地质力学学报  2012, Vol. 18 Issue (3): 277-281, 287
引用本文
石小亚, 王占昌, 伍锦程. 北斗卫星技术在青海玉树地质灾害详查中的示范应用[J]. 地质力学学报, 2012, 18(3): 277-281, 287.
SHI Xiao-ya, WANG Zhan-chang, WU Jin-cheng. DEMONSTRATION APPLICATION OF BEIDOU SATELLITE TECHNOLOGY IN DETAILED GEOLOGICAL DISASTER INVESTIGATION IN YUSHU, QINGHAI PROVINCE[J]. Journal of Geomechanics, 2012, 18(3): 277-281, 287.
北斗卫星技术在青海玉树地质灾害详查中的示范应用
石小亚 , 王占昌 , 伍锦程     
中国地质调查局西安地质调查中心, 西安 710054
摘要:利用北斗卫星系统的定位通讯功能,结合IP卫星技术、网络技术和网格技术,构建现代化野外地质工作管理与服务体系,实现了野外地质调查人员-野外驻地-野外工作站-大区中心站-北京中心站五级互联互通,项目管理部门可随时查看野外地质调查人员的工作轨迹,获知野外工作进展,提供突发事件应急处置远程服务。该系统在青海玉树州地质灾害详查项目中示范应用效果良好。
关键词地质灾害详查    北斗卫星技术    管理与服务系统    
DEMONSTRATION APPLICATION OF BEIDOU SATELLITE TECHNOLOGY IN DETAILED GEOLOGICAL DISASTER INVESTIGATION IN YUSHU, QINGHAI PROVINCE
SHI Xiao-ya , WANG Zhan-chang , WU Jin-cheng     
Xi'an Center of Geological Survey, CGS, Xi'an 710054, China
Abstract: Based on the positioning and communication of Beidou Navigation Satelliate System, which combines IP satellite technology, network and grid technology, the modern field geological work management and service mode are established to realize the information interconnection and interflow between the investigator in-field, investigator in-residence, field station, regional center of investigator and China Geological Survey. The department of project management may inspect the work of investigator in the field, get the work progress in the field, and provide remote service of emergency disposal by internet any time. The demonstrated application revealed very well to the modern field geological work management and service mode in the project of detailed geological disaster survey in Yushu, Qinghai Province.
Key words: detailed geological disaster investigation    Beidou satellite technology    management and service system    

野外地质工作点多,踏勘线路长,且多远离城镇,地理环境复杂,气候条件异常,交通和通讯极其不便,工作和生活条件都十分恶劣;野外工作区广,一个项目组常分成若干队,2~3人一队流动分散作业,相互沟通不便,工作中地质人员遭遇到各种人身安全威胁时,如疾病、迷路失踪、野兽攻击、交通意外等,无法及时与项目驻地、项目单位取得联系,获得救援。此外,对于地质单位来讲,项目组一出野外,由于工作地偏远,交通通讯不便,无法及时获知项目进展,进行项目管理。可见进一步加强野外地质工作管理,提高野外地质工作保障服务水平,是地质管理服务工作中的一个重大研究课题。本文基于2010年启动的国家发改委高技术产业化示范工程项目“基于我国卫星的野外地质调查应用高技术产业化示范工程”和国土资源部公益性行业科研专项“基于3S技术的野外地质工作管理与服务关键技术研究与应用”,利用国产北斗卫星系统的定位通讯功能,构建现代化野外地质工作管理与服务体系,实现野外工作“态势管理”。

1 北斗卫星定位通讯系统 1.1 北斗卫星定位通讯系统原理及流程

北斗卫星定位通讯技术是中国自主研制的利用卫星信号进行定位通讯的系统,它不但有定位功能,还可以利用卫星传递短信息。

北斗卫星定位通讯系统由2颗地球静止卫星(80° E和140° E)、1颗在轨备份卫星(110.50° E)、中心控制系统、标校系统和各类用户机等组成。系统工作流程(见图 1)如下:① 由地面控制中心定时向北斗卫星Ⅰ和卫星Ⅱ发送调制有测距信号、电文帧、时间码等询问信号;② 询问信号经卫星转发器变频放大转发给用户终端;③ 用户终端接收询问信号后立即响应并向2颗卫星发出应答信号;④ 卫星将收到的用户终端的应答信号经变频放大下发给地面控制中心;⑤ 地面控制中心收到应答信号后,对于定位申请,系统测出2个时间延迟,根据地面控制中心和2颗卫星的位置,从存储在计算机内的数字化地形图查寻到用户高程值,并计算出用户所在点的三维坐标,该坐标经加密由出站信号发送给用户,定位完成;对于通讯申请,则处理后发送到地面网管中心;⑥ 地面网管中心接收到通信申请信号后,解密和再加密后发送至地面控制中心;⑦ 地面控制中心将其加入持续广播的出站电文中,经卫星广播给用户;⑧ 用户机接收出站信号,解调解密出站电文,完成一次通信[1]

