成果介紹：地質(zhì)調(diào)查安全生產(chǎn)遠程監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用
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北斗定位衛(wèi)星雖然在覆蓋面和定位精度上暫時不如GPS，但也已經(jīng)發(fā)射16顆衛(wèi)星覆蓋亞洲地區(qū)，足以滿足國內(nèi)應(yīng)用需求，特別適用于地質(zhì)調(diào)查安全保障和搜索營救等需求。同時，使用我國自主研發(fā)的北斗衛(wèi)星，重要數(shù)據(jù)與信息的安全性能夠得到保證。僅針對地質(zhì)調(diào)查安全保障定位監(jiān)控、簡單通信來說，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的定位、短報文通信完全能夠滿足現(xiàn)實需求。
地質(zhì)調(diào)查具有工作點多線長，高度流動、分散作業(yè)的特點。當前，地質(zhì)調(diào)查領(lǐng)域不斷擴展深入到更加艱險的地區(qū)，面臨著更多的威脅和挑戰(zhàn)。進一步加強安全生產(chǎn)保障體系研究與建設(shè)，才能真正實現(xiàn)地質(zhì)調(diào)查安全生產(chǎn)的規(guī)范化、標準化、系統(tǒng)化、現(xiàn)代化，保障地質(zhì)調(diào)查工作順利開展，保障地質(zhì)調(diào)查工作人員生命財產(chǎn)安全。
1 系統(tǒng)總體設(shè)計
地質(zhì)調(diào)查安全生產(chǎn)遠程監(jiān)控系統(tǒng)是在地質(zhì)調(diào)查安全生產(chǎn)管理平臺研究（2009~ 2010年）的基礎(chǔ)上，引入我國擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的北斗系統(tǒng)和我國自主開發(fā)的電子地圖（天地圖）研發(fā)而成，具有野外作業(yè)人員、車輛、飛機、船只安全監(jiān)控，野外作業(yè)突發(fā)事件應(yīng)急處置調(diào)度指揮和地質(zhì)調(diào)查項目生產(chǎn)調(diào)度與質(zhì)量監(jiān)控功能，是野外作業(yè)突發(fā)事件應(yīng)急處置調(diào)度指揮和野外作業(yè)人員、車輛、飛機、船只安全監(jiān)控的高新技術(shù)平臺。
1.1 技術(shù)原理
野外作業(yè)人員、車輛、飛機、船舶配備專用的基于北斗、GPRS、GPS的定位通信終端，通過雙模衛(wèi)星定位技術(shù)（北斗定位為主，GPS定位為輔），獲取野外作業(yè)人員、車輛、飛機、船只精確位置信息。然后利用空間衛(wèi)星通信鏈路（北斗短報文）和地面移動基站網(wǎng)絡(luò)( GPRS)進行監(jiān)控中心與野外作業(yè)人員、車輛、飛機、船只間的定位數(shù)據(jù)、指令數(shù)據(jù)交互傳輸，基于軟件平臺實現(xiàn)地質(zhì)調(diào)查安全生產(chǎn)日常管理、地質(zhì)調(diào)查安全保障的實時監(jiān)控、應(yīng)急保障工作遠程處理和實時互動。地質(zhì)調(diào)查安全生產(chǎn)遠程監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)原理如圖1。
1.2 系統(tǒng)總體架構(gòu)
地質(zhì)調(diào)查安全生產(chǎn)遠程監(jiān)控系統(tǒng)由網(wǎng)絡(luò)中心、系統(tǒng)軟件和北斗終端設(shè)備等組成，利用國家地質(zhì)調(diào)查網(wǎng)絡(luò)體系、互聯(lián)網(wǎng)、北斗衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)和地面移動通信網(wǎng)絡(luò)，為地質(zhì)調(diào)查工作主體提供精確定位、路徑導(dǎo)航、發(fā)送緊急求救信號和自主救援服務(wù)，中國地質(zhì)調(diào)查局、項目承擔單位安全保障部門可全程、實時、動態(tài)、可視化的獲知地質(zhì)調(diào)查工作主體的位置、工作和安全狀況．并保持雙向通信渠道暢通。
