智能RTK GNSS接收機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)研究

林 超

（廣州中海達(dá)測(cè)繪儀器有限公司，廣東 廣州 511400）

GPS－RTK測(cè)量技術(shù)是建立在載波相位觀(guān)測(cè)值基礎(chǔ)上的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位系統(tǒng)。在RTK作業(yè)模式下，基準(zhǔn)站通過(guò)數(shù)據(jù)鏈將其觀(guān)測(cè)值和測(cè)站坐標(biāo)信息一起傳送給流動(dòng)站。流動(dòng)站不僅通過(guò)數(shù)據(jù)鏈接收來(lái)自基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)，還要采集GPS觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)，并在系統(tǒng)內(nèi)組成差分觀(guān)測(cè)值進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，同時(shí)給出厘米級(jí)定位結(jié)果，歷時(shí)不足1s。這一技術(shù)在越來(lái)越多的測(cè)繪工作中得到應(yīng)用，它的快捷高效顯示了其他測(cè)繪儀器和測(cè)繪方法所不能比擬的優(yōu)勢(shì)。

1 傳統(tǒng)GPS－RTK數(shù)據(jù)鏈作業(yè)模式優(yōu)缺點(diǎn)

目前國(guó)內(nèi)各大測(cè)繪儀器廠(chǎng)商公司生產(chǎn)的GPS接收機(jī)主要使用電臺(tái)和GSM通信兩種數(shù)據(jù)鏈模式［1－2］。

1.1 電臺(tái)數(shù)據(jù)鏈傳輸

數(shù)據(jù)鏈電臺(tái)信號(hào)在傳輸過(guò)程中易受外界環(huán)境影響，如高大山體、建筑物和各種高頻信號(hào)源的干擾，在傳輸過(guò)程中衰減嚴(yán)重，嚴(yán)重影響外業(yè)精度和作業(yè)半徑。另外，當(dāng)RTK作業(yè)半徑超過(guò)一定距離時(shí)，測(cè)量結(jié)果誤差超限，所以RTK的實(shí)際作業(yè)有效半徑比其標(biāo)稱(chēng)半徑要小，工程實(shí)踐和專(zhuān)門(mén)研究都證明了這一點(diǎn)。

1.2 GSM數(shù)據(jù)鏈傳輸

GSM體制采用時(shí)分多址技術(shù)，存在以下缺陷：①系統(tǒng)容量有限，GSM系統(tǒng)的頻譜效率約是模擬系統(tǒng)的3倍，但不能從根本上解決目前用戶(hù)數(shù)量劇增與頻率資源有限之間的矛盾；②編碼質(zhì)量不夠高，GSM系統(tǒng)的編碼速度為13kb/s（即使是實(shí)現(xiàn)了半速率6.5kb/s），這種質(zhì)量很難達(dá)到有線(xiàn)電話(huà)的質(zhì)量水平；③終端接入速率有限，最高僅為9.f kb/s；④切換功能較差，影響服務(wù)質(zhì)量；⑤漫游能力有限，不能實(shí)現(xiàn)真正的國(guó)際漫游［3－4］。

2 智能GPS－RTK GNSS接收機(jī)

智能型RTK GNSS接收機(jī)采用內(nèi)置LINUX操作系統(tǒng)，兼容3G網(wǎng)絡(luò)傳輸功能，支持3個(gè)無(wú)線(xiàn)接口標(biāo)準(zhǔn)：中國(guó)聯(lián)通的WCDMA，中國(guó)移動(dòng)的TD－SCDMA，中國(guó)電信的CDMA2000。

2.1 嵌入式linux操作系統(tǒng)

