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#Tendenze
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Chipset GNSS economico per l'applicazione nella salute strutturale e nella soluzione di monitoraggio delle deformazioni
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1 Introduzione
Il monitoraggio della deformazione fornisce il monitoraggio in tempo reale della posizione, dello spazio e della deformazione di un oggetto. Il monitoraggio delle deformazioni comuni comprende il monitoraggio delle frane, il monitoraggio delle miniere, il monitoraggio delle strade e dei ponti, il monitoraggio delle dighe, il monitoraggio delle costruzioni, ecc. È stato sviluppato per lungo tempo in paesi stranieri. Ora, con il continuo sviluppo dell'economia e della tecnologia cinese, il mercato del monitoraggio delle deformazioni è sempre più grande, e anche la tecnologia di monitoraggio delle deformazioni è in rapido aumento [1]. Tra le molte soluzioni di monitoraggio della deformazione, la tecnologia GNSS è la più utilizzata e importante. Rispetto ad altri schemi tecnici, lo schema GNSS ha molti vantaggi. Questi sono i seguenti:
① Alta precisione, nel caso di una linea di base corta, può essere precisa fino ad un millimetro.
② Insensibile alle intemperie, alla visibilità, ecc.
③ Ampio campo di monitoraggio e bassa fluttuazione dei dati [2].
Attualmente la Cina dispone di infrastrutture e di una potenza produttiva di livello mondiale, il che significa che ogni anno vengono realizzati miliardi di progetti. Solo nel 2019 sono stati completati circa 1,8 trilioni di yuan di costruzione di strade [3]. Di conseguenza, sono spesso necessarie numerose attrezzature e programmi di monitoraggio di strade e ponti per evitare la perdita di strade e ponti a causa di disastri naturali, sovraccarichi illegali, ecc. I ricevitori GNSS convenzionali ad alta precisione sono stati ampiamente utilizzati in progetti pratici, ma il loro prezzo elevato e il loro consumo energetico hanno portato a costi elevati per le applicazioni di ingegneria.
Tuttavia, con lo sviluppo della tecnologia GNSS, così come dell'hardware e del software del prodotto, sono apparse gradualmente molte soluzioni a basso costo basate su chip.
In questo documento, la fattibilità di una soluzione chip GNSS a doppia frequenza e multi-sistema a basso costo per applicazioni di monitoraggio delle deformazioni sarà convalidata da vari aspetti.
2 Soluzione di chipset GNSS a prezzi accessibili
2.1 Campo fornitori di soluzioni di chipset GNSS a prezzi accessibili
Attualmente, diversi produttori forniscono sul mercato soluzioni di chipset GNSS ad alta precisione, come Ublox, Septentrio, Broadcom, ecc., e un certo numero di aziende nazionali, come Unicorecomm, Allystar, MTK, Techtotop, ecc. La caratteristica di essere piccoli, a basso costo e di avere un basso consumo energetico è stata determinata dall'utilizzo di chipset, che stanno rapidamente guidando lo sviluppo dei ricevitori GNSS.
2.2 soluzioni Ublox-F9P
Il ricevitore a basso costo utilizzato in questo articolo è il modulo chip ZED-F9P di Ublox. Il design basato su chip lo rende un dispositivo piccolo, a basso costo e a bassa potenza, e la soluzione a basso costo dual-band multi-sistema ha avuto un impatto rivoluzionario sulle tradizionali schede multi-banda, multi-sistema, ad alta precisione. Il modulo F9P, che ha 184 canali e supporta sistemi a doppia banda GPS, GLONASS, GAL, BDS, QZSS con una precisione di posizionamento RTK di 0,01m+1ppm, ha soddisfatto le esigenze di monitoraggio delle deformazioni.
2.3 Analisi dell'architettura hardware per una soluzione a basso costo
La soluzione a basso costo testata in questo articolo è un ricevitore GNSS multi-sistema a doppia banda della società Hi-target, con modulo F9P integrato, processore Cortex-A5 e un consumo energetico inferiore a 2,5W, con sistema operativo Linux integrato e interfaccia web, antenna pneumatica a doppia spirale integrata e modulo di comunicazione 4G. La dimensione complessiva è di 65*65*165mm e il costo è solo 1/4 di un simile ricevitore multi-banda e multi-sistema. È un vero ricevitore GNSS a basso costo e a bassa potenza.