1.3 系統(tǒng)運行管理
地質(zhì)調(diào)查安全生產(chǎn)遠程監(jiān)控系統(tǒng)由中國地質(zhì)調(diào)查局、項目承擔單位、野外工作站和野外工作組四級管理，確保系統(tǒng)正常運行。
中國地質(zhì)調(diào)查局：成立專職機構(gòu)，負責系統(tǒng)建設(shè)、運行維護，監(jiān)控系統(tǒng)所轄北斗終端運行狀態(tài)及數(shù)據(jù)，負責野外作業(yè)突發(fā)事件應(yīng)急處置調(diào)度指揮。
項目承擔單位：負責管理地質(zhì)調(diào)查安全生產(chǎn)遠程監(jiān)控系統(tǒng)在本單位的運行維護，監(jiān)控本單位北斗終端運行狀態(tài)及數(shù)據(jù)，負責本單位野外作業(yè)突發(fā)事件應(yīng)急處置。其中，六大區(qū)地調(diào)中心還負責轄區(qū)內(nèi)野外作業(yè)突發(fā)事件應(yīng)急處置調(diào)度指揮。
野外工作站：負責管理地質(zhì)調(diào)查安全生產(chǎn)遠程監(jiān)控系統(tǒng)在本單位的運行維護，監(jiān)控轄區(qū)內(nèi)野外北斗終端運行狀態(tài)及數(shù)據(jù)，負責轄區(qū)內(nèi)野外作業(yè)突發(fā)事件應(yīng)急處置。
野外工作組：負責項目組北斗終端設(shè)備的正常使用和維護，突發(fā)事件實行就近救援。
2技術(shù)實現(xiàn)
2.1 硬件
地質(zhì)調(diào)查安全生產(chǎn)遠程監(jiān)控系統(tǒng)硬件即為地質(zhì)調(diào)查工作主體配備的北斗定位通信終端設(shè)備，分為個人終端、車載終端、機載終端和船載終端。
2.1.1基本要求
安全生產(chǎn)遠程監(jiān)控系統(tǒng)終端硬件設(shè)備須符合《北斗一號民用設(shè)備標準》( JT/T 590 - 592 - 2004)規(guī)定的基本功能及性能指標要求。
定位上，終端設(shè)備采用北斗衛(wèi)星和GPS雙模定位技術(shù)，具備切換功能；通信上，終端設(shè)備采用北斗衛(wèi)星短報文和GPRS無線通信技術(shù)，可根據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境自動切換，設(shè)備與顯控之間采用有線或無線藍牙傳輸；應(yīng)用組合上，工作環(huán)境處于移動基站信號覆蓋區(qū)，采用北斗定位+GPRS組合或GPS+GPRS；無移動基站信號覆蓋區(qū)，采用北斗定位+北斗短報文組合或GPS+北斗短報文組合；另外還具備求救信號一鍵發(fā)送，具備文字錄入，顯示、瀏覽地圖和數(shù)據(jù)交互能力。
2.1.2個人終端
根據(jù)北斗數(shù)據(jù)采集設(shè)備市場調(diào)研分析，可供選擇的個人終端設(shè)備可分為兩類，一類是集成屏顯的手持一體機；一類是定位通信單元和顯控單元組合使用的分體機。目前成熟的手持一體機體積和重量偏大，不便于攜帶，且絕大多數(shù)僅具備北斗定位，少量具備北斗/GPS雙模定位，在通信技術(shù)方面，都是基于北斗短報文技術(shù)的單一通信方式。地質(zhì)調(diào)查安全生產(chǎn)遠程監(jiān)控系統(tǒng)個人終端的選型配備先期采用定位通信單元和顯控單元組合使用的分體機，待一體機技術(shù)發(fā)展成熟后，逐步過渡到一體機模式。
2.1.3車載終端
構(gòu)成：車載終端的安裝載體為汽車，分為車外單元和車內(nèi)單元；車外單元與車內(nèi)單元由線纜連接。車外單元具備定位、數(shù)據(jù)傳輸功能；車內(nèi)單元具備藍牙模塊、緊急求救信號發(fā)送、聲音提示，具備獨立操作系統(tǒng)，支持部署“通信定位終端軟件平臺”。
