RTK-GPS技術(shù)及其在AGV導(dǎo)航中的應(yīng)用

曹西京，張登榜，朱本輝

（陜西科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，陜西 西安 710021）

RTK-GPS技術(shù)及其在AGV導(dǎo)航中的應(yīng)用

曹西京，張登榜，朱本輝

（陜西科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，陜西 西安 710021）

介紹了GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的測(cè)距原理，概括并討論了GPS系統(tǒng)的主要誤差來(lái)源；分析了RTK-GPS技術(shù)的原理及實(shí)現(xiàn)方法，并利用其高精度和導(dǎo)航平穩(wěn)性，闡述了以GPS作為AGV絕對(duì)定位方式的可行性。最后針對(duì)在室外環(huán)境下的工作要求，設(shè)計(jì)了一種RTK-GPS與航位推算多傳感器組合導(dǎo)航AGV定位系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)表明該系統(tǒng)可滿足AGV在室外環(huán)境下的運(yùn)行要求，是一種可行的AGV定位導(dǎo)航方式。

GPS；誤差；RTK-GPS；AGV；定位系統(tǒng)；導(dǎo)航

1 引言

自動(dòng)導(dǎo)向車(chē)（Automated Guided Vehicle，AGV）是指能按照設(shè)定的路徑自動(dòng)行駛至指定地點(diǎn)，具有安全保護(hù)以及各種移載功能的工業(yè)車(chē)輛。AGV按照不同的導(dǎo)航定位方式發(fā)展出了電磁導(dǎo)引、光學(xué)導(dǎo)引、激光導(dǎo)航、超聲波導(dǎo)向、視覺(jué)導(dǎo)航和GPS導(dǎo)航等技術(shù)。隨著AGV的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，室內(nèi)環(huán)境下，電磁、光帶等導(dǎo)航方式因其技術(shù)成熟、易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)被普遍采用；但在室外開(kāi)闊場(chǎng)所，針對(duì)運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜、難以設(shè)置固定參照物等特點(diǎn)，近年來(lái)，GPS導(dǎo)航AGV技術(shù)因其路徑更改自由，在室外開(kāi)闊場(chǎng)所實(shí)現(xiàn)方法簡(jiǎn)單及結(jié)合數(shù)字地圖便于成隊(duì)指揮監(jiān)控等特點(diǎn)，越來(lái)越受到研究者的重視。

本文主要分析GPS衛(wèi)星導(dǎo)航誤差的來(lái)源，解釋RTK-GPS技術(shù)的原理，并使用RTK-GPS技術(shù)作為AGV的絕對(duì)定位方式，理論分析和仿真的結(jié)果均表明，該方式無(wú)論在定位精度還是魯棒性等方面均可以滿足AGV導(dǎo)航定位的要求，是一種很有應(yīng)用前景的AGV定位系統(tǒng)選擇。

2 GPS系統(tǒng)測(cè)距原理及定位誤差分析

2.1 GPS衛(wèi)星導(dǎo)航的測(cè)距原理

全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS），由衛(wèi)星星座、地面監(jiān)控和用戶接收機(jī)三大部分組成，能夠?qū)崿F(xiàn)全球性、全天候、連續(xù)不斷的三維定位測(cè)量，為用戶提供高精度的導(dǎo)航定位服務(wù)。20世紀(jì)60年代，美國(guó)海軍最早建立了Transit導(dǎo)航系統(tǒng)，主要用于對(duì)潛艇和艦船進(jìn)行導(dǎo)航，但Transit系統(tǒng)不僅響應(yīng)速度慢且需要很長(zhǎng)的觀測(cè)時(shí)間。隨后在1967年，海軍又建立了Timation系統(tǒng)，與此同時(shí)，空軍發(fā)展了B621系統(tǒng)。隨后，為避免海軍、空軍等不同機(jī)構(gòu)在衛(wèi)星導(dǎo)航研究上的分化并節(jié)約經(jīng)費(fèi)，美國(guó)國(guó)防部合并了許多衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)項(xiàng)目，并組建了新的NAVSTAR衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（即GPS系統(tǒng)），90年代開(kāi)始GPS系統(tǒng)逐漸具備了完全運(yùn)行能力，正式向全球用戶開(kāi)放[1]。