图 1 北斗卫星定位通讯系统流程 Figure 1 Diagram of position and communication system of Beidou Satellite
1.2 北斗卫星定位通讯系统优势与特点

北斗卫星定位通信技术有以下优势:① 数据实时传输,系统时延小;② 覆盖范围大,通信盲区少;③ 具备独立的组网能力,不需要任何其他系统支持;④ 特别适合分布于大面积范围内的集团用户监控管理、数据采集与传输应用;⑤ 数据传输安全、可靠、稳定,保密性强,适合关键部门应用[1]

与其他无线通信网络相比,北斗通信接收机除普通型用户机外,还有一种指挥型接收机,其有以下特点:① 北斗指挥型接收机具有监控功能,可以监收其下属通信型接收机的通信数据,而无须发送任何指令;② 北斗指挥型接收机具有通播功能,可以同时发送相同的消息给其所有的下属通信型接收机,而无须一一发送[1]

由于北斗卫星系统处于不断发展中,目前卫星数量少,只具备25 m左右的定位服务精度,结合GPS,可满足野外地质使用。但随着北斗二代卫星的发展,到2012年底,服务精度可达到10 m左右,即可摆脱对美国GPS的依赖,完全可以满足野外地质使用。

2 基于北斗卫星技术的野外地质工作管理与服务系统 2.1 基于北斗卫星技术的野外地质工作管理与服务框架

基于中国北斗卫星(定位、通讯)技术,结合IP卫星技术、网络和网格技术,建立现代化野外地质工作管理与服务系统,在野外调查人员安全保障、突发事件应急处置和野外工作质量监控、检查、管理与服务等各个环节中,提供多种信息数据的采集、传输、共享、处理、反馈和决策工具,实现野外地质工作管理与服务的现代化。目前已初步形成现代化野外地质工作管理与服务技术指南、数字化野外地质工作管理与服务平台,为建立现代化野外工作管理与服务模式奠定了基础。通过在西宁、乌鲁木齐等野外工作站以及成都、沈阳、西安地质调查中心等地的示范与应用,形成了野外地质调查生产管理及突发事件应急处置远程服务网格节点体系和格架,为全国野外地质调查人员及项目管理人员提供了现代化管理与服务的新模式,全面提升了公益性地质工作综合管理能力和水平。

2.2 基于北斗卫星技术的野外地质工作管理与服务模式 2.2.1 管理模式

结合北斗卫星通讯定位技术、互联网技术、网络网格技术,构建野外地质工作管理与服务体系(见图 2),在体系中可实现分层次灵活性的动态化管理与服务。

图 2 基于北斗卫星野外地质工作管理与服务模式示意图 Figure 2 Diagram of management and service mode of field geological survey based on Beidou satellite technology

图 2所示的野外地质工作管理与服务体系中:① 中国地质调查局(北京)部署北斗中央指挥机,可随时管理所有中心指挥机、普通指挥机以及相应的终端;② 在各个大区中心部署中心指挥机,可管理下属普通指挥机和相应终端;③ 在各个野外工作站根据经费部署中心指挥机或普通指挥机,管理下设终端,虽然项目归口管理单位不同,但在野外工作区,应根据工作区划设置和管理终端,以便第一时间得到就近管理与服务;④ 项目单位可部署一台普通指挥机,以便能够随时管理下设终端所在的项目组;⑤ 野外项目组只需持北斗终端,不仅可随时获得野外工作定位信息,而且可以利用北斗卫星通讯功能,与项目单位野外项目分队等取得沟通。通过“野外地质调查人员—野外驻地—野外工作站—大区中心站—北京中心站”五级互联互通,实现分层次灵活性的动态化管理与服务。

