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#Tendances produits
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Puces GNSS économiques pour une application dans le domaine de la santé structurelle et de la surveillance des déformations
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1 Introduction
La surveillance des déformations permet de suivre en temps réel la position, l'espace et la déformation d'un objet. La surveillance des déformations courantes comprend la surveillance des glissements de terrain, la surveillance des mines, la surveillance des routes et des ponts, la surveillance des barrages, la surveillance des constructions, etc. Elle a été développée depuis longtemps dans les pays étrangers. Aujourd'hui, avec le développement continu de l'économie et de la technologie chinoises, le marché de la surveillance des déformations est de plus en plus important, et la technologie de surveillance des déformations se développe rapidement [1]. Parmi les nombreuses solutions de surveillance des déformations, la technologie GNSS est la plus largement utilisée et la plus importante. Par rapport à d'autres schémas techniques, le schéma GNSS présente de nombreux avantages. Ces avantages sont les suivants :
① Haute précision, dans le cas d'une ligne de base courte, elle peut être précise jusqu'au millimètre.
② Indépendant des conditions météorologiques, de la visibilité, etc.
③ Large gamme de surveillance et faible fluctuation des données [2].
À l'heure actuelle, la Chine dispose d'infrastructures et d'une puissance manufacturière de classe mondiale, ce qui signifie que des billions de projets sont réalisés chaque année. Rien qu'en 2019, environ 1,8 trillion de yuans de construction de routes ont été réalisés [3]. Un grand nombre d'équipements et de programmes de surveillance des routes et des ponts sont donc souvent nécessaires pour prévenir la perte de routes et de ponts due aux catastrophes naturelles, aux surcharges illégales, etc. Les récepteurs GNSS conventionnels de haute précision ont été largement utilisés dans des projets pratiques, mais leur prix élevé et leur consommation d'énergie ont entraîné des coûts élevés d'application technique.
Cependant, avec le développement de la technologie GNSS, ainsi que du matériel et des logiciels des produits, de nombreuses solutions à faible coût basées sur des puces sont progressivement apparues.
Dans ce document, la faisabilité d'une solution de puce GNSS bifréquence et multi-systèmes à faible coût pour les applications de surveillance des déformations sera validée par divers aspects.
2 Une solution abordable pour les puces GNSS
2.1 Camp de fournisseurs de solutions de puces GNSS à un prix abordable
À l'heure actuelle, plusieurs fabricants proposent des solutions de puces GNSS de haute précision sur le marché, comme Ublox, Septentrio, Broadcom, etc., et un certain nombre d'entreprises nationales, comme Unicorecomm, Allystar, MTK, Techtotop, etc. Les caractéristiques de petite taille, de faible coût et de faible consommation d'énergie ont été apportées par l'utilisation de puces électroniques, qui stimulent rapidement le développement de récepteurs GNSS.
2.2 solutions Ublox-F9P
Le récepteur à bas prix utilisé dans ce document est le module à puce ZED-F9P d'Ublox. La conception à base de puces en fait un petit appareil peu coûteux et de faible puissance, et la solution multi-système bi-bande à bas prix a eu un impact révolutionnaire sur les cartes traditionnelles multi-bandes, multi-systèmes et de haute précision. Le module F9P, qui possède 184 canaux et prend en charge les systèmes GPS, GLONASS, GAL, BDS, QZSS à double bande avec une précision de positionnement RTK de 0,01m+1ppm, a répondu aux besoins de la surveillance des déformations.
2.3 Analyse de l'architecture matérielle pour une solution à faible coût
La solution à bas prix testée dans cet article est un récepteur GNSS multi-systèmes à double bande de la société Hi-target, avec un module F9P intégré, un processeur Cortex-A5 et une consommation électrique inférieure à 2,5W, avec un système d'exploitation Linux et une interface web intégrés, une antenne aérienne double spirale intégrée et un module de communication 4G. La taille totale est de 65*65*165mm et le coût n'est que le quart de celui d'un récepteur multi-bandes et multi-systèmes similaire. Il s'agit d'un véritable récepteur GNSS à faible coût et à faible puissance.