GPS衛(wèi)星導(dǎo)航定位是基于被動(dòng)式測(cè)距原理的，即GPS信號(hào)接收機(jī)被動(dòng)地測(cè)量來(lái)自GPS衛(wèi)星的導(dǎo)航定位信號(hào)的傳播時(shí)延，而測(cè)得GPS信號(hào)接收天線相位中心和GPS衛(wèi)星發(fā)射天線相位中心之間的距離（即站星距離），進(jìn)而將它和GPS衛(wèi)星的在軌位置聯(lián)合而解算出用戶的三維坐標(biāo)[2]。

為了測(cè)定三維空間中某一點(diǎn)（User）的坐標(biāo)（xu，yu，zu），選取位置已知的三顆衛(wèi)星，通過(guò)測(cè)量該點(diǎn)與3顆衛(wèi)星的距離，這3個(gè)距離形成的球面相交于一點(diǎn)，通過(guò)解算可以得到交點(diǎn)的坐標(biāo)，即該點(diǎn)所在的位置。當(dāng)用戶使用GPS接收機(jī)時(shí)，接收機(jī)可識(shí)別衛(wèi)星發(fā)射的測(cè)距碼信號(hào)，測(cè)距碼信號(hào)經(jīng)過(guò)Δt秒傳播時(shí)間到達(dá)接收機(jī)，接收機(jī)立即生成一個(gè)結(jié)構(gòu)與之完全相同的復(fù)制碼序列，使復(fù)制碼序列與測(cè)距碼序列同步，就可以測(cè)得此信號(hào)傳播時(shí)間Δt，如圖1所示。

圖1 測(cè)量信號(hào)的傳播時(shí)間

由于接收機(jī)時(shí)與GPS時(shí)存在時(shí)鐘偏差δtu，因此測(cè)得的用戶距離為不準(zhǔn)確的偽距，為確定4個(gè)未知量（δtu，xu，yu，zu），需要4個(gè)獨(dú)立的方程，因此在GPS定位解算時(shí)，至少需要同時(shí)觀測(cè)4顆以上衛(wèi)星，才能求出用戶的位置坐標(biāo)。

如果同時(shí)觀測(cè)n顆衛(wèi)星，則：

式（1）中，Pi表示衛(wèi)星i與接收機(jī)的偽距測(cè)量值，（xi，yi，zi）為第i顆衛(wèi)星所在的三維位置，c為光速。

在此，為計(jì)算用戶的實(shí)際位置，引入一個(gè)接近用戶位置的估算位置（xe，ye，ze）和估算時(shí)鐘偏差δte，該估算位置與用戶位置誤差記為δx，δy，δz，可知x'u=xe+δx；yu=ye+δy；zu=ze+δz，則對(duì)于相應(yīng)的站星距離Pu，存在Pu=Pe+δP，將方程線性化，得到矩陣形式為：

式（2）中：

此處，Re指衛(wèi)星i與估計(jì)位置的間距，其計(jì)算如下：

式（2）可簡(jiǎn)化為：

經(jīng)變換可得到：

通過(guò)解算初始的用戶站星偽距測(cè)量值Pi，由式（4）可求出偏差值δx，δy，δz和δte，按式（4）進(jìn)行重復(fù)標(biāo)準(zhǔn)迭代，可得到新的用戶與衛(wèi)星的站星距離Pi，并得到新的誤差分量δx，δy，δz和δte，直到第（n+1）次解算的X(t)n+1≈X(t)n為止，通常需要3～5次迭代計(jì)算，即可得到我們認(rèn)可的用戶位置和時(shí)鐘偏差，即（δtu，xu，yu，zu）。

