嵌入式網(wǎng)絡(luò)RTK/RTD接收機(jī)的設(shè)計方法

邵云漣

(淮陰師范學(xué)院 物理與電子電氣工程學(xué)院, 江蘇 淮安 223300)

嵌入式網(wǎng)絡(luò)RTK/RTD接收機(jī)的設(shè)計方法

邵云漣

(淮陰師范學(xué)院 物理與電子電氣工程學(xué)院, 江蘇 淮安 223300)

介紹了在江蘇實行精確農(nóng)業(yè)的可行性,結(jié)合江蘇省全球?qū)Ш叫l(wèi)星連續(xù)運(yùn)行參考站綜合服務(wù)系統(tǒng)(JSCORS),提出了設(shè)計嵌入式網(wǎng)絡(luò)RTK/RTD接收機(jī)的方法,并介紹了網(wǎng)絡(luò)差分接收機(jī)軟件的編程的注意點(diǎn)．

精確農(nóng)業(yè); JSCORS; 網(wǎng)絡(luò)RTK/RTD

0 引言

我國傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)講究的是精耕細(xì)作,因此在農(nóng)業(yè)方面占用了大量的勞動力,同時也解決了很多人的就業(yè)問題．但近年來隨著城鎮(zhèn)化的發(fā)展步伐加快,特別是東部沿海地區(qū)發(fā)展的更快,人口越來越向城鎮(zhèn)集中,就江蘇而言許多地方出現(xiàn)了“萬畝良頃”工程,在為精確農(nóng)業(yè)的應(yīng)用在這一地區(qū)的應(yīng)用帶來了有利的條件．所謂的精確農(nóng)業(yè)是由美國明尼蘇達(dá)大學(xué)的土壤學(xué)者倡導(dǎo)的環(huán)境保護(hù)型農(nóng)業(yè)的通稱[1],是一種將3S(GPS、GIS、RS)等技術(shù)與農(nóng)學(xué)、地理學(xué)、生態(tài)學(xué)、土壤學(xué)、植物生理學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科有機(jī)結(jié)合起來,實現(xiàn)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)全過程中對農(nóng)作物、土地、土壤從宏觀到微觀的實時監(jiān)測,并通過對農(nóng)作物生長和環(huán)境因素的分析研究,來確定經(jīng)濟(jì)、合理的投入,高效利用農(nóng)業(yè)資源,從而獲得經(jīng)濟(jì)、環(huán)境等方面最高回報的管理策略和技術(shù)體系[2]．這是最初的精確農(nóng)業(yè)的概念．隨著科技的發(fā)展,精確農(nóng)業(yè)已經(jīng)發(fā)展成為一個復(fù)雜的體系．但GPS定位技術(shù)在這個系統(tǒng)中的地位并沒有被減弱而是被加強(qiáng)了．

精確農(nóng)業(yè)需要高精度的定位,傳統(tǒng)的GPS單站定位方法無法滿足要求,那就得采用差分GPS定位,其基本原理是在一個基準(zhǔn)點(diǎn)(地理位置已知)設(shè)置一臺GPS接收機(jī),接收衛(wèi)星信號,根據(jù)解算位置與實際位置之差,確定出GPS的實時定位誤差,并將這個誤差傳送到用戶接收機(jī)．用戶根據(jù)實時誤差信息來修正量測值,可以大大提高定位精度[3]．天寶和徠卡兩個著名的GPS設(shè)備供應(yīng)商,它們能夠提供各種各樣的GPS設(shè)備, 但其價格昂貴,一般用戶無法承受．隨著CORS即連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星綜合服務(wù)系統(tǒng)的出現(xiàn),商業(yè)化的基于CORS系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)差分GPS設(shè)備已經(jīng)出現(xiàn)．同樣它的價格也不便宜．因此，國內(nèi)許多單位和學(xué)者紛紛考慮自己設(shè)計基于CORS系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)差分GPS接收機(jī),并取得了一些研究成果．但出于對研究成果的保密的目的并未對具體實現(xiàn)過程加以詳細(xì)的描述．而且他們設(shè)計所得的網(wǎng)絡(luò)差分GPS設(shè)備絕大多數(shù)都是用于測繪、車輛定位等方面,對于農(nóng)業(yè)應(yīng)用方面很少涉及．

隨著江蘇省全球?qū)Ш叫l(wèi)星連續(xù)運(yùn)行參考站綜合服務(wù)系統(tǒng)(Jiangsu Continuously Operating Reference Station,簡稱:JSCORS),在江蘇的建成,使得廉價的高精度定位成為可能．從JSCORS系統(tǒng)指標(biāo)[4]中可知網(wǎng)絡(luò)RTK水平精度≤1cm;垂直精度≤2cm,網(wǎng)絡(luò)RTD水平精度≤1m;垂直精度≤2m.因此網(wǎng)絡(luò)RTK/RTD完全滿足精確農(nóng)業(yè)定位的需求．因此想利用JSCORS提供的RTCM信號開發(fā)出一種價格比較低廉的適用于農(nóng)業(yè)方面的網(wǎng)絡(luò)差分GPS接機(jī)系統(tǒng)．

