基于事后RTK的廣域無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點低功耗高精度定位模塊設(shè)計

萬育彰，張曉明，熊繼軍，陳 雷，晁正正，閆佳暉

(中北大學 儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室， 太原 030051)

廣域無線傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于侵徹武器的爆炸場采集、道路探傷、地震監(jiān)測等廣域探測工程[1]，通過獲取相應(yīng)的物理場探測或監(jiān)測目標與網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的相對位置，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)的幾何布局，確定目標物的實際位置以及進行環(huán)境監(jiān)測，因此無線傳感測試網(wǎng)絡(luò)節(jié)點是廣域目標探測、定位的“基準點”，只有傳感節(jié)點實現(xiàn)高精度定位才能保證目標物位置的有效性和精度[2]。傳統(tǒng)的道路探傷、侵徹武器炸點定位等廣域物理場采集、監(jiān)測工作中，傳感測量網(wǎng)絡(luò)需要多個數(shù)據(jù)控制中心，每個數(shù)據(jù)控制中心連接上百個傳感測試節(jié)點進行有線連接，節(jié)點按照網(wǎng)絡(luò)布局方案安裝，節(jié)點位置通過人工測量確定(設(shè)定某個點或地標為基點，使用全站儀等地質(zhì)測量儀器確定各節(jié)點與基點的位置關(guān)系)[3]，這樣工作耗時長，節(jié)點位置精度浮動大，而且當測量范圍大、測量地形復(fù)雜時，部分無線傳感測試網(wǎng)絡(luò)節(jié)點無法使用直接目測或手動測量的方法來確定節(jié)點位置，因此考慮使用衛(wèi)星定位方式為傳感測試節(jié)點提供位置信息，廣域無線傳感網(wǎng)絡(luò)需要高精度探測如裂紋、震源、炸點等目標位置，其節(jié)點的定位精度需要達到毫米級，而普通衛(wèi)星定位精度為米級，無法滿足節(jié)點定位需求，RTK定位能夠?qū)崿F(xiàn)毫米級定位，但傳統(tǒng)RTK要求節(jié)點實時接收并處理基站發(fā)出的觀測數(shù)據(jù)，這需要節(jié)點的無線傳輸通訊模塊在節(jié)點定位過程中持續(xù)工作數(shù)小時甚至幾天，且布網(wǎng)范圍較大導(dǎo)致無線傳輸模塊的功率高，即使使用短波傳輸，其功耗也在十瓦級，一般達到幾十瓦以上，大功耗對應(yīng)的高耗電使得因為執(zhí)行監(jiān)測任務(wù)而需要長時間工作的無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點由于電量問題無法實現(xiàn)小體積，另一方面，傳統(tǒng)事后RTK無法為傳感節(jié)點提供同步時鐘，從而采集的物理場數(shù)據(jù)無法具備時間有效性，并且傳統(tǒng)的事后RTK定位速度慢[4]，而根據(jù)本文設(shè)計，較快地獲取高精度節(jié)點位置信息，有利于進一步降低定位模塊的功耗。

針對上述問題，考慮到無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的定位屬于靜態(tài)高精度定位，節(jié)點采集的物理信息需要時鐘統(tǒng)一，定位精度要求達到毫米級并對功耗要求盡可能低的特點，本文提出在事后RTK的基礎(chǔ)上，使用定位模塊輸出的PPS秒脈沖進行時鐘同步，使定位模塊工作10～15 min，將觀測數(shù)據(jù)和星歷文件保存到存儲設(shè)備，任務(wù)結(jié)束后將數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)控制中心，進行RTK定位解算[5]，從而獲取高精度節(jié)點位置與時間零點，通過卡爾曼濾波算法提高定位速度,從而確保使用較短時間輸出的觀測數(shù)據(jù)即可完成高精度定位，達到降低節(jié)點功耗的目的，同時還能保證節(jié)點的定位精度達到毫米級。

