基于CORS系統(tǒng)的高精度RTK定位技術(shù)設(shè)計(jì)詳解

0 引言

RTK定位技術(shù)是利用全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）進(jìn)行實(shí)時(shí)動態(tài)相對定位的技術(shù)，由于RTK定位技術(shù)具有實(shí)時(shí)性好、位置精度高等優(yōu)點(diǎn)，是地形測圖、施工放樣等領(lǐng)域中不可缺少的設(shè)備。

傳統(tǒng)的RTK定位技術(shù)在作業(yè)時(shí)，首先需要手動架設(shè)基準(zhǔn)站，然后通過無線數(shù)傳電臺以數(shù)據(jù)鏈的形式在基準(zhǔn)站與流動站之間傳輸差分?jǐn)?shù)據(jù)。但是，有效作業(yè)距離一般只有10 km左右，同時(shí)在作業(yè)時(shí)還容易受到樹木、建筑物的遮擋，導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定，使定位精度降低。

隨著國家信息化程度的提高及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和通信技術(shù)的飛速發(fā)展，許多城市建立了連續(xù)運(yùn)行參考站（Continusly Operating Reference Station，CORS）系統(tǒng)。本文針對傳統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸方式的不足之處，結(jié)合CORS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了一種高精度的RTK定位技術(shù)。該技術(shù)采用3G網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)建立數(shù)據(jù)傳輸鏈路，這樣數(shù)據(jù)傳輸更加穩(wěn)定可靠，傳輸距離更遠(yuǎn)，同時(shí)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備功耗低、結(jié)構(gòu)小巧，方便操作。

1 RTK定位技術(shù)的原理

RTK技術(shù)基本原理是建立在實(shí)時(shí)處理的兩個(gè)測站的載波相位基礎(chǔ)上的，首先基準(zhǔn)站通過數(shù)據(jù)鏈實(shí)時(shí)將觀測到的載波相位測量值和自身的坐標(biāo)信息一起發(fā)送給移動站。移動站接收GPS衛(wèi)星信號的載波相位和來自基準(zhǔn)站的載波相位測量值，利用基準(zhǔn)站與流動站之間觀測誤差的空間相關(guān)性，通過差分的方式減小流動站觀測數(shù)據(jù)中的大部分誤差，組成相位差分觀測值進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，解算出觀測點(diǎn)的坐標(biāo)。RTK定位技術(shù)的原理框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與功能概述

根據(jù)RTK終端系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的3個(gè)核心模塊分別是：微處理器模塊、GPS模塊、3G網(wǎng)絡(luò)模塊。電源模塊主要是為系統(tǒng)各模塊提供安全可靠的電源保障。各個(gè)模塊的連接如圖2所示。

2.1 S5PV210微處理器

本系統(tǒng)選用了三星公司推出的S5PV210應(yīng)用處理器［5］，S5PV210采用了ARM CortexTM-A8內(nèi)核，ARM V7指令集主頻可達(dá)1 GHz，具有64/32位內(nèi)部總線，32/32 KB的數(shù)據(jù)、指令一級緩存，512 KB的二級緩存，可以實(shí)現(xiàn)2 000 DMIPS（每秒2億條指令集）的高性能運(yùn)算能力。終端機(jī)使用了友善之臂公司的Tiny210核心板，其搭載了S5PV210處理器，同時(shí)具有256 MB容量的DRAM、1 GB的NAND Flash存儲芯片，其豐富的外設(shè)接口便于進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和人機(jī)之間命令交互。

2.2 GPS模塊

本系統(tǒng)的GPS模塊采用了美國天寶公司的高性能BD970板卡，它具有原始數(shù)據(jù)質(zhì)量好、定位精度高等特點(diǎn)，主要用于接收衛(wèi)星信號并輸出接收到的衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)和觀測數(shù)據(jù)，能夠滿足用戶對多系統(tǒng)多頻點(diǎn)數(shù)據(jù)處理的要求。其熱啟動時(shí)間小于8 s， 重捕時(shí)間小于0.1 s，功耗僅215 mW，結(jié)構(gòu)小巧，性能優(yōu)良，非常適合應(yīng)用在對功耗、體積要求較高的嵌入式系統(tǒng)中。