3. Analisi dei principi del sistema
3.1 Struttura della piattaforma di monitoraggio
Il ricevitore invia telegrammi differenziali internazionali in formato RTCM3.3 tramite il protocollo standard TCP Client al server, che è la piattaforma di monitoraggio in tempo reale della società Hi-target. Il collegamento di comunicazione tra il ricevitore e il server è una comunicazione di rete 4G. 3.2 Strategia di risoluzione dei dati
Attualmente esistono due tecniche comuni basate sul GNSS nel campo del monitoraggio delle deformazioni. Una è la tecnica di posizionamento statico relativo basata sul GNSS [5]. Un ricevitore GNSS è impostato su un punto noto e l'altro sul punto di monitoraggio, ed essi raccolgono simultaneamente i loro dati di osservazione per la soluzione di base, che di solito richiede un'osservazione continua per 1~3h o anche più a lungo per ottenere risultati altamente accurati. La tecnologia di posizionamento statico relativo è stata la tecnologia più importante nel campo del monitoraggio delle deformazioni grazie ai vantaggi di alta precisione ed alta affidabilità. L'altra tecnica è la tecnologia di posizionamento rapido basata sul GNSS. La più comune è chiamata RTK (Real-Time Kinematic), che è una tecnologia di posizionamento differenziale dinamico in tempo reale basata sulle osservazioni della fase portante. Questa può risolvere le coordinate tridimensionali di un punto di monitoraggio in un sistema di coordinate specificato in tempo reale, impostando uno dei ricevitori GNSS su un punto noto come stazione di riferimento e un altro ricevitore GNSS sul punto di monitoraggio. La stazione di riferimento trasmette poi i dati di correzione differenziale RTCM (Radio Technical Commission for Maritime Services) alla stazione di monitoraggio in tempo reale attraverso una rete cablata o wireless, e la stazione di monitoraggio può rapidamente convergere a livello di precisione centimetrica in pochi secondi. Grazie alla sua rapida convergenza alla precisione centimetrica, è ampiamente utilizzata per monitorare e fornire avvisi tempestivi di potenziali o improvvisi disastri geologici, come frane e smottamenti.
Nei successivi esperimenti di questo documento, gli indicatori di performance dei ricevitori GNSS a basso costo saranno analizzati utilizzando queste due tecniche di monitoraggio.
4 Progettazione e analisi dell'esperimento
Gli esperimenti faranno una valutazione obiettiva dell'idoneità dei ricevitori a basso costo per il monitoraggio delle deformazioni e analizzeranno tre aspetti: la qualità dei dati statici, l'accuratezza della conformità interna e l'effettivo effetto di monitoraggio.
4.1 Esperimento 1: Confronto della qualità dei dati statici a lungo termine
Per rendere l'esperimento più convincente e controllato, un ricevitore professionale CORS split receiver con un'antenna a bobina 3D integrata nella scheda madre BD970 di Trimble come comparatore per questo esperimento. Questo esperimento introduce come riferimento lo schema più performante nel campo dell'alta precisione e mira a rendere i risultati equi e obiettivi.
I ricevitori Trimble e i ricevitori a basso costo sono stati installati nello stesso ambiente aperto per lunghi periodi per raccogliere osservazioni statiche grezze con un tempo di campionamento di 10 ore e una frequenza di campionamento di 1s. I dati sono stati successivamente analizzati utilizzando strumenti rilevanti, come rtkLib. In questo esperimento, la qualità dei dati statici sarà valutata esaminando tre aspetti: l'integrità dell'elemento calendario, la capacità di ricerca e il rapporto segnale-rumore (SNR). Integrità epoca: Entrambi i ricevitori si sono comportati in modo impeccabile. Non sono mancati dati epocali durante le 10 ore consecutive di acquisizione, e i dati epocali intatti sono stati la base della soluzione.
Capacità di ricerca satellitare: Come mostrato in Figura 4, il numero di satelliti cercati dal ricevitore a basso costo variava da 18 a 29, ed il numero cercato dai ricevitori Trimble variava da 26 a 35, con una differenza di 6-8 satelliti. I risultati dell'esperimento mostrano che la capacità di ricerca dei satelliti dei ricevitori a basso costo è in effetti più debole di quella dei ricevitori Trimble. Tuttavia, dal punto di vista del monitoraggio, i 18-29 satelliti soddisfano già le esigenze quotidiane di posizionamento e decodifica.
Analisi del rapporto segnale/rumore: SNR rappresenta principalmente il rapporto tra il segnale di rumore e il segnale portante. Più alto è l'SNR, meno rumore c'è nel segnale [6]. In un buon ambiente, con l'antenna ricevente che funziona bene, l'SNR può raggiungere più di 35db-HZ.
4.2 Esperimento 2: Test di precisione di precisione
Il ricevitore a basso costo è stato installato in un punto fisso in un ambiente aperto per il test di precisione interno di conformità. Il dispositivo è stato collegato alla stazione di riferimento per la soluzione RTK in tempo reale. La lunghezza della linea di base era di circa 1 km e sono stati raccolti automaticamente 1000 dati di coordinate 3D. La frequenza di campionamento era di 1s.