車內(nèi)單元可顯示車外單元接收到的短信或調(diào)度指令；可編輯文本，通過車外單元進行發(fā)送；可設(shè)置車外單元配置參數(shù)、顯示車外單元地理位置、周邊人車位置查詢、路徑導(dǎo)航等。
2.1.4機載終端、船載終端
機載終端安裝于航空物探遙感作業(yè)飛機，由天線、主機和控制手柄組成。具體功能及性能指標由設(shè)備制造商與用戶協(xié)商制定。
船載終端安裝于海洋地質(zhì)調(diào)查船只，由天線、主機和顯控單元組成。具體功能及性能指標由設(shè)備制造商與用戶協(xié)商制定。
2.2 北斗終端創(chuàng)新性及關(guān)鍵技術(shù)
創(chuàng)新性集成北斗定位通信、GPS定位、GPRS/3 G通信及藍牙四大功能。兼容北斗定位和GPS，并且支持北斗和GPS混合定位，使得定位功能的可用度大大提高；兼容北斗通信和GPRS通信，使得設(shè)備具備兩條通信鏈路，在有GPRS覆蓋的地區(qū)優(yōu)先使用GPRS，在GPRS盲區(qū)則自動切換到北斗衛(wèi)星通信。具有北斗定位、GPS定位、BD/GPS混合定位三種定位模式，定位精度優(yōu)于水平lOm，高程20m，測速精度優(yōu)于0. 2m/s。
高靈敏度快速捕獲和跟蹤技術(shù)解決路徑，可以提高終端捕獲和跟蹤更微弱信號的能力。采用并行相關(guān)+頻域FFT的擴頻碼快速捕獲方案，捕獲電路采用基于存儲的高速運算，極大地提高了捕獲速度和捕獲靈敏度。
多模天線采用含有開槽和附加尾狀物的微帶貼片天線形式，Bl/Ll -S -L天線的組合采用上下層疊的方式，其截面尺寸大大減小，加工難度相比螺旋天線也大幅下降，天線結(jié)構(gòu)可以滿足整機小型化的尺寸要求。
在用戶終端中，由于RNSS Bl/Ll接收電路、RDSS收發(fā)電路、GPRS電路、藍牙電路一體化設(shè)計，將各頻點低噪放電路與功放電路分別用屏蔽腔進行屏蔽，減小各頻點信號相互干擾；采用分腔設(shè)計其隔離度可達60dB以上；在發(fā)射端功放輸出加隔離器、濾波器，在各接收端低噪放輸入分別加濾波器，避免功放發(fā)射時輸出信號對Bl/Ll信號接收產(chǎn)生影響；高頻單元（RDSS收發(fā)單元和RNSS接收單元）分別分區(qū)獨立布設(shè)并加裝屏蔽罩，防止信號泄露。
3野外聯(lián)調(diào)測試
為測試地質(zhì)調(diào)查安全生產(chǎn)遠程監(jiān)控系統(tǒng)在野外不同區(qū)域及不同測試環(huán)境下的運行情況，測試小組采用全流程、實時、動態(tài)的方法，分別選取低、中、高海拔地區(qū)，戈壁沙漠、山區(qū)、雪山、高速公路，有無線信號地區(qū)等對北斗個人終端在車內(nèi)位置上報成功率、北斗終端定位及短信息功能以及北斗手持終端在不同環(huán)境下的性能進行了測試，測試行程為保定
-忻州-定邊-張掖-西寧-茶卡-格爾木-安多-拉薩-朗縣-林芝-拉薩-安多-格爾木-西寧。
3.1 山區(qū)、高速、有隧道地區(qū)
本次測試行程為保定-忻州-定邊-張掖，歷時3天。途經(jīng)山區(qū)、高速公路及有隧道地區(qū)=將北斗個人終端置于駕駛臺擋風玻璃下，北斗一體式個人終端固定在汽車頂部，終端上報頻度60s：測試北斗個人終端在車內(nèi)位置上報成功率。測試結(jié)果見表1（由于機器低電量關(guān)機導(dǎo)致表內(nèi)部分數(shù)據(jù)缺失）。
由表1可知，在山區(qū)、高速、有隧道地區(qū)，北斗個人終端一體機的上報成功率最低為67.01%，最高可達98.24%，平均約為75.7%，而個人終端分體機上報成功率明顯較一體機上報成功率低，表明北斗個人終端一體機運行較穩(wěn)定，但二者均存在速度不準的情況；北斗車載終端分體機的上報成功率最低為14. 67%，最高為71. 96%，表明車載終端運行不穩(wěn)，可能受到了外界環(huán)境干擾；北斗船載終端最為穩(wěn)定，且上報成功率最高可達88. 65%，表明船載設(shè)備在信號穩(wěn)定性、定位成功率上要高于個人、車載終端。測試表明該系統(tǒng)在高速行使的汽車內(nèi)基本可以實現(xiàn)連續(xù)定位。