2.3 3G網(wǎng)絡(luò)模塊

數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)也稱為數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，是實(shí)現(xiàn)RTK定位技術(shù)的關(guān)鍵部分。其主要的功能是完成RTK終端機(jī)與CORS中心的數(shù)據(jù)交互?，F(xiàn)在移動互聯(lián)網(wǎng)覆蓋面積十分廣泛，本文采用華為公司的MU709網(wǎng)絡(luò)模塊，基于低功耗設(shè)計(jì)思想，睡眠模式電流僅為1 mA，且內(nèi)部整合TCP/IP協(xié)議和擴(kuò)展TCP/IP協(xié)議，用AT命令容易操作。通過在網(wǎng)絡(luò)模塊中安裝SIM卡，利用3G網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)與CORS中心的無線通信。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的功能是用3G網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的無線電傳輸技術(shù)，保證數(shù)據(jù)穩(wěn)定、遠(yuǎn)距離的傳輸，提高定位精度。本系統(tǒng)運(yùn)行于高穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性的嵌入式 Linux系統(tǒng)［8］，主要包括：主控制程序、GPS數(shù)據(jù)處理軟件設(shè)計(jì)、差分?jǐn)?shù)據(jù)處理軟件設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)交互軟件設(shè)計(jì)。

3.1 主控制程序

系統(tǒng)上電啟動后開始執(zhí)行主控制程序，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化。GPS模塊初始化主要是對串口UART0進(jìn)行初始化，即設(shè)置UART0的傳輸幀格式和波特率。根據(jù) BD970板卡硬件特性，設(shè)置UART0波特率為11 520 bit/s， 8個(gè)數(shù)據(jù)位，無奇偶校驗(yàn)位，1個(gè)停止位。如果接收到GPS數(shù)據(jù)，則進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；否者，重新對串口進(jìn)行設(shè)置并接收數(shù)據(jù)。

在Linux系統(tǒng)啟動時(shí)自動讀取腳本程序，啟動3G網(wǎng)絡(luò)模塊，執(zhí)行ppp撥號上網(wǎng)連接CROS系統(tǒng)中心服務(wù)器，此時(shí)需要驗(yàn)證用戶信息的賬號和密碼，成功后即可以建立連接，否則重新進(jìn)行下一次的連接。初始化完成后進(jìn)入下一步的差分?jǐn)?shù)據(jù)處理部分。主控制程序的流程圖如圖3所示。

3.2 GPS數(shù)據(jù)處理模塊

該模塊的目的是實(shí)現(xiàn)定位信息解析。BD970板卡按照NEMA-0813通信標(biāo)準(zhǔn)格式輸出定位信息，輸出的數(shù)據(jù)采用ASCII碼，語句的分類含有$GPGGA、$GPGSA、$GPGSV等。其中GPGGA 語句是使用最廣的數(shù)據(jù)之一，包括17個(gè)字段：語句標(biāo)識頭、世界時(shí)間、緯度、緯度半球、經(jīng)度、經(jīng)度半球等，結(jié)束標(biāo)記為回車符和換行符，分別用14個(gè)逗號進(jìn)行分隔［9］。該系統(tǒng)主要采用的是GPGGA語句，它包含了系統(tǒng)定位所需要的信息，所以，只需要讀取GPGGA語句即可。

微處理器通過串口接收BD970的原始數(shù)據(jù)，如果保存到緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)以“GPGGA”開頭并且以“ ”結(jié)尾，同時(shí)數(shù)據(jù)校驗(yàn)位正確，則可以判斷為一條完整有效的數(shù)據(jù)信息，然后進(jìn)行下一步的數(shù)據(jù)解析處理。如果不符合上述規(guī)定，判斷為一條無效的數(shù)據(jù)則丟棄，并繼續(xù)對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷。GPS數(shù)據(jù)處理流程圖如圖4所示。

3.3 差分?jǐn)?shù)據(jù)處理模塊

Ntrip（Networked Transport of RTCM via Internet Protocal）是目前CORS系統(tǒng)主要的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，可以在因特網(wǎng)上傳輸RTK數(shù)據(jù)。它是基于HTTP協(xié)議的通用協(xié)議，也是建立在網(wǎng)絡(luò)TCP/IP協(xié)議基礎(chǔ)上的協(xié)議，HTTP對象為GPS數(shù)據(jù)流。