Le coordinate 3D raccolte sono state poi esportate in una mappa e proiettate sul sistema di coordinate WGS_1984_UTM_Zone_49N (Guangzhou, provincia del Guangdong, Cina). I risultati dell'esperimento hanno mostrato che non c'erano deviazioni anomale nei 1000 punti di raccolta e che le direzioni x e y erano entro 1cm. La direzione verticale era molto precisa, entro 2cm, e operava con precisione.
4.3 Esperimento 3: Validazione del sistema di monitoraggio e analisi dei risultati
Un ricevitore GNSS a basso costo è stato installato in un punto fisso per gli esperimenti di monitoraggio delle deformazioni simulate. Il ricevitore ha usato la sua rete 4G per inviare pacchetti RTCM3.3 al server attraverso il protocollo standard TCP con una frequenza di 1s. Il server è stato equipaggiato con la piattaforma cloud di monitoraggio globale di Hi-Target sviluppata in modo indipendente per fornire una soluzione online in tempo reale.
Il sito di prova era il tetto di un edificio di 10 piani a Guangzhou con una lunghezza di base di circa 1 km. Dai risultati si può vedere che l'accuratezza dello spostamento orizzontale è stata mantenuta entro 3 mm e l'accuratezza dello spostamento 3D è stata mantenuta a circa 1 cm.
Per dimostrare l'efficacia e l'accuratezza del monitoraggio, la stazione di monitoraggio è stata spostata per creare deformazioni durante l'esperimento. La prima volta erano 30 cm per lo spostamento improvviso del punto di monitoraggio, e la seconda volta erano 30 cm per lo spostamento graduale del punto di monitoraggio, 60 cm in totale. I risultati del monitoraggio mostrano che dopo che la stazione di monitoraggio è stata spostata di 60cm, la precisione dello spostamento orizzontale e la precisione 3D sono state entrambe di circa 1mm, con una buona precisione e coerenza.
4 Conclusione
In passato, gli ingegneri hanno iniziato ad utilizzare ricevitori GNSS a frequenza singola per il monitoraggio delle deformazioni e questa tecnologia si è poi gradualmente sviluppata in soluzioni multi-frequenza e multi-sistema che sono ora ampiamente utilizzate. La tecnologia GNSS sta diventando sempre più sofisticata e le sue prestazioni stanno gradualmente superando i requisiti del monitoraggio delle deformazioni. Questo documento ha testato e confrontato i ricevitori a basso costo, esaminando diversi aspetti. I risultati dell'analisi hanno mostrato che il ricevitore soddisfa sia i requisiti di precisione che quelli di affidabilità nel campo del monitoraggio delle deformazioni. Con lo sviluppo della tecnologia GNSS, è chiaro che il basso costo, il basso consumo energetico e la miniaturizzazione diventeranno la tendenza, e l'applicazione di soluzioni a basso costo può effettivamente ridurre il costo dei progetti ed avere un grande valore commerciale sia per la realizzazione del progetto che per la promozione del programma.
Dopo aver effettuato gli esperimenti di cui sopra, si possono trarre le seguenti conclusioni:
Anche se i risultati ottenuti mostrano che c'è un divario tra i ricevitori a basso costo e i tradizionali ricevitori a scheda ad alta precisione in termini di capacità di ricerca satellitare, potenza del segnale, ecc., è chiaro che il ricevitore ha una maggiore precisione e stabilità in un ambiente statico e aperto, che soddisfa lo standard di misura ad alta precisione.
Le soluzioni a basso costo dei chip GNSS sono maturate, e i ricevitori miniaturizzati a basso costo e a basso consumo energetico diventeranno la tendenza del futuro.
I ricevitori a basso costo possono garantire l'accuratezza e l'efficacia del monitoraggio nel processo di monitoraggio reale, e sono abbastanza buoni da essere utilizzati nel campo del monitoraggio delle deformazioni per il monitoraggio di aree minerarie, pendii, dighe, edifici alti e altre aree con un buon ambiente.
Riferimenti
Wansheng Zhao, Wenzi Gong. Riepilogo e previsione della situazione e metodo di osservazione della deformazione [J]．Dam osservazione e geotecnica testing．1996(03)．
Youjian Hu, Bo Liu．A sintesi sugli attuali progressi del monitoraggio delle deformazioni. 2006(02)．
Jing Wang． "Grande infrastruttura" come elemento portante per lo sviluppo [J]. China Construction Information Technology．2019(02)．
ZED-F9P_ProdottoSommario_(UBX-17005151)
Wang Li. A Study on Key Technology of High Precision GPS Monitoring for Geological Hazard[J]．Journal di Geodesia e Geoinformazione Science．2005．
Ziming Yin, Mingjian Chen, Jianqiao Yan, Wei Wang, Runyang Zhou. Analisi delle correlazioni per il Multipath GNSS e SNR．2016．
Guardando le stelle con i piedi per terra China Commercial Space Communications Application Development Research Report 2019 [A]．iResearch．2019．