2.2 GPS衛(wèi)星導(dǎo)航定位誤差分析

GPS導(dǎo)航定位誤差受多種因素影響，包括衛(wèi)星誤差、傳播誤差、接收誤差等，其中主要誤差因素如下：

（1）星歷誤差。星歷即衛(wèi)星導(dǎo)航電文中確定的GPS衛(wèi)星在軌位置，如前所述，GPS衛(wèi)星導(dǎo)航是利用已知衛(wèi)星的準(zhǔn)確位置進(jìn)而解算出用戶所在的位置，衛(wèi)星星歷由地面監(jiān)控系統(tǒng)推算并維護(hù)更新，但與衛(wèi)星實(shí)際的空間位置難免存在偏差；且GPS衛(wèi)星受到日、月和地球等引力場(chǎng)的攝動(dòng)影響，各種攝動(dòng)力加速度會(huì)引起衛(wèi)星位置的偏差。當(dāng)前GPS衛(wèi)星的廣播星歷軌道誤差約在±2m[3]。

（2）時(shí)鐘誤差。每顆GPS衛(wèi)星上都配備有高精度的原子鐘（銫鐘和銣鐘），其日頻率穩(wěn)定度可達(dá)到10-13，運(yùn)行12h誤差小于10ns，但即便如此，10ns產(chǎn)生的偽距誤差約等于3m；衛(wèi)星鐘時(shí)與GPS時(shí)的誤差小于1ms，而1ms鐘差引起的等效距離誤差可達(dá)300km[4]，GPS時(shí)間系統(tǒng)還存在著接收機(jī)時(shí)與GPS時(shí)的偏差及衛(wèi)星鐘時(shí)與接收機(jī)時(shí)的偏差。地面監(jiān)控系統(tǒng)需要不斷對(duì)各時(shí)間系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)和修正。

（3）電離層時(shí)延改正誤差。電離層是距離地球表面50～1 000km之間的大氣層，由于其受到太陽(yáng)高能輻射以及宇宙射線的激勵(lì)處于部分電離和完全電離的狀態(tài)，其中存在大量的自由電子和離子，能改變GPS信號(hào)的傳播速度，使無(wú)線電波發(fā)生折射、反射和散射，并受到不同程度的吸收而損失部分能量，且電離層結(jié)構(gòu)特性隨太陽(yáng)活動(dòng)、空間的差別呈現(xiàn)不斷的變化。電離層對(duì)GPS信號(hào)傳播產(chǎn)生附加時(shí)延[5]，使測(cè)量精度產(chǎn)生誤差。

（4）對(duì)流層時(shí)延改正誤差。對(duì)流層在電離層之下，靠近地球表面，對(duì)流層中干燥空氣和水分子等中性粒子會(huì)使GPS信號(hào)在此空間中傳播時(shí)的傳播路徑比幾何路徑長(zhǎng)，導(dǎo)致GPS信號(hào)傳播路徑的偏差。對(duì)流層對(duì)誤差的影響要比電離層小很多，但也不可忽略。

（5）多路徑誤差。理論上，GPS接收機(jī)應(yīng)該接收直接來(lái)自GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)，即直接波，然而在現(xiàn)實(shí)的測(cè)量定位中，GPS接收機(jī)不可避免地要接收來(lái)自地面、建筑及其他途徑反射的間接波。由于反射和散射的原因，間接波實(shí)際所歷路程大于直接波，該延遲在到達(dá)接收機(jī)后會(huì)對(duì)直接波產(chǎn)生干擾，使跟蹤相關(guān)峰失真，從而在偽距和載波相位測(cè)量值上引入誤差，尤其在城市地區(qū)等多徑環(huán)境里，這些誤差會(huì)非常大[6]。