Ntrip網(wǎng)絡(luò)主要由3個(gè)部分組成：客戶端、服務(wù)器和數(shù)據(jù)處理中心。這里的Ntrip客戶和Ntrip服務(wù)器都只相當(dāng)于HTTP連接中的客戶端，Ntrip處理中心才是響應(yīng)它們的服務(wù)處理器。在CORS網(wǎng)絡(luò)中，Ntrip客戶端是指收到RTK數(shù)據(jù)流的流動站設(shè)備，使用Ntrip處理中心分配的IP地址通過互聯(lián)網(wǎng)連接到Ntrip處理中心。差分?jǐn)?shù)據(jù)處理流程圖如圖5所示，首先用戶需要發(fā)送賬號和密碼到控制中心進(jìn)行用戶接入，流動站可以請求到差分?jǐn)?shù)據(jù)。然后從緩沖區(qū)中解析差分?jǐn)?shù)據(jù)是否為有效的數(shù)據(jù)，并判斷校驗(yàn)位是否正確。如果符合要求則將定位信息保存起來，否者，重新向CORS中心請求差分?jǐn)?shù)據(jù)。

3.4 數(shù)據(jù)交互模塊

本部分主要使用了藍(lán)牙通信技術(shù)來實(shí)現(xiàn)RTK終端機(jī)與用戶之間的數(shù)據(jù)交互：終端機(jī)實(shí)時(shí)向用戶發(fā)送最終的定位結(jié)果供用戶查閱使用，用戶也可以通過藍(lán)牙給終端機(jī)發(fā)送操作指令。

由于位板卡解算輸出定位結(jié)果的速率和藍(lán)牙的數(shù)據(jù)輸出速率是不一樣的，為了避免數(shù)據(jù)的覆蓋和丟失，設(shè)計(jì)了一個(gè)多線程模型，并結(jié)合帶鎖的循環(huán)隊(duì)列進(jìn)行數(shù)據(jù)緩存。當(dāng)有數(shù)據(jù)到來時(shí)，寫線程就在隊(duì)列尾部獲得互斥鎖并將數(shù)據(jù)寫入緩存，當(dāng)一條完整的定位數(shù)結(jié)寫完后立即釋放互斥鎖。此時(shí)讀線程會在隊(duì)列頭部獲得互斥鎖，并讀取一條完整的數(shù)據(jù)，然后通過藍(lán)牙發(fā)送出去并釋放互斥鎖。數(shù)據(jù)交互流程圖如圖6所示。

4 測試結(jié)果分析

為了測試終端機(jī)在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中的可用性和穩(wěn)定性，選取重慶郵電大學(xué)逸夫科技樓作為測試場地。測試分為無遮擋測試和有遮擋測試兩種情況。將終端機(jī)放置在空曠地帶工作為無遮擋測試，將在逸夫科技樓頂進(jìn)行測試。將終端機(jī)放置在逸夫科技樓前的大樹旁邊工作為有遮擋測試。在室外進(jìn)行定位測量并保存最終的定位數(shù)據(jù)，然后在上位機(jī)中對定位數(shù)據(jù)精度進(jìn)行分析。為了保證每次測試的獨(dú)立性，測試結(jié)束后進(jìn)行關(guān)機(jī)操作，然后開機(jī)重新啟動，再開始下一次測試。

4.1 達(dá)到固定解時(shí)間分析

RTK終端機(jī)的定位結(jié)果達(dá)到固定解時(shí)的輸出數(shù)據(jù)才是有效的，因此達(dá)到固定解需要的時(shí)間是衡量終端機(jī)性能的一個(gè)重要指標(biāo)。最終定位結(jié)果中的第6個(gè)字段表示GPS狀態(tài)，“0”表示未定位，“4”表示達(dá)到固定解，“5”表示達(dá)到浮點(diǎn)解。