1 嵌入式網(wǎng)絡(luò)差分接收機(jī)的設(shè)計方法

根據(jù)現(xiàn)行的網(wǎng)絡(luò)RTK通訊協(xié)議NTRIP,進(jìn)行嵌入式網(wǎng)絡(luò)差分接收機(jī)的設(shè)計．現(xiàn)行Ntrip版本為2.0．NTRIP是基于HTTP/1.1的一種應(yīng)用層RTCM差分?jǐn)?shù)據(jù)傳輸協(xié)議,該協(xié)議的特點(diǎn)是非常方便用戶訪問數(shù)據(jù)中心．基于NTRIP協(xié)議的系統(tǒng)由3部分組成: NtripServers(服務(wù)器)、NtripCaster(播發(fā)端)和NtripClients(客戶端)．NtripServer將原始觀測數(shù)據(jù)傳送到NtripCaster;NtripCaster負(fù)責(zé)接收和分發(fā)差分?jǐn)?shù)據(jù);NtripClients從NtripCaster獲取相關(guān)數(shù)據(jù)源的差分?jǐn)?shù)據(jù)[5]．其結(jié)構(gòu)如圖1所示．

圖1 NTRIP協(xié)議的組成示意圖

軟件設(shè)計的主要思路是NTRIP客戶端向NTRIP播發(fā)端發(fā)送GPS單點(diǎn)定位數(shù)據(jù),NTRIP播發(fā)端接收NTRIP客戶端發(fā)送過來GPS單點(diǎn)定位數(shù)據(jù)后向NTRIP客戶端發(fā)送相關(guān)數(shù)據(jù)源的差分?jǐn)?shù)據(jù)即RTCM．NTRIP客戶端再將接收到的差分?jǐn)?shù)據(jù)發(fā)送到GPS設(shè)備．由GPS設(shè)備在內(nèi)部作差分處理后,GPS設(shè)備此時輸出的就是差分處理以后的定位信息．結(jié)合JSCORS的發(fā)展和Ntrip通訊協(xié)議的特點(diǎn)設(shè)計如圖2所示的網(wǎng)絡(luò)差分接收機(jī)系統(tǒng)．本系統(tǒng)接收機(jī)部分由嵌入式ARM開發(fā)板、GPRS Modem、 GPS OEM接收板組成．GPRS Mode和GPS OEM接收板通過串口接到ARM開發(fā)板上,由ARM開發(fā)板對它們進(jìn)行管理．

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

由于GPS OEM接收板I/O接頭為20針2mm的斜頭,其中含有2個USAT接口．但普通的PCB實驗板的孔徑都是2.5mm,所以無法將GPS OEM接收板直接連接到實驗板上,所以要制作一個根一頭插頭孔距是2mm另一頭插頭孔距是2.5mm毫米的連接線．然后就可以通過連接線將GPS OEM接收板和PCB實驗板相連,接著其它電路的連接就都可以在實驗板完成．如果直接在GPS OEM接收板進(jìn)行焊接可能會破壞它原來電路的性能;同時連接電路也可能不穩(wěn)定．要將GPS OEM接收板和ARM開發(fā)板進(jìn)行連接,還要設(shè)計一個將TTL電平轉(zhuǎn)成RS232電平的串口電路．其原理圖如3所示．

圖3 RS 232接口轉(zhuǎn)換電路

2 嵌入式網(wǎng)絡(luò)RTK/RTD接收機(jī)的軟件編程

在電腦上利用EVC4.0開發(fā)出適應(yīng)于ARM開發(fā)板的網(wǎng)絡(luò)差分?jǐn)?shù)據(jù)接收端軟件,同時在開發(fā)的過程中需要考慮讀入、輸出RTCM數(shù)據(jù)時是否需要滾動．然后將開發(fā)好的程序移植到ARM開發(fā)板上,在WinCE系統(tǒng)下通過GPRS Modem撥號連接到網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)移動終端與JSCORS的通訊．GPS OEM板通過串口與ARM開發(fā)板相連,并且使用它的默認(rèn)波特率9600bps,ARM開發(fā)板通過串口將GPS定位信息讀入,然后進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的處理．

由于NTRIP客戶端在NRTIP協(xié)議框架是為HTTP客戶端,所以它是接入NTRIP播發(fā)器主要采用HTTP命令的方式進(jìn)行[5]．其中還用有無用戶名和密碼、用無NMEA請求語句之分．由于JSCORS要求有用戶名、密碼、有NMEA請求語句,現(xiàn)將其請求語句介紹如下:

