《電子技術(shù)應(yīng)用》
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一種高精度的GPS-RTK定位技術(shù)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
2018年電子技術(shù)應(yīng)用第6期
袁正午,何格格
重慶郵電大學(xué) 移動通信技術(shù)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶400065
摘要: 傳統(tǒng)的實(shí)時動態(tài)(Real Time Kinematic,RTK)定位技術(shù)通過數(shù)傳電臺在基準(zhǔn)站與流動站之間傳輸差分?jǐn)?shù)據(jù),這樣傳輸距離有限并且容易受到外界因素的干擾,從而影響定位精度。提出以S5PV210微處理器為核心,在Linux 嵌入式平臺下采用3G無線通信技術(shù)在流動站與CORS中心建立數(shù)據(jù)鏈,實(shí)現(xiàn)了一種實(shí)用的RTK定位技術(shù)。介紹了終端機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理,闡述了硬件模塊和軟件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法。該系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定、定位精度高、實(shí)用性強(qiáng)等特點(diǎn)。測試結(jié)果表明,該終端運(yùn)行穩(wěn)定并可以達(dá)到厘米級的定位精度。
中圖分類號: TN98
文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.174959
中文引用格式: 袁正午,何格格. 一種高精度的GPS-RTK定位技術(shù)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2018,44(6):63-67.
英文引用格式: Yuan Zhengwu,He Gege. A high precision location technology design and implementation of GPS-RTK[J]. App-
lication of Electronic Technique,2018,44(6):63-67.
A high precision location technology design and implementation of GPS-RTK
Yuan Zhengwu,He Gege
Chongqing Key Lab of Mobile Communications Technology,Chongqing University of Posts and Telecommunications, Chongqing 400065,China
Abstract: The conventional Real Time Kinematic(RTK) location technology utilizes radio modem to transmit differential data between base station and mobile station. In this case, the transmission distance is limited and the location precision can be easily affected by external factors. In this paper, a practical RTK location technology which adopts 3G wireless communication technology to establish data link between mobile station and Continusly Operating Reference Station(CORS) center is proposed. The technology is implemented in S5PV210 microprocessor and Linux embedded system. This paper introduces the system architecture and operating principle of the terminal, and elaborates the methods to implement the hardware module and software module. The system has characters of good reliability, high precision and strong practicability. Test results show that the terminal is reliable and robust with centimetre-level location precision.
Key words : Global Positioning System(GPS);Real Time Kinematic(RTK);embedded;S5PV210

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)時動態(tài)相對定位的技術(shù),由于RTK定位技術(shù)具有實(shí)時性好、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[1]

    傳統(tǒng)的RTK定位技術(shù)在作業(yè)時,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)[2]。但是,有效作業(yè)距離一般只有10 km左右,同時在作業(yè)時還容易受到樹木、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)[3]。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)時處理的兩個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)時處理,解算出觀測點(diǎn)的坐標(biāo)[4]。RTK定位技術(shù)的原理框圖如圖1所示。

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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。各個模塊的連接如圖2所示。

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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)[6],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。其熱啟動時間小于8 s, 重捕時間小于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。現(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[7]。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個數(shù)據(jù)位,無奇偶校驗(yàn)位,1個停止位。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。

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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個字段:語句標(biāo)識頭、世界時間、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“\r\n”結(jié)尾,同時數(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。

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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[3]。

    Ntrip網(wǎng)絡(luò)主要由3個部分組成: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)。

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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[10]:終端機(jī)實(shí)時向用戶發(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,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。

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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)到固定解時間分析 

    RTK終端機(jī)的定位結(jié)果達(dá)到固定解時的輸出數(shù)據(jù)才是有效的,因此達(dá)到固定解需要的時間是衡量終端機(jī)性能的一個重要指標(biāo)。最終定位結(jié)果中的第6個字段表示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間,終端機(jī)會在浮點(diǎn)解狀態(tài)持續(xù)一段時間(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)也能在較短的時間內(nèi)達(dá)到固定解,滿足實(shí)際需求。

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4.2 定位精度分析

    在定位精度測試時,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。

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    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)的采集時間約5 min(約300個歷元)。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。

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    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,由于會對接收的衛(wèi)星信號產(chǎn)生影響,部分時間出現(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。

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作者信息:

袁正午,何格格

(重慶郵電大學(xué) 移動通信技術(shù)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶400065)

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