3. Analyse des principes du système
3.1 Cadre de la plate-forme de suivi
Le récepteur envoie des télégrammes différentiels internationaux au format RTCM3.3 via le protocole TCP Client standard au serveur, qui est la plate-forme de surveillance en temps réel de la société Hi-target. Le lien de communication entre le récepteur et le serveur est un réseau de communication 4G. 3.2 Stratégie de résolution des données
Actuellement, il existe deux techniques communes basées sur le GNSS dans le domaine de la surveillance des déformations. La première est la technique de positionnement relatif statique basée sur le GNSS [5]. Un récepteur GNSS est installé sur un point connu et l'autre sur le point de surveillance, et ils collectent simultanément leurs données d'observation pour la solution de base, qui nécessite généralement une observation continue pendant 1~3h ou même plus longtemps pour obtenir des résultats très précis. La technologie de positionnement relatif statique a été la plus importante dans le domaine de la surveillance des déformations car elle présente les avantages d'une grande précision et d'une grande fiabilité. L'autre technique est la technologie de positionnement rapide basée sur le GNSS. La plus courante est appelée RTK (Real-Time Kinematic), qui est une technologie de positionnement différentiel dynamique en temps réel basée sur l'observation de la phase de la porteuse. Elle permet de résoudre en temps réel les coordonnées tridimensionnelles d'un point de surveillance dans un système de coordonnées spécifié en installant un des récepteurs GNSS sur un point connu comme station de référence et un autre récepteur GNSS sur le point de surveillance. La station de référence transmet ensuite des données de correction différentielle RTCM (Radio Technical Commission for Maritime Services) à la station de surveillance en temps réel par le biais d'un réseau câblé ou sans fil, et la station de surveillance peut rapidement converger vers une précision au centimètre près en quelques secondes. En raison de sa convergence rapide à une précision centimétrique, elle est largement utilisée pour surveiller et fournir des alertes précoces en cas de catastrophes géologiques potentielles ou soudaines, telles que les glissements de terrain et les coulées de boue.
Dans les expériences suivantes de cet article, les indicateurs de performance des récepteurs GNSS à faible coût seront analysés en utilisant ces deux techniques de surveillance.
4 Conception et analyse des expériences
Les expériences permettront d'évaluer objectivement l'adéquation des récepteurs à faible coût pour la surveillance des déformations et d'examiner trois aspects : la qualité des données statiques, la précision de la conformité interne et l'effet réel de la surveillance.
4.1 Expérience 1 : Comparaison de la qualité des données statiques à long terme
Pour rendre l'expérience plus convaincante et mieux contrôlée, un récepteur professionnel CORS split avec une antenne starter 3D intégrée dans la carte mère BD970 de Trimble a servi de comparateur pour cette expérience. Cette expérience introduit le schéma le plus performant dans le domaine de la haute précision comme référence, et vise à rendre les résultats équitables et objectifs.
Les récepteurs Trimble et les récepteurs à faible coût ont été installés dans le même environnement ouvert pendant de longues périodes pour recueillir des observations statiques brutes avec un temps d'échantillonnage de 10 heures et une fréquence d'échantillonnage de 1s. Les données ont ensuite été analysées à l'aide d'outils pertinents, tels que rtkLib. Dans cette expérience, la qualité des données statiques sera évaluée en examinant trois aspects : l'intégrité des éléments du calendrier, la capacité de recherche et le rapport signal/bruit (SNR). Intégrité des époques : Les deux récepteurs ont fonctionné sans faille. Aucune donnée d'époque n'a été manquée pendant les 10 heures consécutives d'acquisition, et les données d'époque intactes ont constitué la base de la solution.
Capacité de recherche par satellite : Comme le montre la figure 4, le nombre de satellites recherchés par le récepteur à faible coût allait de 18 à 29, et le nombre de satellites recherchés par les récepteurs Trimble allait de 26 à 35, avec une différence de 6 à 8 satellites. Les résultats de l'expérience montrent que la capacité de recherche de satellites des récepteurs à faible coût est effectivement plus faible que celle des récepteurs Trimble. Cependant, du point de vue de la surveillance, les 18 à 29 satellites répondent déjà aux besoins quotidiens de positionnement et de décodage.
Analyse du rapport signal/bruit : Le rapport signal/bruit représente principalement le rapport entre le signal de bruit et le signal de la porteuse. Plus le SNR est élevé, moins il y a de bruit dans le signal [6]. Dans un bon environnement, avec une antenne de réception performante, le rapport signal/bruit peut atteindre plus de 35db-HZ.
4.2 Expérience 2 : Test de précision
Le récepteur à bas prix a été installé à un point fixe dans un environnement ouvert pour les essais internes de précision de la conformité. L'appareil a été connecté à la station de référence pour la solution RTK en temps réel. La longueur de la ligne de référence était d'environ 1 km et 1000 données de coordonnées 3D ont été automatiquement collectées. Le taux d'échantillonnage était de 1s.
