sido la tecnología más importante en el campo de la vigilancia de la deformación debido a que tiene las ventajas de una alta precisión y una gran fiabilidad. La otra técnica es la tecnología de posicionamiento rápido basada en el GNSS. La más común se denomina RTK (Real-Time Kinematic), que es una tecnología de posicionamiento diferencial dinámico en tiempo real basada en observaciones de la fase portadora. Esta tecnología puede resolver las coordenadas tridimensionales de un punto de vigilancia en un sistema de coordenadas especificado en tiempo real mediante la instalación de uno de los receptores de GNSS en un punto conocido como estación de referencia y otro receptor de GNSS en el punto de vigilancia. La estación de referencia transmite entonces datos de corrección diferencial de la RTCM (Comisión Técnica de Radiocomunicaciones para Servicios Marítimos) a la estación de vigilancia en tiempo real a través de una red alámbrica o inalámbrica, y la estación de vigilancia puede converger rápidamente a una precisión de nivel centimétrico en unos pocos segundos. Debido a su rápida convergencia a la precisión en centímetros, se utiliza ampliamente para vigilar y proporcionar alertas tempranas de desastres geológicos potenciales o repentinos, como los desprendimientos de tierra y los aludes de lodo.
En los experimentos posteriores de este documento, los indicadores de rendimiento de los receptores de GNSS de bajo costo se analizarán utilizando estas dos técnicas de vigilancia.
4 Diseño y análisis de los experimentos
En los experimentos se hará una evaluación objetiva de la idoneidad de los receptores de bajo costo para la vigilancia de la deformación, y se examinarán tres aspectos: la calidad de los datos estáticos, la exactitud de la conformidad interna y el efecto real de la vigilancia.
4.1 Experimento 1: Comparación de la calidad de los datos estáticos a largo plazo
Para hacer el experimento más convincente y controlado, un receptor profesional CORS split con una antena choke 3D incorporada en la placa base BD970 de Trimble como comparador para este experimento. Este experimento introduce como referencia el esquema de mejor rendimiento en el campo de la alta precisión, y pretende que los resultados sean justos y objetivos.
Los receptores de Trimble y los receptores de bajo costo se instalaron en el mismo entorno abierto durante largos períodos para recoger observaciones estáticas en bruto con un tiempo de muestreo de 10 horas y una frecuencia de muestreo de 1s. Los datos se analizaron después utilizando herramientas pertinentes, como rtkLib. En este experimento, la calidad de los datos estáticos se evaluará examinando tres aspectos: la integridad del elemento de calendario, la capacidad de búsqueda y la relación señal-ruido (SNR). Integridad de la época: Ambos receptores funcionaron a la perfección. No se perdió ningún dato de época durante las 10 horas consecutivas de adquisición, y los datos de época intactos fueron la base de la solución.
Capacidad de búsqueda de satélites: Como se muestra en la Figura 4, el número de satélites buscados por el receptor de bajo costo osciló entre 18 y 29, y el número buscado por los receptores de Trimble osciló entre 26 y 35, con una diferencia de 6 a 8 satélites. Los resultados del experimento muestran que la capacidad de búsqueda de satélites de los receptores de bajo costo es, en efecto, más débil que la capacidad de los receptores de Trimble. Sin embargo, desde la perspectiva de la vigilancia, los 18 a 29 satélites ya satisfacen las necesidades diarias de posicionamiento y decodificación.
Análisis de la relación señal-ruido: La SNR representa principalmente la relación entre la señal de ruido y la señal portadora. Cuanto más alta es la SNR, menos ruido hay en la señal [6]. En un buen entorno, con la antena receptora funcionando bien, la SNR puede alcanzar más de 35db-HZ.
4.2 Experimento 2: Prueba de precisión
El receptor de bajo costo se instaló en un punto fijo en un entorno abierto para la prueba de precisión de conformidad interna. El dispositivo se conectó a la estación de referencia para la solución RTK en tiempo real. La longitud de la línea de base era de aproximadamente 1km y se recogieron automáticamente 1000 datos de coordenadas 3D. La tasa de muestreo fue de 1s.
Las coordenadas tridimensionales recogidas se exportaron luego a un mapa y se proyectaron en el sistema de coordenadas WGS_1984_UTM_Zone_49N (Guangzhou, provincia de Guangdong, China). Los resultados del experimento mostraron que no había desviaciones anómalas en los 1000 puntos de recolección y que las direcciones x e y estaban dentro de 1cm. La dirección vertical era muy precisa, dentro de 2cm, y funcionaba con exactitud.
