實時動態(tài)載波測量系統(tǒng)智能技術(shù)研究與發(fā)展現(xiàn)狀

鮑志雄，李前斌，黃俊銘

（廣州中海達衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)股份有限公司，廣州 511400）

1 引言

“智能化”的浪潮撲面而來，如智能手機、智能汽車、智能電視、智能家居等概念早已為人們所熟知。“智能化”正深刻改變了眾多傳統(tǒng)領(lǐng)域，智能化指利用現(xiàn)代通訊技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、微處理器技術(shù)、傳感器技術(shù)擴展原有產(chǎn)品的涵蓋面，使得產(chǎn)品使用更加方便、更加智能、交互性更加友好。實時動態(tài)差分法（real－time kinematic，RTK）測量系統(tǒng)作為當前最主流的衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)在測量中的應(yīng)用產(chǎn)品，也逐漸朝向智能化邁進。

2 智能技術(shù)在測量系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 微處理器技術(shù)在測量系統(tǒng)的應(yīng)用

2003年開始至今，RTK測量系統(tǒng)已經(jīng)形成了相對固定的一套配備模式，一臺一體化接收機涵蓋全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（global navigation satellite system，GNSS）天線單元、GNSS定位單元、通用分組無線服務(wù)技術(shù)（general packet radio service，GPRS）網(wǎng)絡(luò)單元、第三代移動通信技術(shù)（3rd－generation，3G）網(wǎng)絡(luò)單元、藍牙單元、電臺單元、電源、存儲及控制電路，一臺內(nèi)置測量軟件的手持設(shè)備，其中接收機的控制核心是微處理芯片，相當于計算機內(nèi)的中央處理器（central processing unit，CPU），微處理芯片的主要作用是控制各功能單元和數(shù)據(jù)處理，是測量系統(tǒng)接收機的核心部分。微處理器技術(shù)的發(fā)展從根本上促使了測量系統(tǒng)發(fā)展［1］，最早的接收機使用8位單片機，實現(xiàn)了簡單的RTK定位單元及電臺單元控制、小容量測量數(shù)據(jù)記錄功能等功能；近幾年，測量系統(tǒng)制造廠商應(yīng)用ARM7／Cortex－M3微處理器平臺實現(xiàn)實用型測量系統(tǒng)，其功能擴展到GPRS網(wǎng)絡(luò)單元應(yīng)用、數(shù)據(jù)U盤形式存儲及下載、發(fā)光二極管（light emitting diode，LED）及語音向?qū)У雀冗M化和人性化測量系統(tǒng)；發(fā)展到如今，國內(nèi)國外的測量系統(tǒng)制造廠商都應(yīng)用主頻在400 MHz以上、低功耗、工業(yè)級的先進 ARM9／ARM11／Cortex－A8級別微處理器，實現(xiàn)復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理、多功能、智能型測量系統(tǒng)。多功能智能型測量系統(tǒng)接收機中與微處理器連接的主要功能框圖如圖1所示。

圖1 RTK接收機內(nèi)部功能框圖

為實現(xiàn)更加復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理、多功能、智能型的測量系統(tǒng)，通常在測量系統(tǒng)的微處理器中搭建運行Linux操作系統(tǒng)，Linux操作系統(tǒng)是一個開放、自由、開源的操作系統(tǒng)，功能強大而穩(wěn)定，配置要求低廉。由于上述特點，Linux常常被應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)，例如機頂盒、路由器及交換機、手機等。由于Linux系統(tǒng)本身具有的強大功能以及可擴展性，基于Linux系統(tǒng)的RTK測量系統(tǒng)具有了無限的擴展功能［2］。通過融合先進的微處理器與嵌入式Linux操作系統(tǒng)、GNSS定位單元、3G移動通訊技術(shù)（兼容GPRS）、藍牙／WiFi單元、傳感器單元、語音單元等技術(shù)于一體，顛覆性地變革了傳統(tǒng)GNSS測量系統(tǒng)作業(yè)模式、服務(wù)模式，使得測量作業(yè)進入了智能時代，完美詮釋了GNSS測量系統(tǒng)接收機未來發(fā)展方向和理念。這其中具有代表性的產(chǎn)品是美國Magglen公司的ProMark 500，美國天寶公司的R8，中海達公司的iRTK。

