基于BD930板卡的RTK測量系統(tǒng)研制

暢 毅，王 亮，黃勁松，史小奇，馮庚緒,3，吳建華

(1. 中國石油集團東方公司裝備服務(wù)處長慶作業(yè)部，寧夏 銀川 750006； 2. 武漢大學(xué)測繪學(xué)院， 湖北 武漢 430079； 3. 中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

基于BD930板卡的RTK測量系統(tǒng)研制

暢 毅1，王 亮2，黃勁松2，史小奇1，馮庚緒2,3，吳建華1

(1. 中國石油集團東方公司裝備服務(wù)處長慶作業(yè)部，寧夏 銀川 750006； 2. 武漢大學(xué)測繪學(xué)院， 湖北 武漢 430079； 3. 中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

針對物探測量作業(yè)中經(jīng)常會遇到密林、峽谷、窄溝等遮擋嚴重的不良環(huán)境，導(dǎo)致可視衛(wèi)星數(shù)減少、衛(wèi)星信號不穩(wěn)定，進而造成定位結(jié)果精度下降、作業(yè)效率降低等問題。本文提出了使用多系統(tǒng)兼容的高靈敏度BD930板卡作為接收機主板，給出了板卡的控制方法。研制出了一款實時動態(tài)定位手簿軟件，并且利用網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)搭建了差分數(shù)據(jù)鏈，多次在實際物探測量作業(yè)環(huán)境下對整個測量系統(tǒng)的性能進行了測試。結(jié)果表明，該系統(tǒng)在一定程度上提高了RTK適應(yīng)困難環(huán)境的能力，所搭建的差分數(shù)據(jù)鏈使測量作業(yè)更加便捷、高效，能夠滿足工程應(yīng)用的需要。

物探測量作業(yè)；多系統(tǒng)兼容；BD930板卡；差分數(shù)據(jù)鏈；RTK

RTK(real time kinematic)是利用全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(global navigation satellite system，GNSS)進行實時動態(tài)相對定位的技術(shù)，在正常的觀測條件下，具有精度高和效率快的特點，是物探測量中的主要技術(shù)手段。但在山地、密林等地區(qū)進行RTK測量時，由于植被或山體的遮擋，一方面容易造成衛(wèi)星信號失鎖[1]，導(dǎo)致可用衛(wèi)星不足；另一方面?zhèn)鹘y(tǒng)的無線電傳輸方式受限于“電磁波通視”[2]，信號易衰減，傳輸距離受到限制，且電臺功耗大，體積也大，影響作業(yè)效率[3]。

隨著中國北斗導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)(BDS)、美國全球定位系統(tǒng)(GPS)以及俄羅斯全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GLONASS)等的相繼建立與運營，為多系統(tǒng)組合定位創(chuàng)造了條件。多系統(tǒng)組合能夠顯著增加可用衛(wèi)星數(shù)，增強衛(wèi)星分布幾何構(gòu)型，提高定位的可靠性和精度[4-5]。

美國的Trimble公司生產(chǎn)的BD930板卡支持對GPS、GLONASS三頻和BDS雙頻的信號跟蹤，該板卡采用了成熟的Trimble低仰角跟蹤技術(shù)，且可以獲得低噪聲、低多路徑、高動態(tài)的偽距觀測數(shù)據(jù)以及1 Hz帶寬誤差lt;1 mm的低噪聲載波相位觀測值，BD930板卡的部分性能參數(shù)見表1。

由表1可知，BD930板卡支持多種差分協(xié)議，并具備自主故障檢測排除(FDE)功能和接收機自主完整性監(jiān)測(RAIM)功能，能夠提供厘米級精度的RTK定位結(jié)果。

表1 BD903板卡部分性能參數(shù)

鑒于BD930板卡的優(yōu)越性能，本文使用該板卡作為接收機主板，控制其進行多系統(tǒng)組合RTK定位，增加可視衛(wèi)星數(shù)。同時利用網(wǎng)絡(luò)通信代替無線電通信，搭建差分數(shù)據(jù)鏈，可以提高作業(yè)效率[6]。并且研制一套基于BD930板卡的RTK測量系統(tǒng)，以滿足物探測量中實際應(yīng)用的需要。

1 BD930板卡控制

1.1 藍牙通信

上海敦鋒公司的PB100接收機內(nèi)置了BD930板卡，并且具備藍牙模塊，本文正是通過藍牙接口控制該設(shè)備的。藍牙是一種短距離通信技術(shù)，現(xiàn)在多數(shù)移動終端都支持藍牙功能。藍牙通信避免了數(shù)據(jù)線連接、設(shè)備驅(qū)動的安裝等煩瑣的步驟[7]。