嵌入式linux是將日益流行的Linux操作系統(tǒng)進(jìn)行裁剪修改，使之能在嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上運(yùn)行的一種操作系統(tǒng)。嵌入式linux既繼承了Internet上無(wú)限的開(kāi)放源代碼資源，又具有嵌入式操作系統(tǒng)的特性。同時(shí)，Linux內(nèi)核的結(jié)構(gòu)在網(wǎng)絡(luò)方面是非常完整的，Linux對(duì)網(wǎng)絡(luò)中最常用的TCP/IP協(xié)議有最完備的支持。提供了包括十兆、百兆、千兆的以太網(wǎng)絡(luò)，以及無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，Toker ring（令牌環(huán)網(wǎng)）、光纖甚至衛(wèi)星的支持。所以L(fǎng)inux很適于做信息電路的開(kāi)發(fā)

2.2 CDMA 3G網(wǎng)絡(luò)制式

CDMA是碼分多址無(wú)線(xiàn)接入系統(tǒng)，允許所有的使用者同時(shí)使用全部頻帶（1.228 8MHz），通過(guò)加密的方式來(lái)區(qū)分不同的用戶(hù)信號(hào)，并且把其他使用者發(fā)出的訊號(hào)視為雜訊，完全不必考慮訊號(hào)碰撞的問(wèn)題。由于是通過(guò)加密來(lái)區(qū)分這一傳輸特性，所以，CDMA網(wǎng)絡(luò)比GSM網(wǎng)絡(luò)的保密性要好很多。3G無(wú)線(xiàn)寬帶技術(shù)還具有4個(gè)明顯優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)：①信號(hào)覆蓋廣泛；②無(wú)可替代的靈活性；③公網(wǎng)替代專(zhuān)網(wǎng)，大幅降低建網(wǎng)成本；④多網(wǎng)融合的多媒體調(diào)度。

2.3 作業(yè)模式的顛覆性變革

智能型RTK GNSS接收機(jī)不僅僅是一款產(chǎn)品，更是一種技術(shù)，它顛覆性地變革了傳統(tǒng)RTK作業(yè)、服務(wù)模式，使得RTK作業(yè)進(jìn)入了智能時(shí)代。智能型RTK GNSS接收機(jī)采用當(dāng)前最成熟的3G技術(shù)，配合Linux系統(tǒng)強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能，不僅可以高效傳輸差分?jǐn)?shù)據(jù)，還可以完成遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集、圖形顯示、數(shù)據(jù)下載上傳等功能，如圖1所示。

圖1 智能型RTK GNSS接收機(jī)作業(yè)模式

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 GNSS接收天線(xiàn)與GNSS高精度定位模塊一體化技術(shù)

GNSS接收機(jī)的其中一個(gè)難點(diǎn)就在于GNSS接收天線(xiàn)與GNSS定位模塊安裝位置非常接近，而GNSS定位模塊中的同頻射頻輻射信號(hào)在GNSS天線(xiàn)接近到一定距離時(shí)，這種輻射已經(jīng)可以導(dǎo)致GNSS天線(xiàn)的有用信號(hào)被噪聲淹沒(méi)，這樣GNSS接收機(jī)就無(wú)法定位或者接收能力下降。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究，采用定位模塊與GNSS接收天線(xiàn)一體化機(jī)內(nèi)安裝結(jié)構(gòu)，結(jié)合對(duì)定位模塊進(jìn)行金屬腔體屏蔽保護(hù)，GNSS信號(hào)無(wú)饋線(xiàn)傳輸匹配等方式，可以有效地解決上述技術(shù)難題，創(chuàng)造了一種新的天線(xiàn)集成方式，使得高精度GNSS接收機(jī)一體化、小型化成為可能。

另外，GNSS接收天線(xiàn)與GNSS高精度定位模塊一體化研究同時(shí)解決了GNSS信號(hào)在無(wú)饋線(xiàn)傳輸安裝方式下的信號(hào)阻抗匹配等難題。