（6）觀測(cè)噪聲。由GPS接收機(jī)熱噪聲和分辨率、天線噪聲、其他相同頻率信號(hào)等干擾的影響，所造成的偽距測(cè)量的誤差。

綜合考慮以上誤差對(duì)偽距測(cè)量造成的影響，式（1）的衛(wèi)星i與用戶的偽距測(cè)量值修正為[7]：

其中，Ik(t)表示第k顆衛(wèi)星由于電離層引起的傳播延遲修正值，Tk(t)表示第k顆衛(wèi)星由于對(duì)流層引起的傳播延遲修正值，?k(t)表示第k顆衛(wèi)星其他原因引起的測(cè)距誤差修正值，如接收機(jī)噪聲和多路徑誤差。

表1列出了以上影響所導(dǎo)致的GPS標(biāo)準(zhǔn)定位誤差估值。

表1 典型的標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)測(cè)距誤差估值

3RTK-GPS原理

載波相位差分定位（Real Time Kinematic，RTK），是以載波相位作為基本觀測(cè)量的實(shí)時(shí)差分測(cè)量技術(shù)，其工作原理是：分別安裝GPS基準(zhǔn)站接收機(jī)和移動(dòng)站接收機(jī)，基準(zhǔn)站固定安放于空曠位置，移動(dòng)站則安裝于AGV本體上，基準(zhǔn)站和移動(dòng)站同時(shí)連續(xù)的接收GPS衛(wèi)星信號(hào)，然后基準(zhǔn)站通過(guò)數(shù)據(jù)鏈路將其觀測(cè)值（偽距和相位的原始測(cè)量值）、測(cè)站坐標(biāo)、衛(wèi)星跟蹤狀態(tài)及接收機(jī)工作狀態(tài)等發(fā)送給移動(dòng)站，移動(dòng)站內(nèi)解求載波相位整周模糊度，再通過(guò)相對(duì)定位模型獲取所在點(diǎn)相對(duì)基準(zhǔn)站的坐標(biāo)和精度指標(biāo)（如圖2所示）[9]。

圖2 RTK測(cè)量示意圖

衛(wèi)星信號(hào)以載波的形式從衛(wèi)星到達(dá)接收機(jī)，載波的波長(zhǎng)λ約為19cm，如果可以獲得該過(guò)程中載波相位的整周模糊度N，就可以計(jì)算出衛(wèi)星到用戶的距離。要求出載波整周模糊度相當(dāng)困難，但通過(guò)該方式可實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)的定位精度。以下解釋通過(guò)三差法求解整周模糊度的數(shù)學(xué)模型。

首先，通過(guò)基準(zhǔn)站、移動(dòng)站坐標(biāo)和衛(wèi)星星歷，可按式（5）計(jì)算出基準(zhǔn)站b和移動(dòng)站m到衛(wèi)星j、k的偽距

同一時(shí)元，基準(zhǔn)站和移動(dòng)站分別對(duì)同一顆衛(wèi)星的載波相位觀測(cè)量求差，得到四個(gè)單差分方程：

式（6）中，f為載波頻率，c為光速，δt指接收機(jī)與衛(wèi)星鐘的時(shí)鐘偏差，Nm，Nb表示衛(wèi)星和接收機(jī)的載波相位整周模糊度。同一歷元再對(duì)兩顆星的單差方程相減得雙差分方程：

再對(duì)兩顆星在歷元t1、t2的雙差方程求差，得到三差分觀測(cè)值：

根據(jù)以上數(shù)學(xué)模型，解算用戶站位置采用以下步驟[10]:

（1）用三差分方程解算基線向量初值；

（2）靜態(tài)觀測(cè)若干歷元，解算整周模糊度；

（3）用雙差分方程，結(jié)合已求出的整周模糊度，觀測(cè)4～6顆星作線性擬合或選擇幾何圖形好的衛(wèi)星組，求出3個(gè)位置分量Δx，Δy，Δz；

（4）通過(guò)3個(gè)位置分量與基準(zhǔn)站已知坐標(biāo)聯(lián)合解算，即可求出此時(shí)移動(dòng)站的地心坐標(biāo)，再利用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換得到需要的坐標(biāo)信息。