本文以Android系統(tǒng)的移動終端作為手簿使用，Android系統(tǒng)從2.0版本之后開始支持藍牙，并且提供BluetoothAdapter、BluetoothDevice和BluetoothSocket 3個主要的藍牙開發(fā)類，這些類包含完善的API函數(shù)，可以方便地進行藍牙程序開發(fā)。

其中,BluetoothAdapter類可以實現(xiàn)藍牙搜索、藍牙信息(名稱和Mac地址等)的獲取、打開或關(guān)閉藍牙等功能；BluetoothDevice類可以描述一個藍牙設(shè)備；BluetoothSocket類可以創(chuàng)建藍牙，Socket(套接字)與遠程藍牙設(shè)備建立連接并交換數(shù)據(jù)[8]。

藍牙通信的一般步驟是：①搜索藍牙，找到周邊可以被檢測到的藍牙設(shè)備；②請求配對，驗證PIN碼(對于單片機，一般為“1234”)以完成配對；③數(shù)據(jù)傳輸或者斷開藍牙等操作。藍牙通信的具體程序?qū)崿F(xiàn)流程如圖1所示。

1.2 二進制控制命令

BD930板卡支持Trimble特有的二進制數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，根據(jù)其二進制接口控制文件，可以獲知大部分控制命令及數(shù)據(jù)包的基本結(jié)構(gòu)，見表2。

圖1 藍牙通信程序流程

字節(jié)數(shù)項含義0STX(02h)起始標(biāo)志1STATUS接收機狀態(tài)2PACKETTYPE數(shù)據(jù)包類型3LENGTH數(shù)據(jù)流的字節(jié)數(shù)4～Length+3DATABYTES數(shù)據(jù)流Length+4CHECKSUM校驗值Length+5ETX(03h)結(jié)束標(biāo)志

編寫二進制命令，利用藍牙發(fā)送給BD930板卡，可以完成一般設(shè)置(如截止高度角、截止PDOP、RTK定位模式、工作模式、測量頻率等)，還可以選擇衛(wèi)星系統(tǒng)、差分數(shù)據(jù)和結(jié)果數(shù)據(jù)輸出格式等。

定位結(jié)果數(shù)據(jù)以NMEA-0183、RT17/RT27的格式通過藍牙輸出，根據(jù)這兩種格式進行解碼，可以獲得詳細的定位信息(如大地水準面差距、坐標(biāo)信息、速度信息、衛(wèi)星情況、精度信息和解算信息等)。

2 差分數(shù)據(jù)鏈搭建

2.1 網(wǎng)絡(luò)通信

本文利用網(wǎng)絡(luò)通信來傳輸差分數(shù)據(jù)，因為現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)十分普及，尤其是移動互聯(lián)網(wǎng)覆蓋較廣，只需在移動終端插入SIM卡，即可進行網(wǎng)絡(luò)通信。與傳統(tǒng)無線電傳輸方式相比，網(wǎng)絡(luò)通信的傳輸距離不受限制，并且不再需要電臺及蓄電池。

網(wǎng)絡(luò)通信可以通過Socket編程實現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)上兩個程序建立雙向的通信連接并交換數(shù)據(jù)，這個雙向鏈路的兩端分別為一個Socket，由IP地址和端口號唯一確定。對于在Android/Windows/Unix系統(tǒng)環(huán)境下，Socket編程主要是指基于TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)編程。

利用Socket來實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信，使用Socket的函數(shù)建立連接并進行數(shù)據(jù)收發(fā)，Socket之間的連接過程主要包含服務(wù)端監(jiān)聽、客戶端請求、連接確認，程序?qū)崿F(xiàn)基本流程如圖2所示。

圖2 網(wǎng)絡(luò)通信基本過程

客戶端程序運行在Android系統(tǒng)上，根據(jù)系統(tǒng)提供的Socket類，構(gòu)造客戶端Socket，方法如下：

Socket(String host,int prot)

其中，address和port分別是雙相連接中服務(wù)器的IP地址和提供的端口號，如

Socket client=new Socket(quot;121.42.8.170quot;,4952)

0～1023的端口號為系統(tǒng)所保留，如http服務(wù)的端口號為80，telnet服務(wù)的端口號為21，F(xiàn)TP服務(wù)的端口號為23，因此在選擇端口號時，最好選擇一個大于1023的數(shù)以防止發(fā)生沖突。

由于需要知道服務(wù)端的IP和端口，因此可使服務(wù)端程序運行在具有公網(wǎng)IP的服務(wù)器(Ubuntu/Windows系統(tǒng))上，客戶端可以隨時進行連接。