2.2 傳感器技術(shù)在測量系統(tǒng)的應(yīng)用

提高測量成果的精度、作業(yè)效率和可靠性是廣大測量作業(yè)人員孜孜不倦追求的目標，傳統(tǒng)RTK測量作業(yè)過程中，儀器水平狀態(tài)一般通過對中桿上的水準氣泡來衡量，而數(shù)據(jù)采集操作多是通過手持設(shè)備的應(yīng)用程序進行。這樣，用戶在移動采集作業(yè)過程中，需要同時兼顧水準氣泡與軟件操作，此時會有兩個問題，首先采集操作需要時間，因此需要用戶較長時間保持對中桿水平狀態(tài)，其次手持設(shè)備采集時，可能無法兼顧對中狀態(tài)，導(dǎo)致位置產(chǎn)生偏移誤差。隨著新型傳感器——電子氣泡（加速度傳感器）在測量系統(tǒng)中的應(yīng)用，可以有效解決以上兩個問題。加速度傳感器［3］通過測量由于重力引起的加速度變化，計算出設(shè)備相對于水平面的傾斜角度，由此可以獲取物體的水平狀態(tài)，代替?zhèn)鹘y(tǒng)水準氣泡，因此也稱電子氣泡。測量過程中，電子氣泡狀態(tài)數(shù)據(jù)通過藍牙或WiFi實時傳遞至手持設(shè)備端，可以將傳統(tǒng)作業(yè)過程中的兩個視線焦點減少為一個，用戶只通過手持設(shè)備即可實時關(guān)注儀器水平狀態(tài)及數(shù)據(jù)質(zhì)量，可以直接進行軟件自動采集，縮短作業(yè)時間，減少了用戶作業(yè)負擔，保證了測量精度。目前，天寶公司的新產(chǎn)品R10已經(jīng)加入加速度傳感器［4］，提高測量精度和生產(chǎn)效率（如圖2）。

圖2 天寶Access軟件電子氣泡使用截圖

2.3 網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)在測量系統(tǒng)的應(yīng)用

在網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)之前，RTK測量系統(tǒng)是使用電臺進行基準站和移動站間的差分數(shù)據(jù)傳輸，在城市中經(jīng)常受建筑物的遮擋而使得作用距離受到限制（一般5～15km），另外，大功率的電臺需要配備厚重的鉛酸電瓶，增加了作業(yè)人員的負擔。國內(nèi)最早出現(xiàn)利用手機無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于RTK測量系統(tǒng)是在深圳連續(xù)運行參考站（continuously operating reference stations，CORS）系統(tǒng)上［5］，通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送差分數(shù)據(jù)，通過手機的全球移動通信系統(tǒng)（global system for mobile communications，GSM）模塊接收差分數(shù)據(jù)再傳送給接收機［6］，代替了原有的電臺通訊方式，但是CORS系統(tǒng)在當時還未成為主流的測量作業(yè)方式，需要依賴已經(jīng)建成的CORS參考站系統(tǒng)，產(chǎn)品也主要是國外進口的天寶、徠卡等少數(shù)國外品牌具有。2005年，中海達率先推出了內(nèi)置GSM模塊的一體化RTK HD5800，并且在廣州專門建設(shè)了RTK網(wǎng)絡(luò)差分服務(wù)器，通過服務(wù)器實現(xiàn)了利用網(wǎng)絡(luò)進行差分轉(zhuǎn)發(fā)的透明傳輸模式。這種作業(yè)模式極大提高了作業(yè)人員的工作范圍，減輕了勞動強度，深受客戶歡迎，各個國內(nèi)廠商也爭相跟進，目前已經(jīng)取代電臺成為客戶的首選作業(yè)模式。2012年，中海達又在此基礎(chǔ)上率先提出了新的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用模式，不僅僅把網(wǎng)絡(luò)作為差分數(shù)據(jù)的傳輸手段，通過現(xiàn)有的3G網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了手持設(shè)備與接收機的網(wǎng)絡(luò)傳輸，這樣就可以實現(xiàn)對接收機的遠程監(jiān)控，提供包括信息接收、接收機控制、軟件升級 等多種多樣的對接收機的遠程服務(wù)，極大的擴展了網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)在測量系統(tǒng)的應(yīng)用范圍和影響。