通過(guò)載波相位差分GPS，可有效消除或削弱星歷誤差、星鐘誤差、電離層延時(shí)誤差和對(duì)流層延時(shí)誤差及隨機(jī)噪聲誤差的影響，從而獲得厘米級(jí)的導(dǎo)航定位精度。

4RTK-GPS在AGV導(dǎo)航中的應(yīng)用

AGV在柔性加工系統(tǒng)、柔性裝配系統(tǒng)、自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)中有廣泛的應(yīng)用，還可以將AGV應(yīng)用于巡視機(jī)器人、觀光車(chē)、軍事等領(lǐng)域。由于傳統(tǒng)的AGV導(dǎo)引方式多為固定路徑運(yùn)行或需要在運(yùn)行范圍內(nèi)大量設(shè)置標(biāo)識(shí)物、參照物等設(shè)施，且對(duì)運(yùn)行環(huán)境的要求較高，因此多局限于室內(nèi)環(huán)境使用。因此，在室外開(kāi)闊環(huán)境下，以GPS為導(dǎo)航定位方式的AGV就顯示了它的特殊之處。

以往，由于GPS導(dǎo)航定位的一些缺陷，滿足不了其在AGV定位系統(tǒng)中的使用。已經(jīng)廣泛采用的AGV導(dǎo)引方式，如電磁導(dǎo)航、光帶導(dǎo)引、激光導(dǎo)航等方式，其定停及行車(chē)精度都可達(dá)到厘米級(jí)控制，而單一的GPS接收設(shè)備其定位精度卻在數(shù)米以上；另外，在城市建筑、樓宇之間、車(chē)間林立的工廠環(huán)境或有樹(shù)木等障礙物遮擋時(shí)，常會(huì)導(dǎo)致GPS接收機(jī)處于暫時(shí)無(wú)信號(hào)狀態(tài)，GPS星座整體不可見(jiàn)，導(dǎo)致GPS模塊失效，此時(shí)不能夠?yàn)檐?chē)輛提供定位導(dǎo)航服務(wù)。

為彌補(bǔ)GPS定位導(dǎo)航的以上缺陷，需采用多傳感器融合的方式進(jìn)行車(chē)輛組合導(dǎo)航。以下介紹RTK-GPS與DR系統(tǒng)結(jié)合的組合導(dǎo)航方式。

首先，RTK-GPS技術(shù)的應(yīng)用，解決了GPS作為絕對(duì)定位方式的精度問(wèn)題，目前各種類(lèi)型的GPS接收機(jī)RTK測(cè)量的定位精度不同，但一般動(dòng)態(tài)定位精度都能達(dá)到厘米級(jí)別，可以滿足AGV定位導(dǎo)航的需要。近年來(lái)高精度GPS接收機(jī)普遍采用了雙頻或四頻接收，并使用GPS與GLONASS集成，或GPS與北斗導(dǎo)航系統(tǒng)集成的方式，大幅提高了接收機(jī)的導(dǎo)航定位精度，并能消除間隙時(shí)段、縮短響應(yīng)時(shí)間，減少跟蹤失鎖，保證了精確導(dǎo)航的連續(xù)性。

其次，選用DR系統(tǒng)和RTK-GPS聯(lián)用的組合導(dǎo)航的方式。DR（Dead Reckoning，航位推算）系統(tǒng)使用陀螺儀和里程計(jì)，通過(guò)對(duì)車(chē)輛相對(duì)于初始位置航向角變化量和距離變化量的測(cè)量，與原始位置累加，從而推算出用戶的當(dāng)前位置；但DR存在系統(tǒng)誤差隨時(shí)間積累逐漸變大的問(wèn)題，不能單獨(dú)、長(zhǎng)時(shí)間地使用[11]。DR和GPS有很強(qiáng)的互補(bǔ)性，把二者組合起來(lái)，進(jìn)行優(yōu)劣互補(bǔ)，可以獲得一種性能超過(guò)任一單一導(dǎo)航方式的新系統(tǒng)。一方面使用RTK-GPS作為絕對(duì)定位傳感器，其精確的定位結(jié)果可輔助DR的初始化并且可以定期地對(duì)DR系統(tǒng)的定位誤差進(jìn)行校準(zhǔn)；另一方面，在GPS信號(hào)暫時(shí)失效時(shí)系統(tǒng)又可以自動(dòng)地切換到DR導(dǎo)航方式，使系統(tǒng)能夠在一段時(shí)間內(nèi)推算出車(chē)輛的位置變化，直至GPS接收機(jī)恢復(fù)正常接收后，系統(tǒng)再回到GPS與DR的組合導(dǎo)航方式，確保系統(tǒng)能在任何時(shí)候都能為運(yùn)動(dòng)車(chē)輛提供較為準(zhǔn)確的導(dǎo)航信息，此二者結(jié)合可有效保證車(chē)輛在盲區(qū)的平滑、連續(xù)運(yùn)行[12]。