2.2 轉(zhuǎn)發(fā)機制

圖3 差分數(shù)據(jù)傳輸示意圖

本文所搭建的數(shù)據(jù)鏈由基準站和流動站的移動終端以及網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器構(gòu)成。在數(shù)據(jù)通信過程中，基準站和流動站的移動終端分別作為客戶端與具有固定IP地址的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器建立連接。從基準站得到sCMRx格式的差分數(shù)據(jù)流，經(jīng)過中轉(zhuǎn)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)給各個流動站的移動終端。流動站的移動終端接收到基準站的差分數(shù)據(jù)后，再通過藍牙將數(shù)據(jù)寫入到板卡中，即可以進行RTK解算，獲得定位結(jié)果。整個數(shù)據(jù)鏈的傳輸過程如圖3所示。

3 BD930測量手簿軟件

使用Java語言開發(fā)了一款基于Android系統(tǒng)的測量手簿軟件，該軟件主要包括兩種工作模式：①基準站工作模式，可以設(shè)置參考站坐標(biāo)、差分數(shù)據(jù)格式等；②流動站工作模式，主要可以進行RTK測量和靜態(tài)測量，此外還提供了項目管理、數(shù)據(jù)管理和實用工具等功能。軟件的功能模塊如圖4所示。

圖4 軟件功能模塊

其中，RTK測量功能可以連接網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器獲取差分數(shù)據(jù)流，并監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)，同時設(shè)置板卡或向板卡寫入差分數(shù)據(jù)(BD930板卡將自動調(diào)用內(nèi)置的RTK定位程序進行基線解算)，還可以讀取板卡返回的數(shù)據(jù)流(NMEA-0183、RT17/RT27)并進行解碼，得到詳細的定位結(jié)果，用于進行導(dǎo)航放樣或測量結(jié)果記錄，具體程序?qū)崿F(xiàn)流程如圖5所示。

此外BD930測量手簿軟件已具備較完善的操作界面，圖6所示為RTK測量功能的運行界面，具有一定的可視化功能，用戶可用性較好。

4 系統(tǒng)測試與分析

4.1 試驗1分析

試驗1于2015年7月27日在甘肅省平?jīng)鍪袥艽h進行，基準站架設(shè)在中國石油集團東方地球物理勘探有限責(zé)任公司的外業(yè)營地，流動站則在密林等困難環(huán)境下進行RTK測量。由于在該地區(qū)移動網(wǎng)絡(luò)信號較差，中間有一段時間出現(xiàn)差分數(shù)據(jù)傳輸受阻，導(dǎo)致不能順利得到固定解，因此這里截取其中一段路線的測量結(jié)果，路線如圖7所示。

圖5 RTK測量功能程序?qū)崿F(xiàn)流程

圖6 RTK測量功能運行界面

圖7 試驗1測量結(jié)果路線

圖7中的這段路線是沿著山丘上路旁的樹下行走的，樹木和山體形成了一定的遮擋作用，結(jié)果表明使用基于BD930板卡的測量系統(tǒng)可以得到固定解。該測量系統(tǒng)采用高靈敏度板卡和多個衛(wèi)星系統(tǒng)組合RTK定位模式，在困難環(huán)境下，也可以跟蹤到足夠的衛(wèi)星，測量中衛(wèi)星數(shù)的變化如圖8所示。

圖8 衛(wèi)星數(shù)變化

由圖8可知，在試驗1中流動站跟蹤到的衛(wèi)星數(shù)最小為18顆，最大是27顆，使用的衛(wèi)星數(shù)最小為5顆，最大是15顆，跟蹤到的衛(wèi)星數(shù)基本比對應(yīng)歷元上使用的衛(wèi)星數(shù)多10顆以上。這是因為使用的衛(wèi)星是基準站和流動站的共視衛(wèi)星，另外高度角小于截止高度角、存在故障的衛(wèi)星也會予以排除，不參與定位解算。

此外，可以計算每個歷元的位置精度因子(PDOP)、幾何精度因子(GDOP)和觀測值殘差的均方根誤差RMS，得到變化曲線如圖9所示。

圖9 精度衰減因子和殘差均方根誤差

由圖9可知，觀測值殘差均在2 cm以內(nèi)，說明觀測值數(shù)據(jù)質(zhì)量較為穩(wěn)定，但是PDOP和GDOP值較大，說明了衛(wèi)星分布幾何構(gòu)型較差。此外，還可以得到定位結(jié)果坐標(biāo)分量的中誤差，并繪制成隨時間變化的曲線，如圖10所示。

圖10 定位結(jié)果中誤差

由圖10可知，N、E方向坐標(biāo)分量的中誤差十分接近，均在4 cm以內(nèi)，而U方向坐標(biāo)分量的中誤差較大，最大中誤差約為0.15 m，但大部分歷元的中誤差都為厘米級水平，說明內(nèi)符合精度較好。

4.2 試驗2分析

鑒于試驗1中測量結(jié)果沒有跟已知坐標(biāo)作比較，為了檢驗本測量系統(tǒng)的絕對定位精度，因此2016年4月1日在寧夏回族自治區(qū)銀川市完成了試驗2，方法是使流動站分別在5個固定點上進行RTK測量，將得到的定位結(jié)果與已知坐標(biāo)進行比較。