2013年，美國天寶R10產(chǎn)品以及日本拓普康公司的Hiper SR產(chǎn)品第一次將WiFi技術(shù)引入RTK測量系統(tǒng)［6］，WiFi技術(shù)的特點是技術(shù)通用性強，相比藍牙而言傳輸速率高、作用距離遠，拓普康的Hiper SR通過WiFi技術(shù)實現(xiàn)基準站與移動站的近距離通訊（800～1 200m），天寶R10產(chǎn)品可以實現(xiàn)通過手機WiFi訪問及控制接收機。從GPRS到3G再到WiFi，網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)使得RTK測量系統(tǒng)更加輕便、距離更遠、兼容性更強、功能更加強大，也為未來的增值服務(wù)提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

3 智能技術(shù)在測量系統(tǒng)的發(fā)展趨勢

3.1 基于安卓系統(tǒng)帶觸摸交互的接收機

安卓（Android）系統(tǒng)是新一代智能操作系統(tǒng)的代表，開放的生態(tài)環(huán)境及各種智能功能的底層集成將大大方便系統(tǒng)開發(fā)。未來的RTK接收機很有可能是基于Andorid系統(tǒng)帶觸摸操作的接收機。通過一塊觸摸屏，可以實現(xiàn)豐富的信息顯示和簡便操作的完美融合，接收機的基本信息查看、工作模式轉(zhuǎn)換、簡單參數(shù)設(shè)定都可以通過觸摸屏直接完成，同時，基于Andorid系統(tǒng)的硬件平臺可以完全取代當前大多數(shù)的硬件平臺，并且對大容量存儲、網(wǎng)絡(luò)通訊、WiFi、藍牙支持更好?；贏ndorid系統(tǒng)的接收機控制應(yīng)用程序也功能更加強大而簡單。韓國三星公司于2013－09－07在IFA 2013大會上發(fā)布首款基于Andorid系統(tǒng)的智能手表，如圖3所示，手表都可以智能化了，RTK還有什么不可以？

圖3 三星智能手表Galaxy Gear

3.2 基于安卓系統(tǒng)的測量軟件

基于Android系統(tǒng)的測量軟件，能方便實現(xiàn)許多以前所不具備的特色應(yīng)用。Android系統(tǒng)下，電容屏代替了傳統(tǒng)手持設(shè)備的電阻屏。電容屏支持多點觸摸，軟件能實現(xiàn)各種手勢操作，諸如拖動、放大、縮小、旋轉(zhuǎn)等，提供了良好的軟件交互。同時，Android系統(tǒng)具有良好的網(wǎng)絡(luò)支持，移動網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用更簡單方便。通過WiFi及3G支持，輕松實現(xiàn)自動升級，軟件更新更快捷方便；完善的分享機制及郵件支持，輕松實現(xiàn)成果數(shù)據(jù)實時提交。相比傳統(tǒng)移動設(shè)備操作系統(tǒng)，消息推送機制［7］是Android的一大特色，通過該功能，可使測量軟件從單獨應(yīng)用擴展至更多服務(wù)，新技術(shù)、新功能、新資訊及時傳達，拉近廠商與用戶距離。針對很多客戶提出的中文輸入，Android系統(tǒng)也給出了完美解決方案，開放的應(yīng)用市場，豐富的第三方輸入法支持，解決了傳統(tǒng)平臺缺乏良好中文輸入法的難題，拼音輸入、全屏手寫、語音輸入等多重輸入方式可選，滿足不同用戶習慣。最后，Android系統(tǒng)標配各式傳感器［8］，并形成統(tǒng)一的操作接口，一次開發(fā)，兼容所有，其中通過電子羅盤，提供實時行進方向，在放樣作業(yè)時，能得到更清晰的導(dǎo)航指示。

目前，國外Calson公司已經(jīng)開發(fā)基于Andorid系統(tǒng)的GIS 360GIS數(shù)據(jù)采集軟件，中海達已開發(fā)出Android系統(tǒng)下RTK測量應(yīng)用軟件 Hi－Survey（如圖4）?；贏ndorid系統(tǒng)的軟件及硬件手持設(shè)備將取代傳統(tǒng)的WinCE／Mobile設(shè)備成為測量用戶的首選。

圖4 Hi－Survey軟件截圖

4 智能技術(shù)在應(yīng)用中需克服的問題

可以看到，智能技術(shù)的發(fā)展當前深刻的影響到傳統(tǒng)測量測繪技術(shù)裝備的發(fā)展，與此同時，智能技術(shù)在發(fā)展中也暴露出一些存在的問題，主要表現(xiàn)在三個方面：功耗、安全性及兼容性。