1 RTK定位原理與優(yōu)勢

1.1 普通GNSS定位方法

普通GNSS定位使用的是碼測量法，使用單個GNSS接收機即能實現(xiàn)定位，但定位精度為米級[6]，這種方法是通過GNSS接收機對接收到的C/A碼與接收機產(chǎn)生的復(fù)現(xiàn)碼進行相關(guān)運算，得到信號從衛(wèi)星發(fā)射到達接收機的時間，結(jié)合無線電波的傳播速度就得到了接收機與該衛(wèi)星的距離[7]，但由于距離的測量受到時鐘差、電離層、對流層等干擾，碼測量得到的距離與實際距離有偏差，將計算得出的距離稱為偽距，其表達式為:

ρ=r+c(tu-δt)=c(Tu-Ts)

(1)

當接收機能與四個衛(wèi)星(未知量除接收機的位置變量xd、yd、zd坐標外還有時鐘差)建立穩(wěn)定通信后，即可通過如式(2)所示偽距與位置的關(guān)系式構(gòu)建的方程組，求解出接收機的坐標以及接收機與衛(wèi)星的時鐘差[8]。

(2)

即偽距的測量精度決定了碼測量法的定位精度[9]，但由于碼測量法得到的偽距測量值與實際值有較大差距，碼測量法的定位誤差往往會達到3～5 m[10]，不能滿足大地測量中測量節(jié)點高精度定位的要求。

1.2 RTK定位原理

RTK定位為載波相位差分定位法，需要使用兩個GNSS接收機，在待定位節(jié)點處和基站處安裝GNSS定位模塊，兩處同時輸出原始觀測數(shù)據(jù)和星歷文件，將基站與節(jié)點的GNSS定位模塊輸出的觀測數(shù)據(jù)中的載波相位進行差分，結(jié)合基站的位置信息，通過相位差分得到基線向量，這樣得到的向量終點即為節(jié)點位置。這種定位模式示意圖如圖1[11]。

通過計算節(jié)點處衛(wèi)星接收機與基站處接收機的觀測數(shù)據(jù)中載波相位的差值進而求出基線向量，當A為基站，B為節(jié)點，AB兩處接收機同時觀測j，k衛(wèi)星時符合關(guān)系式為[11-12]：

(3)

l=λ(n0-Δφ)

(4)

若衛(wèi)星信號從衛(wèi)星上發(fā)射時載波相位為φ0，到達接收機的載波相位為φ1，則式(4)中n0為(φ1-φ0)的整周期數(shù)，Δφ為(φ1-φ0)結(jié)果中不足一周期的小數(shù)部分，Δφ可以由接收機中的載波跟蹤環(huán)準確測得，但n0不能直接測得，只能通過間接辦法進行估計，因此也稱之為整周模糊度，由此可以看出，RTK測量精度的關(guān)鍵在于整周模糊度估計值與實際值的誤差[12]，當整周模糊度確定后，載波相位測量法測距精度與所測信號波長有關(guān)，波長越小，測距精度越高，且不超過波長[13]。因此從信號本身的精度上看，相位測量法的精度就優(yōu)于碼測量法，同時作為差分測量法，基站處的GNSS接收機還能為節(jié)點接收機提供誤差補償信息，如多普勒頻移、電離層延遲等數(shù)據(jù)[13]，通過事后對基站接收的載波相位與節(jié)點接受的載波相位進行差分，得到基站與節(jié)點構(gòu)成的基線向量，并使用已知位置的基站作為向量起點，補償了誤差，使得其影響被削弱到最小。載波相位測量法的精度在誤差源影響較小情況下，其定位精度為載波波長的1/100，以GPS載波信號為例，其衛(wèi)星信號民用的常用頻點為L1—1 575.42 MHz以及L2—1 228 MHz[14]，無線電波以光速在真空介質(zhì)中傳播，根據(jù)式(5)計算，可得出GPS衛(wèi)星信號載波波長為0.19 m，因此一般情況下定位精度能達到0.001 9 m即實現(xiàn)毫米級定位。

λ=c/f

(5)