基于以上分析，設(shè)計(jì)了如下GPS、DR多傳感器組合導(dǎo)航的AGV定位系統(tǒng)，如圖3所示。

圖3 一種GPS多傳感器組合導(dǎo)航定位系統(tǒng)

首先，使用卡爾曼濾波算法對(duì)GPS和DR數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理和誤差估計(jì)，組合算法比較DR和GPS的設(shè)備輸出，并估計(jì)DR導(dǎo)航位置、速度、姿態(tài)等參數(shù)的校正量，校正后的DR輸出構(gòu)成組合導(dǎo)航輸出；同時(shí)，使用毫米波雷達(dá)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行環(huán)境感知和行為避障，進(jìn)一步增加車(chē)輛的適應(yīng)性和安全性。該多傳感器組合導(dǎo)航定位系統(tǒng)無(wú)論是在精確度還是平穩(wěn)性等方面較常規(guī)導(dǎo)航方式有很大提高，實(shí)驗(yàn)證明其是一種可行的AGV定位導(dǎo)航方式，可以滿足室外AGV的導(dǎo)航定位需求。

5 結(jié)束語(yǔ)

載波相位差分GPS技術(shù)可以大幅度地提高GPS導(dǎo)航定位精度，實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)動(dòng)態(tài)導(dǎo)航定位；通過(guò)集成其他GNSS系統(tǒng)，可進(jìn)一步提高接收機(jī)的精度、容錯(cuò)性及平穩(wěn)性。高精度接收機(jī)的應(yīng)用為GPS作為AGV定位系統(tǒng)絕對(duì)定位方式提供了可能性?？梢灶A(yù)見(jiàn)，未來(lái)GPS系統(tǒng)還將在AGV、無(wú)人駕駛汽車(chē)，無(wú)人機(jī)等不同領(lǐng)域發(fā)揮更廣闊的應(yīng)用。

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Application of RTK-GPS Technology in AGV Navigation

Cao Xijing,Zhang Dengbang,Zhu Benhui
(School of Electro-mechanical Engineering,Shanxi University of Science&Technology,Xi'an 710021,China)

In this paper,we introduced the range finding mechanism of the GPS satellite navigation system,discussed the major sources of error of the GPS systems,then analyzed the principle and the method of realization of the RTK-GPS technology,and next introduced the feasibility of the GPS as the means of absolute positioning for the AGVs.At the end,in view of the condition of the indoor working environment,we designed a combinational AGV navigation and positioning system based on the RTK-GPS technology and the deadreckoning sensor technology.

GPS;error;RTK-GPS;AGV;positioning system;navigation

P228.4；TP242

A

1005-152X(2015)10-0252-04

2015-08-25

曹西京（1953-），男，陜西西安人，教授，研究方向：凸輪機(jī)構(gòu)理論及應(yīng)用技術(shù)、機(jī)電系統(tǒng)控制工程；張登榜（1988-），通訊作者，男，陜西西安人，碩士研究生，研究方向：GPS/DR/MM組合導(dǎo)航定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)。

10.3969/j.issn.1005-152X.2015.10.067