4.3 Experimento 3: Validación del sistema de vigilancia y análisis de los resultados
Se instaló un receptor GNSS de bajo costo en un punto fijo para los experimentos simulados de control de deformación. El receptor utilizó su red 4G para enviar paquetes RTCM3.3 al servidor a través del protocolo TCP estándar con una frecuencia de 1s. El servidor fue equipado con la plataforma de nube de monitoreo integral desarrollada independientemente por Hi-Target para proporcionar una solución en línea en tiempo real.
El lugar de la prueba era la azotea de un edificio de 10 pisos en Guangzhou con una longitud de base de aproximadamente 1 km. Se puede ver en los resultados que la precisión del desplazamiento horizontal se mantuvo dentro de los 3mm y la precisión del desplazamiento 3D se mantuvo en alrededor de 1cm.
Para demostrar la eficacia y la precisión de la vigilancia, la estación de vigilancia se trasladó para crear deformación durante el experimento. La primera vez fue de 30 cm para el cambio repentino en el punto de vigilancia, y la segunda vez fue de 30 cm para el cambio gradual en el punto de vigilancia, 60 cm en total. Los resultados del monitoreo muestran que después de que la estación de monitoreo fue movida 60cm, la precisión del desplazamiento horizontal y la precisión 3D fueron ambas de alrededor de 1mm, con buena precisión y consistencia.
4 Conclusión
En el pasado, los ingenieros comenzaron utilizando receptores GNSS de una sola frecuencia para la vigilancia de las deformaciones y esta tecnología se desarrolló gradualmente hasta convertirse en soluciones multifrecuencia y multisistema que ahora se utilizan ampliamente. La tecnología GNSS se está volviendo cada vez más sofisticada y su rendimiento está superando gradualmente los requisitos de la vigilancia de las deformaciones. En este documento se han probado y comparado receptores de bajo costo, examinando varios aspectos diferentes. Los resultados del análisis demostraron que el receptor cumple tanto con los requisitos de precisión como de fiabilidad en el campo de la vigilancia de la deformación. Con el desarrollo de la tecnología GNSS, es evidente que el bajo costo, el bajo consumo de energía y la miniaturización se convertirán en la tendencia, y la aplicación de soluciones de bajo costo puede reducir eficazmente el costo de los proyectos y tener un gran valor comercial tanto para la ejecución de proyectos como para la promoción de programas.
Tras la realización de los experimentos anteriores, se pueden extraer las siguientes conclusiones:
Aunque los resultados encontrados muestran que existe una brecha entre los receptores de bajo costo y los receptores tradicionales de placa de alta precisión en cuanto a su capacidad de búsqueda de satélites, la intensidad de la señal, etc., es evidente que el receptor tiene mayor precisión y estabilidad en un entorno estático y abierto, lo que cumple con la norma de medición de alta precisión.
Las soluciones de chips GNSS de bajo costo han madurado, y los receptores miniaturizados de bajo costo y bajo consumo de energía se convertirán en la tendencia del futuro.
Los receptores de bajo costo pueden garantizar la precisión y la eficacia de la vigilancia en el proceso de vigilancia real, y son suficientemente buenos para ser utilizados en el campo de la vigilancia de la deformación para la vigilancia de zonas mineras, laderas, presas, edificios altos y otras zonas con un buen entorno.
Referencias
Wansheng Zhao, Wenzi Gong. Resumiendo y pronosticando la situación y el método de la observación de la deformación [J]．Dam observación y geotécnica testing．1996(03)．
Youjian Hu, Bo Liu．A resumen de los avances actuales de la vigilancia de la deformación. 2006(02)．
Jing Wang． "Gran infraestructura" como un bloque de construcción para el desarrollo [J]. Información sobre la construcción en China Technology．2019(02)．
ZED-F9P_ProductSummary_(UBX-17005151)
Wang Li. Un Estudio sobre la Tecnología Clave de Monitoreo GPS de Alta Precisión para Riesgos Geológicos[J]．Journal de Geodesia y Geoinformación Science．2005．
Ziming Yin, Mingjian Chen, Jianqiao Yan, Wei Wang, Runyang Zhou. Análisis de Correlación para GNSS Multipath y SNR．2016．
Mirando a las estrellas con los pies en la tierra Informe de Desarrollo de la Aplicación de Comunicaciones Espaciales Comerciales de China 2019 [A]．iResearch．2019．