由于固定點個數(shù)有限，為了盡可能獲得較多的定位數(shù)據(jù)并進行精度分析，在測試過程中，對每個固定點重復(fù)測量4～5次，每次測量的定位結(jié)果也記錄1～11個歷元，將每次RTK測量定位結(jié)果的坐標(biāo)(WGS-84坐標(biāo))分量分別跟已知坐標(biāo)分量作差，得到定位誤差，誤差的具體數(shù)值見表3。

表3 固定點測量結(jié)果與已知坐標(biāo)比較

由表3可知，各個固定點上每次定位結(jié)果的坐標(biāo)分量(X，Y，Z)的誤差都在厘米級水平，為了便于直觀地分析絕對誤差的分布情況，可將各個點的定位結(jié)果誤差繪制成曲線，如圖11所示。

圖11 試驗2定位誤差

由圖11可以看出，X分量的誤差均在1.5 cm以內(nèi)，Z分量的誤差均在2.5 cm以內(nèi)，Y分量最大不超過6 cm，因為在該地區(qū)高程方向最接近WGS-84坐標(biāo)系的Y軸，而受到衛(wèi)星信號傳播路徑上的誤差影響， 高程方向上的定位精度相對水平方向上的精度要差。但是總體而言，由于在固定點上的遮擋較少，觀測環(huán)境良好，試驗2的結(jié)果表明，基于BD930板卡的RTK測量系統(tǒng)可以達到幾個厘米的定位精度，而物探測量要求平面位置精度也是厘米級[9-10]。

5 結(jié)束語

利用多系統(tǒng)兼容、高靈敏度BD930板卡作為接收機主板進行多系統(tǒng)(GPS、BDS、GLONASS等)組合RTK定位，在密林、峽谷等遮擋嚴重的困難環(huán)境下，可以顯著增加可用衛(wèi)星數(shù)，保證足夠的、質(zhì)量良好的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，從而提高獲得固定解的概率。同時采用移動網(wǎng)絡(luò)通信代替?zhèn)鹘y(tǒng)的無線電搭建差分數(shù)據(jù)鏈，省去了笨重的電臺及其蓄電池，從而使外業(yè)操作更加簡單，提高作業(yè)效率，降低了成本，且數(shù)據(jù)傳輸距離不受限制。此外開發(fā)了一款基于Android系統(tǒng)的測量手簿軟件，利用了藍牙通信技術(shù)控制板卡，該軟件具備較為完善的用戶界面，并提供了一定的可視化功能。實地測試證明，本文研制的RTK測量系統(tǒng)是可行的，在困難環(huán)境下具有一定的適應(yīng)能力，并且能夠獲得較高精度(厘米級)的定位結(jié)果，可以滿足物探測量等實際應(yīng)用的需要。

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DevelopmentofRTKMeasurementSystemBasedonBD930Board

CHANG Yi1,WANG Liang2,HUANG Jinsong2,SHI Xiaoqi1，F(xiàn)ENG Gengxu2,3,WU Jianhua1

(1. Equipment Department of BGP, China National Petroleum Corporation, Yinchuan 750006, China； 2. School of Geodesy and Geomatics, Wuhan University, Wuhan 430079, China； 3. China Electronics Technology Group Corporation 54th Research Institute, Shijiazhuang 050081, China)

Geophysical survey often encounters adverse environment jungle, canyons, narrow ditch and so on. This results in the number of visible satellites reducing and unstable satellite signal. Then it causes the accuracy of the positioning results decrease, working efficiency reduce and so on. Towards this problem,the use of multi-system compatible and highly sensitive BD930 board as the receiver main board is proposed, and the control method of the board is showed. In addition,a set of real-time kinematic positioning hand-book software is developed, and the differential data chain is built through network communication technology. Tests on the performance of the whole measurement system under actual geophysical survey work environment are completed. Results show that to some extent the system improved the ability of RTK to adapt to different environments, the differential data chain built up makes the measurement operation more convenient and efficient, and the needs of engineering application can be met.

geophysical survey; multi-system compatible; BD930 board; differential data chain; RTK

P228.4

A

0494-0911(2017)01-0097-05

暢毅，王亮，黃勁松,等.基于BD930板卡的RTK測量系統(tǒng)研制[J].測繪通報，2017(1)：97-101.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0021.

2016-05-19

中國石油集團東方公司裝備服務(wù)處科研項目(12-13-13-2014)

暢 毅(1966—)，男，高級工程師，主要從事GNSS及測繪新技術(shù)在石油工程測量等科研和應(yīng)用方面的工作。E-mail：chp_2001@163.com