2.2.2 服务模式

在基于北斗卫星定位通讯功能的野外地质工作管理与服务平台上,只需简单组网部署,架设天线,部署指挥机以及相关软硬件(见图 3),便可通过电脑网址访问方式,随时随地清楚定位显示每位配备北斗终端的野外地质调查人员所处的位置,以及查询一定时间段内相关运动轨迹,实现对野外地质人员的管理及应急服务。

图 3 结点组网示意图 Figure 3 Diagram of network organization

野外地质人员通过随身携带的北斗卫星终端,可实现小组之间、终端用户之间、终端与指挥机之间互发短信即时交流;项目成员之间可随时进行技术探讨,遇到紧急情况,可保证与外界的沟通,管理部门也能及时获知项目进展状况。

北斗终端所发送的每条短信、每次定位信息、航迹等都自动记录到其绑定的北斗指挥机上,可使野外驻地、野外工作站、地勘单位以及地调局通过指挥机随时了解野外地质工作进展,实现动态化管理与服务。

3 野外地质工作管理与服务系统在玉树地质灾害详查中的应用

由中国地质调查局西安地调中心承担的青海省玉树州地质灾害详细调查项目工作区位于青藏高原东南部,地跨昆仑山以南、唐古拉山以北的广大地区,平均海拔在4200 m以上,为高海拔高寒地区,气候条件恶劣,属高原大陆性季风气候,日照时间长,太阳幅射强,热量水平较高,昼夜温差较大,四季不明显,冬季漫长;冻融、风化剥蚀及人类工程活动形成的崩塌、滑坡与泥石流等地质灾害尤为突出。野外工作区内交通、通讯相对不发达,生活聚集区移动、联通手机信号弱,电信手机信号稍强,离开生活聚集区,几乎为通讯盲区。野外工作区地广人稀、野生动物多而珍稀、居民民族复杂、语言沟通不便等等均给野外工作的开展造成了诸多不便,并且地质调查人员危险性极大。

为了更好地开展工作,顺利完成2012年的玉树州野外灾害地质详查,西安地调中心专为玉树项目组配备了最新的北斗卫星终端2台,野外项目驻地普通指挥机1台,对项目组成员进行了为期3天的野外实践操作训练,制定了详细可行的操作规范。要求野外项目组驻地每日用普通指挥机向中心指挥机及2个终端发出当日工作指令,手持北斗终端的2支野外调查小分队每日到工区开展工作前向驻地普通指挥机发送位置,并报平安,每日收工时同样发送位置并报平安。野外地质调查中2个终端设置位置连续报,详细记录其每日行动轨迹,做到每日轨迹在野外管理与服务平台可查。野外分队调查时遇到专业疑难问题第一时间与另一支分队、野外驻地以及项目单位专家领导进行沟通。野外工作安全第一,遇到紧急情况,及时按下危险报,立即通知另一支分队、野外驻地以及项目单位,获得相应指导救援。项目单位的最新工作动态通知第一时间通过北斗指挥机发送至北斗终端,让千里之外的野外人员及时获悉。

经过一个月的示范应用,北斗卫星通讯定位设备运转良好,野外项目组和项目单位均对野外地质工作管理与服务平台的使用反响较好。项目单位、野外驻地能随时获知野外工作进展,查看野外工作轨迹,很好地架起了一条项目单位—项目驻地—野外项目组之间的沟通桥梁;在通讯盲区,遇到紧急情况,野外工作人员能够通过北斗卫星与其他手持北斗终端的野外人员、野外驻地、野外工作站、项目单位等取得联系,为野外地质工作架起一道安全生命保障线。基于国产北斗卫星定位通讯功能基础上构建的现代化野外地质工作管理与服务模式,可实现野外工作“态势管理”。

4 结论

基于北斗卫星技术并结合最前沿的计算机技术构建现代化野外地质工作管理与服务体系目前正处于试点探索阶段,随着北斗卫星技术的进一步发展,野外地质工作管理与服务系统将进一步优化,并在野外地质调查项目中普及应用,野外地质工作态势管理将会取代传统的野外地质工作模式,为野外地质工作提供更高效的管理和服务保障,这将是野外地质工作模式的一次根本性变革。

参考文献
[1]
朱永辉, 白征东, 过静珺, 等. 基于北斗一号的地质灾害自动监测系统[J]. 测绘通报, 2010(2): 5-7.
ZHU Yong-hui, BAI Zheng-dong, GUO Jing-jun, et al. A new wireless system for geological disasters monitoring based on Beidou Ⅰ[J]. Bulletin of Surveying and Mapping, 2010(2): 5-7.