Les coordonnées 3D collectées ont ensuite été exportées dans une carte et projetées sur le système de coordonnées WGS_1984_UTM_Zone_49N (Guangzhou, province de Guangdong, Chine). Les résultats de l'expérience ont montré qu'il n'y avait pas d'écarts anormaux dans les 1000 points de collecte et que les directions x et y étaient à moins de 1 cm. La direction verticale était très précise, à moins de 2 cm près, et fonctionnait avec une grande précision.
4.3 Expérience 3 : validation du système de suivi et analyse des résultats
Un récepteur GNSS à bas prix a été installé en un point fixe pour les expériences de surveillance des déformations simulées. Le récepteur a utilisé son réseau 4G pour envoyer des paquets RTCM3.3 au serveur via le protocole TCP standard avec une fréquence de 1s. Le serveur a été équipé de la plate-forme de surveillance globale en nuage développée indépendamment par Hi-Target pour fournir une solution en ligne en temps réel.
Le site d'essai était le toit d'un bâtiment de dix étages à Guangzhou, d'une longueur de base d'environ 1 km. Les résultats montrent que la précision du déplacement horizontal a été maintenue à 3 mm près et celle du déplacement 3D à environ 1 cm près.
Pour démontrer l'efficacité et la précision de la surveillance, la station de surveillance a été déplacée afin de créer une déformation pendant l'expérience. La première fois, elle était de 30 cm pour le déplacement soudain du point de contrôle, et la deuxième fois, de 30 cm pour le déplacement progressif du point de contrôle, soit 60 cm au total. Les résultats du contrôle montrent qu'après le déplacement de 60 cm de la station de contrôle, la précision du déplacement horizontal et la précision 3D étaient toutes deux d'environ 1 mm, avec une bonne précision et une bonne cohérence.
4 Conclusion
Dans le passé, les ingénieurs ont commencé par utiliser des récepteurs GNSS à fréquence unique pour la surveillance des déformations et cette technologie s'est ensuite progressivement développée en solutions multifréquences et multi-systèmes qui sont aujourd'hui largement utilisées. La technologie GNSS est de plus en plus sophistiquée et ses performances dépassent progressivement les exigences de la surveillance des déformations. Ce document a testé et comparé des récepteurs à faible coût, en examinant plusieurs aspects différents. Les résultats de l'analyse ont montré que le récepteur répond à la fois aux exigences de précision et de fiabilité dans le domaine de la surveillance des déformations. Avec le développement de la technologie GNSS, il est clair que la tendance sera à la miniaturisation et à la faible consommation d'énergie, et l'application de solutions à faible coût peut effectivement réduire le coût des projets et avoir une grande valeur commerciale tant pour la mise en œuvre des projets que pour la promotion des programmes.
Après la réalisation des expériences ci-dessus, les conclusions suivantes peuvent être tirées :
Bien que les résultats constatent qu'il existe un écart entre les récepteurs à bas prix et les récepteurs traditionnels à bord de haute précision en termes de capacité de recherche par satellite, de puissance du signal, etc.
Les puces GNSS à faible coût sont parvenues à maturité et les récepteurs miniaturisés à faible coût et à faible consommation d'énergie seront la tendance de demain.
Les récepteurs à faible coût peuvent garantir la précision et l'efficacité de la surveillance dans le processus de contrôle réel, et sont suffisamment performants pour être utilisés dans le domaine de la surveillance des déformations pour la surveillance des zones minières, des pentes, des barrages, des grands bâtiments et d'autres zones avec un bon environnement.
Références
Wansheng Zhao, Wenzi Gong. Synthèse et prévision de la situation et de la méthode d'observation de la déformation [J]．Dam observation et géotechnique testing．1996(03)．
Youjian Hu, Bo Liu．A résumé sur les avancées actuelles de la surveillance des déformations. 2006(02)．
Jing Wang． "Les grandes infrastructures" comme élément de base du développement [J]. Information sur la construction en Chine Technology．2019(02)．
ZED-F9P_Résumé du produit_(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. Analyse de corrélation pour le GNSS Multipath et SNR．2016．
Regarder les étoiles avec les pieds sur terre Chine Commercial Space Communications Application Development Research Report 2019 [A]．iResearch．2019．