終端機(jī)觀測到一組GPS數(shù)據(jù)對應(yīng)的時(shí)刻稱為歷元，大約每隔1 s可以觀測到一組GPS數(shù)據(jù)，實(shí)際測量過程中以觀測到的歷元數(shù)來表示終端機(jī)的工作時(shí)長。圖7表示在沒有遮擋的情況下達(dá)到固定解所需要的時(shí)間，終端機(jī)可以快速由浮點(diǎn)解狀態(tài)達(dá)到固定解狀態(tài)輸出有效數(shù)據(jù)，并一直是固定解狀態(tài)。圖8表示有遮擋的情況下達(dá)到固定解所需要的時(shí)間，終端機(jī)會在浮點(diǎn)解狀態(tài)持續(xù)一段時(shí)間（10 s左右），然后達(dá)到固定解狀態(tài)輸出有效數(shù)據(jù)，并一直是固定解狀態(tài)。結(jié)果表明在衛(wèi)星信號和數(shù)據(jù)傳輸鏈有遮擋情況下，終端機(jī)也能在較短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到固定解，滿足實(shí)際需求。

4.2 定位精度分析

在定位精度測試時(shí)，需要分析接收機(jī)達(dá)到固定解后輸出的定位數(shù)據(jù)。將每組數(shù)據(jù)所有固定解的平均值作為位置的理論值，然后分別計(jì)算了每組數(shù)據(jù)的定位結(jié)果與理論值的偏差值和最大偏差值，將該數(shù)據(jù)用MATLAB分析后，得到如圖9和圖10所示的結(jié)果。

在不同的環(huán)境中分別測試了3組數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)的采集時(shí)間約5 min（約300個(gè)歷元）。將無遮擋的測試結(jié)果通過表1統(tǒng)計(jì)分析，將有遮擋的測試結(jié)果通過表2統(tǒng)計(jì)分析。

通過分析表1和表2中的偏差均值可以看出在兩種情況下的整體定位結(jié)果比較穩(wěn)定，誤差十分接近，均在1 cm以內(nèi)，在允許的誤差范圍內(nèi)。

通過分析表1中的最大偏差值可知，在沒有遮擋時(shí)出現(xiàn)的波動較小，定位精度較高，其中最大偏差值約為2 cm，但大部分歷元的誤差都為厘米級水平，在允許的誤差范圍內(nèi)。通過分析表2中的最大偏差值可知，在有遮擋時(shí)，由于會對接收的衛(wèi)星信號產(chǎn)生影響，部分時(shí)間出現(xiàn)差分?jǐn)?shù)據(jù)傳輸受到影響，導(dǎo)致定位誤差出現(xiàn)一定的波動，因此在測試的過程中有時(shí)會出現(xiàn)較大的波動，其中最大偏差值約為2.9 cm，波動幅度在測試精度允許范圍以內(nèi)。

總體而言，無論是沒有遮擋的環(huán)境還是有遮擋的環(huán)境，在測試的過程中某個(gè)歷元的定位結(jié)果中會出現(xiàn)一定的波動，但是整體的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于BD970板卡的RTK定位系統(tǒng)可以達(dá)到厘米級的定位精度，而大地測量要求位置精度也是厘米級。

5 結(jié)論

針對無線電傳輸差分?jǐn)?shù)據(jù)時(shí)容易受到地理環(huán)境、有效距離、氣象等因素影響的問題，本文基于Linux嵌入式平臺實(shí)現(xiàn)了一種實(shí)用的RTK技術(shù)，將GPS定位技術(shù)與3G無線通信技術(shù)相結(jié)合開發(fā)完成了RTK終端機(jī)系統(tǒng)，增強(qiáng)了差分?jǐn)?shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院头€(wěn)定性，提高了定位精度。利用藍(lán)牙通信技術(shù)提供了良好的用戶體驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了可視化功能。采用高性能嵌入式技術(shù)實(shí)現(xiàn)了小型化、集成化，提高了系統(tǒng)的智能化程度，方便操作。通過對不同環(huán)境的測試分析，結(jié)果表明本文實(shí)現(xiàn)的RTK定位系統(tǒng)是可行的，在沒有遮擋和有遮擋的應(yīng)用場景下均具有較高的穩(wěn)定性，并且能夠提供厘米級的高精度定位結(jié)果，可以滿足大地測量等實(shí)際應(yīng)用的需要。該設(shè)備體積較小、功耗低，便于安裝在小型無人機(jī)等載體上進(jìn)行定位導(dǎo)航，具有廣泛的應(yīng)用前景。