因此RTK的定位精度可以達到毫米級，滿足廣域測量網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的定位精度要求[15]。

2 無線傳感測量網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成

廣域無線傳感網(wǎng)絡(luò)主要由數(shù)據(jù)控制中心、無線通信中繼站、GNSS基站以及傳感節(jié)點等構(gòu)成[16]。其中數(shù)據(jù)控制中心控制網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點的工作狀態(tài)以及對節(jié)點所采集數(shù)據(jù)的處理，節(jié)點負責其安裝區(qū)域的物理信息采集，GNSS基站為節(jié)點RTK定位提供基點信息，而無線通信中繼站則保證了系統(tǒng)大范圍測量時，數(shù)據(jù)控制中心與各節(jié)點能夠成功通訊，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

因此節(jié)點作為整個系統(tǒng)的“感知單元”，其信息獲取的準確性決定了系統(tǒng)能夠準確完成監(jiān)測任務(wù)。無線傳感測試節(jié)點硬件構(gòu)成框圖如圖3。

通過傳感模塊采集指定的物理場，GNSS定位模塊為節(jié)點提供位置信息以及為傳感網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點提供統(tǒng)一時鐘，并將這物理場采集數(shù)據(jù)和位置數(shù)據(jù)處理后存入存儲模塊，定位模塊工作10 min后進入待機模式，僅提供同步時鐘，從而在保證傳統(tǒng)事后RTK所具備的高精度和較實時RTK低功耗基礎(chǔ)上，進一步降低了功耗還保證了傳感網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點采集的物理場數(shù)據(jù)實現(xiàn)時間同步，而無線通訊模塊用于接收數(shù)據(jù)控制中心的控制指令，只在測試開始和結(jié)束時工作。節(jié)點的模塊構(gòu)成中，MCU處理、供電、信號調(diào)理、信號采集等模塊不是本文重點，不在此進行詳細描述，重點展開對實現(xiàn)事后RTK相關(guān)的硬件電路模塊，即GNSS模塊和存儲模塊的詳細說明。

2.1 GNSS模塊硬件設(shè)計

GNSS定位模塊是實現(xiàn)事后RTK并在其基礎(chǔ)上為傳感網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點提供統(tǒng)一時鐘的硬件模塊，因此需要選擇一款能夠輸出觀測數(shù)據(jù)和星歷文件(事后RTK使用)和高精度PPS秒脈沖的衛(wèi)星信號接收芯片作為模塊核心，經(jīng)過查找相關(guān)芯片選擇符合上述要求的Ublox NEO_M8T作為模塊的GNSS接收芯片，該芯片需要穩(wěn)定的5 V電壓供電，因此模塊硬件電路還需包含5 V穩(wěn)壓芯片以及相關(guān)外圍的阻容，構(gòu)成RC濾波網(wǎng)絡(luò)，以保證供電電壓的穩(wěn)定，再配合必需的衛(wèi)星信號接收天線接口及衛(wèi)星信號輸入線，這樣就構(gòu)成了如圖4所示的測試節(jié)點定位模塊結(jié)構(gòu)框圖。

定位模塊通過串口進行數(shù)據(jù)的輸出與輸入，輸入的內(nèi)容主要是控制指令，用于配置NEO_M8T的相關(guān)工作狀態(tài)以及部分附加功能的開啟或關(guān)閉，在進行配置時，考慮到數(shù)據(jù)可存儲性以及后期處理的便捷，將模塊輸出數(shù)據(jù)(觀測數(shù)據(jù)和星歷文件)格式配置為十六進制的UBX文件，由于傳統(tǒng)的事后RTK僅作為一項較實時RTK低功耗的高精度定位技術(shù)使用，而沒用充分使用其具有授時功能的PPS秒脈沖，尤其在物理場采集或監(jiān)測工程中，物理場隨時間變化，傳感網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點時鐘統(tǒng)一十分必要，因此，在事后RTK基礎(chǔ)上利用芯片能輸出高精度PPS秒脈沖，其時鐘精度≤20 ns，將其配置供節(jié)點內(nèi)物理場采集模塊的高精度ADC使用的8 MHz時鐘信號，并將PPS秒脈沖輸出引腳與ADC的時鐘輸入引腳相連，在讀取模塊輸出的時間信息，即可實現(xiàn)各傳感節(jié)點采集數(shù)據(jù)時間同步，而前面配置的UBX格式的觀測數(shù)據(jù)和星歷文件則通過串口保存到存儲設(shè)備中。天線接口選用常見的MCX接口，特征阻抗為50 Ω，因此在進行PCB設(shè)計時需要注意衛(wèi)星信號線的阻抗匹配問題。