3.2 毫米級(jí)實(shí)時(shí)高精度單頻定位技術(shù)的應(yīng)用研究

GPS衛(wèi)星廣播星歷是用GPS系統(tǒng)跟蹤站的偽距觀(guān)測(cè)值定軌外推得出的，其精度比較差，為10～25m。隨著GNSS數(shù)據(jù)處理工作不斷改進(jìn)，利用全球站數(shù)據(jù)確定GPS衛(wèi)星軌道的理論和方法日趨完善。GNSS數(shù)據(jù)處理中心用全球幾十個(gè)到上百個(gè)站的一天或多天的數(shù)據(jù)定軌，精度可達(dá)10mm。智能型RTK GNSS接收機(jī)實(shí)現(xiàn)了根據(jù)GNSS衛(wèi)星系統(tǒng)精密衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)，結(jié)合設(shè)備接收的帶有誤差的定位衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行解算處理，接收機(jī)可以得到單點(diǎn)單頻定位毫米級(jí)精度［5］。

3.3 后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)操作，監(jiān)控作業(yè)模式，提供強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)智能服務(wù)

智能型RTK GNSS接收機(jī)由于使用了無(wú)界限的3G網(wǎng)絡(luò)通訊和嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)SQlite技術(shù)，使得測(cè)量作業(yè)距離不再受限，遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)處理中心的技術(shù)人員及時(shí)通過(guò)3G網(wǎng)絡(luò)下載數(shù)據(jù)，利用桌面后處理軟件進(jìn)行結(jié)算，實(shí)時(shí)判斷基線(xiàn)解與同步環(huán)是否合格，以確定后續(xù)工作。當(dāng)用戶(hù)作業(yè)中有疑問(wèn)時(shí)，經(jīng)用戶(hù)授權(quán)，可以通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程查看接收機(jī)的狀態(tài)、配置，為用戶(hù)提供及時(shí)的現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)指導(dǎo)和服務(wù)，提高作業(yè)效率的同時(shí)最大限度地為客戶(hù)節(jié)約成本。

3.4 RT－PPP技術(shù)

對(duì)傳統(tǒng)的PPP技術(shù)進(jìn)行了延伸，分別處理星基誤差、傳播誤差以及觀(guān)測(cè)誤差，最大限度地合理利用載波相位和偽距觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)的相關(guān)性，采用獨(dú)到的專(zhuān)利算法，有效抑制電離層誤差對(duì)GPS接收機(jī)的精度影響，從而大大提高單頻GPS接收機(jī)的定位精度和縮短收斂時(shí)間［5］。

4 創(chuàng)新點(diǎn)

4.1 遠(yuǎn)程智能服務(wù)

借助于3G技術(shù)，設(shè)計(jì)新的控制終端（桌面電腦、平板電腦、手簿）與接收機(jī)之間的連接方法，突破藍(lán)牙與主機(jī)連接距離與平臺(tái)的限制，實(shí)現(xiàn)服務(wù)創(chuàng)新。

1）接收機(jī)與手簿之間的作業(yè)距離不受地理位置限制。

2）組群自動(dòng)配置，通過(guò)手簿或電腦進(jìn)行一次設(shè)置，全組接收機(jī)都采用同樣的設(shè)置參數(shù)。

3）滿(mǎn)足各種遠(yuǎn)程服務(wù)，包括遠(yuǎn)程智能提醒，遠(yuǎn)程升級(jí)固件、遠(yuǎn)程注冊(cè)儀器、遠(yuǎn)程上載靜態(tài)數(shù)據(jù)文件。

4）建立LBS位置監(jiān)管服務(wù)器，在衛(wèi)星地圖軟件顯示每臺(tái)主機(jī)回傳的位置信息，以供管理人員監(jiān)管、調(diào)配每位工作人員，提高工作效率。

5）智能化的故障自我診斷。

4.2 高性能模塊化設(shè)計(jì)

1）采用目前技術(shù)最成熟的WCDMA制式的3G網(wǎng)絡(luò)，保證了網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性；高速USB接口，極大地提高數(shù)據(jù)傳輸速率和通信質(zhì)量；

2）采用Linux2.6.27作為操作系統(tǒng)平臺(tái)，16M Nor flash存儲(chǔ)非壓縮的內(nèi)核代碼，保證系統(tǒng)的快速啟動(dòng)，啟動(dòng)時(shí)間＜3s；

