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(dòng)態(tài)相對(duì)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(cè)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(shí)，首先需要手動(dòng)架設(shè)基準(zhǔn)站,，然后通過無線數(shù)傳電臺(tái)以數(shù)據(jù)鏈的形式在基準(zhǔn)站與流動(dòng)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(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(guó)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(duì)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(cè)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(cè)到的載波相位測(cè)量值和自身的坐標(biāo)信息一起發(fā)送給移動(dòng)站。移動(dòng)站接收GPS衛(wèi)星信號(hào)的載波相位和來自基準(zhǔn)站的載波相位測(cè)量值,，利用基準(zhǔn)站與流動(dòng)站之間觀測(cè)誤差的空間相關(guān)性,，通過差分的方式減小流動(dòng)站觀測(cè)數(shù)據(jù)中的大部分誤差，組成相位差分觀測(cè)值進(jìn)行實(shí)時(shí)處理,，解算出觀測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)^[4],。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(jí)緩存,，512 KB的二級(jí)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(chǔ)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(guó)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(hào)并輸出接收到的衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)和觀測(cè)數(shù)據(jù),，能夠滿足用戶對(duì)多系統(tǒng)多頻點(diǎn)數(shù)據(jù)處理的要求,。其熱啟動(dòng)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(duì)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(dòng)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(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(dòng)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(duì)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(duì)串口進(jìn)行設(shè)置并接收數(shù)據(jù)。

    在Linux系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)自動(dòng)讀取腳本程序,，啟動(dòng)3G網(wǎng)絡(luò)模塊,，執(zhí)行ppp撥號(hào)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(hào)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(shí)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(hào)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(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(duì)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(duì)象為GPS數(shù)據(jù)流^[3],。

    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(dòng)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(hào)和密碼到控制中心進(jìn)行用戶接入,，流動(dòng)站可以請(qǐng)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(qǐng)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^[10]：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(huì)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(cè)試結(jié)果分析

    為了測(cè)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(cè)試場(chǎng)地,。測(cè)試分為無遮擋測(cè)試和有遮擋測(cè)試兩種情況,。將終端機(jī)放置在空曠地帶工作為無遮擋測(cè)試，將在逸夫科技樓頂進(jìn)行測(cè)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(cè)試,。在室外進(jìn)行定位測(cè)量并保存最終的定位數(shù)據(jù)，然后在上位機(jī)中對(duì)定位數(shù)據(jù)精度進(jìn)行分析,。為了保證每次測(cè)試的獨(dú)立性,，測(cè)試結(jié)束后進(jìn)行關(guān)機(jī)操作，然后開機(jī)重新啟動(dòng),，再開始下一次測(cè)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(cè)到一組GPS數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻稱為歷元，大約每隔1 s可以觀測(cè)到一組GPS數(shù)據(jù),，實(shí)際測(cè)量過程中以觀測(cè)到的歷元數(shù)來表示終端機(jī)的工作時(shí)長(zhǎng),。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(huì)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(hào)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(cè)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(cè)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(cè)試結(jié)果通過表1統(tǒng)計(jì)分析,，將有遮擋的測(cè)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(dòng)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(jí)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(huì)對(duì)接收的衛(wèi)星信號(hào)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(dòng)，因此在測(cè)試的過程中有時(shí)會(huì)出現(xiàn)較大的波動(dòng),，其中最大偏差值約為2.9 cm,，波動(dòng)幅度在測(cè)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(cè)試的過程中某個(gè)歷元的定位結(jié)果中會(huì)出現(xiàn)一定的波動(dòng)，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(jí)的定位精度,，而大地測(cè)量要求位置精度也是厘米級(jí),。

5 結(jié)論

    針對(duì)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(tái)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(duì)不同環(huán)境的測(cè)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(chǎng)景下均具有較高的穩(wěn)定性,，并且能夠提供厘米級(jí)的高精度定位結(jié)果,，可以滿足大地測(cè)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,。

參考文獻(xiàn)

[1] 鄒璇,，李宗楠，唐衛(wèi)明,，等.一種適用于大規(guī)模用戶的非差網(wǎng)絡(luò)RTK服務(wù)新方法[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(信息科學(xué)版),，2015，40(9)：1242-1246.

[2] 張國(guó)利,，時(shí)小飛,，楊開偉，等.網(wǎng)絡(luò)RTK支持下的無驗(yàn)潮水深測(cè)量方法及其應(yīng)用[J].測(cè)繪通報(bào),，2016(12)：140-141.

[3] 秦長(zhǎng)才,，郭輝.基于CORS系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)在土地勘測(cè)定界中的應(yīng)用[J].測(cè)繪與空間地理信息，2015(3)：102-103.

[4] 毛琪,，潘樹國(guó),，高旺，等.RTK終端實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)檢測(cè)技術(shù)研究[J].測(cè)繪工程,，2015(3)：47-52.

[5] 張毅,，許勇.基于ARM的商用車信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2016,，42(5)：57-59.

[6] 鄒進(jìn)貴,，李勇.GNSS天線陣列接收機(jī)數(shù)據(jù)采集與解碼的實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用[J].測(cè)繪通報(bào)，2015(8)：1-3.

[7] 程行，岳銳,，金曉龍.基于ARM和3G的船舶燃料管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,，2013，39(10)：22-24.

[8] 勇婭詢,，劉維亭,，劉懷芝，等.基于ARM9和Linux的風(fēng)暴潮監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,，2015,，41(7)：30-32.

[9] 許金鋼，常計(jì)東,，劉思聰,，等.基于GPS定位的自動(dòng)引導(dǎo)小車設(shè)計(jì)[J].電子測(cè)試，2016(19)：7-8.

[10] 甘廣輝,，童蕾,，陳超敏.基于低功耗藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)的家用胎兒監(jiān)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2015,，41(8)：34-36.

作者信息:

袁正午,，何格格

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