3.2深山峽谷、無手機信號地區(qū)
本次測試地點為張掖某深山峽谷中，無手機信號。測試歷時1天。將北斗手持機放置背包側(cè)面；終端上報頻度60s。測試北斗終端定位及短信息功能。測試結(jié)果見表2。
本次測試表明在深山峽谷地區(qū)，該系統(tǒng)基本可以實現(xiàn)定位和短信通訊功能，但穩(wěn)定性仍有待提高。
3.3 中高海拔地區(qū)、高海拔地區(qū)、無人區(qū)
本次測試行程為張掖一西寧一格爾木一冷湖一格爾木一拉薩一格爾木，歷時16天，途徑中高海拔地區(qū)、高海拔地區(qū)、山區(qū)、可可西里無人區(qū)，并翻越五千多米的唐古拉山山口進行測試。將個人一體機終端固定車頂（保證信號最好），北斗手持終端置于駕駛臺擋風玻璃下，終端上報頻度60s。測試北斗手持終端在不同環(huán)境下的性能。選取格爾木一安多一拉薩一段的數(shù)據(jù)進行分析，測試結(jié)果見表3。
由表3可知，本次測試上報成功率低于60%的情況只出現(xiàn)了一次，北斗船載終端的上報成功率均在90%以上，表明該終端運行良好；車載終端的上報成功率也均在80%左右；個人終端分體機的運行情況要明顯好于一體機，其上報成功率均在85%以上。本次測試表明，該系統(tǒng)在中高海拔區(qū)、高海拔區(qū)及無人區(qū)運行良好，完全可以滿足在高原地區(qū)作業(yè)時的定位和信息收發(fā)的要求。
通過對地質(zhì)調(diào)查安全生產(chǎn)遠程監(jiān)控系統(tǒng)的野外聯(lián)調(diào)測試，可得到清晰的測試軌跡圖。此系統(tǒng)測試軌跡點密集，即使有個別無信號區(qū)域斷點，也可將軌跡線路連接，以推測出較準確的運行軌跡。為求軌跡精確，擬在以后的應(yīng)用中進行智能軌跡測算和模糊定位研究，力求實現(xiàn)無信號區(qū)域的精確定位。
4結(jié)束語
基于北斗核心技術(shù)的地質(zhì)調(diào)查局安全生產(chǎn)遠程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用，為地質(zhì)調(diào)查日常安全生產(chǎn)管理、野外作業(yè)突發(fā)事件應(yīng)急處置調(diào)度指揮提供了高新技術(shù)平臺。運行測試結(jié)果表明系統(tǒng)具有很高的穩(wěn)定性，可以實現(xiàn)不同自然環(huán)境下定位和短信通訊功能。地質(zhì)調(diào)查安全生產(chǎn)遠程監(jiān)控系統(tǒng)的推廣應(yīng)用，將會大大提高野外地質(zhì)調(diào)查安全保障水平和突發(fā)事件應(yīng)急處置能力，也有助于推動我國地勘行業(yè)安全保障和應(yīng)急救援的科技進步。
5摘要：
目前地質(zhì)調(diào)查工作中廣泛應(yīng)用的車輛導(dǎo)航系統(tǒng)和手持GPS雖然具備一定的便利，但無法獲取野外作業(yè)車輛、作業(yè)人員行動軌跡和位置，延誤勤保障服務(wù)的及時提供和突發(fā)事件的應(yīng)急處置。地質(zhì)調(diào)查安全生產(chǎn)遠程監(jiān)控系統(tǒng)采用北斗衛(wèi)星定位技術(shù)、Web技術(shù)、天地圖技術(shù)和無線通信技術(shù)等相關(guān)技術(shù)，構(gòu)建了對野外地質(zhì)調(diào)查人員、車輛、飛機和輪船進行統(tǒng)一監(jiān)控，定位追蹤、軌跡回放、雙向通信、緊急呼救、應(yīng)急保障和數(shù)據(jù)傳輸?shù)鹊墓δ苣K，并全流程、實時、動態(tài)地測試了系統(tǒng)在不同環(huán)境下的運行情況。結(jié)果表明：地質(zhì)調(diào)查安全生產(chǎn)遠程監(jiān)控系統(tǒng)在不同自然環(huán)境下運行都較穩(wěn)定，基本可以實現(xiàn)定位和短信通訊功能。