GETHTTP/1.0

User-Agent:NTRIP(LF>

Authorization: Basic

Authorization: Basic后面所跟的字符是經(jīng)過“Base64”方式編碼的用戶名和密碼．“Base64”編碼要求把3個8位字節(jié)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為4個6位的字節(jié)的數(shù)據(jù),接著再在6位的前面補(bǔ)兩個0,形成8位一個字節(jié)8位的形式．注意在進(jìn)行“Base64”翻譯密碼的時候要將用戶名與密碼中間的引號(:)一起參加譯碼．如果發(fā)送的用戶名和密碼都正確,NTRIP播發(fā)器向NTRIP客戶端發(fā)送:

ICY200 OK

在這之后NRTIP播發(fā)器發(fā)送到NTRIP客戶端的一些關(guān)于衛(wèi)星導(dǎo)航的數(shù)據(jù)．

如果輸入的是無效的“base64”密碼,NRTIP播發(fā)器就會向NTRIP客戶端發(fā)送以“Server”開頭的信息[6]．

對于JSOCRS系統(tǒng)而言,流動站用戶在請求差分改正數(shù)據(jù)時,往往需要提供其自的概略位置,NTRIP協(xié)議要求NTRIP客戶端必須以NMEA協(xié)議的 GGA的形式提供位置信息．現(xiàn)以JSCORS網(wǎng)絡(luò)中心分配給數(shù)據(jù)源掛載點(diǎn)為:dgps12為例來說明．

GET/dgps12 HTTP/1.1

Accept:rtk/rtcm,dgps/rtcm

User-Agent: NTRIP qf-ntrip/1.0.0

$GPGGA,024630.00,3208.04198,N,11841.78545,E,1,04,3.79,-2.3,M,4.9,M,,*4C

NTRIP播發(fā)器收到請求后,就會根據(jù)客戶當(dāng)前位置發(fā)送主輔站差分信息．先用空格代替掛載點(diǎn)向NTRIP播發(fā)器提出連接申請,成功以后就能得到在NTRIP播發(fā)器的資源列表[7-8]．

3 總結(jié)

本文介紹了一種GPS網(wǎng)絡(luò)差分接收機(jī)的總體設(shè)計,并在此基礎(chǔ)上成功地進(jìn)行了樣機(jī)的研制,限于篇幅,沒有對GPS網(wǎng)絡(luò)差分接收機(jī)的具體程序進(jìn)行詳細(xì)的描述．本文所設(shè)計的GPS網(wǎng)絡(luò)差分接收機(jī)具有成本低,易于實現(xiàn)的特點(diǎn),具有一定的實際應(yīng)用價值．

[1] Lu Y C.The current start of precision farming[J].Food Rev Int,1997,13(2):141-162.

[2] 汪懋華.“精細(xì)農(nóng)業(yè)”發(fā)展與工程技術(shù)創(chuàng)新[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,1999,15(1):1-8.

[3] 王廣運(yùn),郭秉義,李洪濤.差分GPS定位技術(shù)與應(yīng)用[M]. 北京:電子工業(yè)出版社,1999.

[4] 宋玉兵,丁玉平,沈飛. JSCORS的建設(shè)與最新進(jìn)展[J]. 測繪通報, 2009,10(2):4-8.

[5] RTCM Recommended Standards for Networked Transport of RTCM via Internet Protocol (Ntrip) (Version 1.0)[EB/OL].RTCM Paper 2000-2004/SC104-STD, Radio Technical Commission for Maritime Services.[2009-9-10].http://www.rtcm.org/orderinfo.php.

[6] 史峰.基于虛擬參考站技術(shù)和PDA平臺的GPS移動定位系統(tǒng)[D].上海:同濟(jì)大學(xué),2007.

[7] 關(guān)增社,裴慶,王慶.基于NTRIP協(xié)議的VRS移動終端設(shè)計[J].儀器儀表學(xué)報.2006,27(6):651-652.

[8] James C Millner, Hayden Asmussen, Jacqueline Denham, et al. Networked RTK using the Internet for Controlled Traffic Farming[M].//Controlled Traffic and Precision Agriculture Conference. Perth: University of Western Australia, 2007.

TheMethodofDesigntheNetworkRTK/RTDReceiver

SHAO Yun-lian

(School of Physics and Electronic Engineering, Huaiyin Normal University, Huaian Jiangsu 223300, Chian)

The article first introduced the feasibility of implement of the precise agriculture in Jiangsu province. With the development of JSCORS, the design method of embedded network RTK/RTD receiver is suggested. Then the article focused on the elements of a software program of the embedded network receiver.

precise agriculture; network RTK/RTD receiver; JSCORS

2013-05-22

邵云漣(1978-), 男, 江蘇漣水人, 助教, 碩士, 研究方向為機(jī)電一體化．

TN911

A

1671-6876(2013)03-0222-04

[責(zé)任編輯蔣海龍]