智能技術(shù)的發(fā)展當前最主要的應(yīng)用領(lǐng)域和需求來源于手機市場，手機市場的客戶需要高速的ARM微處理器、專用圖形處理芯片、大容量內(nèi)存、高分辨率的屏幕顯示，過多的強調(diào)運算性能的雙核，多核CPU造成了功耗增大，當前手機ARM系統(tǒng)的功耗相比于傳統(tǒng)的ARM7系統(tǒng)的功耗增長了50%，從0.2W增加到了0.3W，雖然在整個測量系統(tǒng)4W左右的功耗中的只占10%，影響不是太大，但同樣是RTK測量系統(tǒng)中要克服和解決的問題，RTK小型輕便化的發(fā)展趨勢要求產(chǎn)品在更小的電池容量下依舊能夠保證客戶足夠的野外作業(yè)時間。

安全性方面，隨著嵌入式操作系統(tǒng)升級為智能系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)功能在RTK測量系統(tǒng)的大量應(yīng)用，當前在其他領(lǐng)域已經(jīng)存在的一些問題也同樣會出現(xiàn)在RTK測量系統(tǒng)中，比如病毒、黑客等，這些值得警惕，在選擇智能技術(shù)的同時解決安全性的問題。

最后，智能系統(tǒng)發(fā)展的兼容性技術(shù)同樣需要去克服，從WinCE系統(tǒng)到Andorid系統(tǒng)的發(fā)展，對于廠商而言，是完全不同的兩種技術(shù)體系，開發(fā)語言從C＋＋，C＃轉(zhuǎn)換為Java，從系統(tǒng)定制和應(yīng)用開發(fā)上，都帶來了新的挑戰(zhàn)。Android從2.0版本進展到今天的4.3版本，僅僅經(jīng)歷了4a不到的時間，當前階段發(fā)展較混亂，發(fā)展前景并不明朗。同時，Android系統(tǒng)的高功耗也是大家無法回避的問題，發(fā)展趨勢將要求在保證足夠續(xù)航能力的前提下，提供輕便的手持采集器。在續(xù)航能力和輕便性中間取平衡，將是Android采集設(shè)備首要考慮的問題。

5 結(jié)束語

現(xiàn)代的微處理器技術(shù)、傳感器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、Linux操作系統(tǒng)、Andorid操作系統(tǒng)等等智能技術(shù)的發(fā)展，使得RTK測量系統(tǒng)更加輕便、用戶交互體驗更好、作用距離更遠、擴展的功能更加強大，深刻的改變了現(xiàn)在的RTK測量系統(tǒng)的發(fā)展。更輕便、更小巧、更簡單、更智能的RTK測量時代已經(jīng)來臨。

［1］ 李家全，翁學(xué)林.淺論 ARM 的發(fā)展及其在 GPS接收機中的應(yīng)用［J］.科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2011（14）：82－82.

［2］ 楊偉，韓建文，鐘鵬飛.基于 Android移動設(shè)備的傳感器技術(shù)應(yīng)用研究［J］.電子世界，2013（11）：10－10.

［3］ 張海濤，閻貴平.MEMS加速度傳感器的原理及分析［J］.電子工藝技術(shù)，2003，24（6）：260－262，265.

［4］ 宋濟宇，徐以廳，李濱.現(xiàn)代 GNSS設(shè)備設(shè)計理念與天寶最新測量技術(shù)［J］.測繪通報，2012（10）：98－100.

［5］ 劉暉，時曉燕，楊沾吉，等.深圳市連續(xù)運行衛(wèi)星定位服務(wù)系統(tǒng)的建立與試驗［J］.測繪通報，2003（9）：33－36.

［6］ 祁芳，劉暉.GPRS技術(shù)在CORS系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.全球定位系統(tǒng)，2003（1）：37－40.

［7］ 曾磊，張海峰，侯維巖.基于 WiFi的無線測控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)［J］.電測與儀表，2011，48（547）：81－83，96.

［8］ 方小強.基于 Android的推送技術(shù)分析［J］.電腦知識與技術(shù)，2013，9（18）：4180－4182.

［9］ 郭建京，張云，袁國良，等.基于 ARM－Linux的 GPS信號存儲轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)的設(shè)計［J］.電子設(shè)計工程，2013，21（3）：123－125.