3）大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)：1G字節(jié)的nand nandflash存儲(chǔ)器，有效的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量達(dá)700M字節(jié)，是目前市面普通RTK數(shù)據(jù)容量（64M）的10倍以上；

4）高效合理的電路設(shè)計(jì)，內(nèi)置電池容量高達(dá)5 000mAh，做靜態(tài)數(shù)據(jù)采集可使用14h。

4.3 領(lǐng)先的北斗/GPS/GLONASS多系統(tǒng)聯(lián)合解算技術(shù)

1）自主設(shè)計(jì)多系統(tǒng)數(shù)據(jù)組合定位處理，實(shí)現(xiàn)GPS/GLONASS/BD三系統(tǒng)數(shù)據(jù)的融合工作；

2）三系統(tǒng)數(shù)據(jù)的處理功能包括：導(dǎo)入、導(dǎo)出、觀(guān)測(cè)序列圖和衛(wèi)星軌跡圖顯示、三系統(tǒng)組合單點(diǎn)定位；

3）獨(dú)立完成GPS/BD松組合模式模糊度解算，能夠進(jìn)行GPS/BD短基線(xiàn)初步解算工作。

5 結(jié)束語(yǔ)

智能型RTK GNSS接收機(jī)融合服務(wù)、智能、網(wǎng)絡(luò)和RTK技術(shù)4種技術(shù)和方向，將RTK和無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)有機(jī)結(jié)合，以精致小巧的Linux系統(tǒng)為平臺(tái)，內(nèi)置多星多系統(tǒng)內(nèi)核（GPS/GLONASS/北斗）的GNSS接收機(jī)，打破了歐美衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)上的長(zhǎng)期高端壟斷態(tài)勢(shì)，為國(guó)內(nèi)GPS用戶(hù)提供了一個(gè)優(yōu)秀的GNSS數(shù)據(jù)采集設(shè)備產(chǎn)品的選擇，大大降低產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)成本，提高應(yīng)用層面的普及率，為高精度智能型GNSS測(cè)量型產(chǎn)品的更大規(guī)模推廣應(yīng)用提供充足的動(dòng)力，提高相關(guān)行業(yè)的生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量，有利于提高我國(guó)導(dǎo)航終端產(chǎn)業(yè)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力，促進(jìn)我國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航定位產(chǎn)業(yè)技術(shù)的發(fā)展，提高民族品牌企業(yè)的知名度和競(jìng)爭(zhēng)力。

智能型RTK GNSS接收機(jī)改進(jìn)了我國(guó)大地測(cè)量測(cè)繪工作方式，提高了大地測(cè)繪工作的效率，減輕了廣大測(cè)繪工作者工作強(qiáng)度，為我國(guó)各種基礎(chǔ)建設(shè)項(xiàng)目的測(cè)繪工作節(jié)省了成本和時(shí)間，可服務(wù)于國(guó)家重點(diǎn)工程，如：港口、鐵路、公路、大橋、海上鉆井平臺(tái)、水下石油管道等領(lǐng)域，也可服務(wù)于國(guó)民經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)領(lǐng)域，如：國(guó)土、規(guī)劃、城建、林業(yè)、農(nóng)業(yè)、電力等。同時(shí)，隨著強(qiáng)勁的市場(chǎng)拉動(dòng)，生產(chǎn)規(guī)模隨之高速擴(kuò)張［6］。

［1］余小龍，胡學(xué)奎.GPS RTK技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)及發(fā)展前景［J］.測(cè)繪通報(bào)，2007（10）：39－44.

［2］高成發(fā).CPS測(cè)量［M］.北京：人民交通出版社，1994.

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［4］王仁謙.GPS動(dòng)態(tài)定位的理論研究［D］.長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2004.

［5］姬生月，歐吉坤，柳林濤.一種適合于單頻接收機(jī)快速模糊數(shù)求解的新方法［J］.武漢測(cè)繪科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，25（2）：108－112.

［6］周忠漠，易杰軍，周琪.GPS衛(wèi)星測(cè)量原理與應(yīng)用［M］.修訂本.北京：測(cè)繪出版社，1992.