2.2 存儲模塊硬件設(shè)計

當定位模塊設(shè)計完成并能夠工作后，定位模塊即可通過串口輸出RTK所需的數(shù)據(jù)信息，這些數(shù)據(jù)通過串口存儲模塊保存至TF卡等存儲設(shè)備中，事后將存儲的數(shù)據(jù)導(dǎo)入電腦進行RTK處理，串口存儲模塊原理框圖如圖5。

通過定位模塊和串口存儲模塊的硬件設(shè)計，將串口存儲模塊的串口與定位模塊的串口對應(yīng)線相連，即可實現(xiàn)將定位模塊輸出的RTK所需數(shù)據(jù)存儲至存儲設(shè)備中的功能。

2.3 低功耗定位方案設(shè)計

無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點體積小，且由電池獨立供電，因此在長達數(shù)小時甚至幾天的物理場采集或目標區(qū)域物理場監(jiān)測等任務(wù)中，低功耗尤為重要。即便是在實時RTK基礎(chǔ)上通過減少無線鏈路通訊時間降低了功耗的事后RTK在如此長時間工作情況下，功耗仍然太高，這也是目前主流的物理場測量工程中，傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點不使用衛(wèi)星定位的主要原因。因此針對工程特征，傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點在安裝完畢后靜止，屬于靜態(tài)定位，因此一旦獲取其高精度位置結(jié)果后，定位模塊可以進入待機狀態(tài)，不在解算衛(wèi)星信號以降低功耗，即通過控制定位模塊的工作時間來實現(xiàn)降低節(jié)點的平均功耗，具體方案流程如圖6所示。

在工程開始時，首先進行模塊自檢，由于希望盡可能地減少使用無線通訊的時間，因此使定位模塊在正常工作狀態(tài)運行，并通過無線通訊模塊接收1～2 min由定位模塊輸出的數(shù)據(jù)，通過查看數(shù)據(jù)幀是否完整有效，判斷定位模塊是否工作正常，在確定定位模塊正常工作后，模塊輸出數(shù)據(jù)存入存儲卡中并保持工作狀態(tài)15 min(經(jīng)過測試15 min輸出的數(shù)據(jù)可得到高精度定位結(jié)果)，隨后定位模塊進入待機狀態(tài)，僅為隨后進行物理場采集工作的傳感網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點的傳感采集模塊提供統(tǒng)一的時鐘信號即可，由此，在長達數(shù)小時甚至數(shù)天的物理場采集、監(jiān)測任務(wù)中，傳感網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點的定位模塊的正常工作時間僅不到20 min，因此大大降低了由定位模塊產(chǎn)生的耗電，即在事后RTK的基礎(chǔ)上進一步降低了功耗。

3 定位實驗及數(shù)據(jù)處理

3.1 定位實驗

為驗證事后RTK定位精度以及功耗，展開了室外GNSS定位實驗，首先將基站與節(jié)點的天線固定在不同位置的支架上，并在實驗開始前，測量了基站與節(jié)點的距離為6.85 m，為后期驗證定位精度提供對照，隨后基站與節(jié)點的接收機同時上電，接收衛(wèi)星信號并將星歷文件和觀測數(shù)據(jù)存入存儲卡中，工作16 min后下電，分別讀取基站與節(jié)點的存儲卡，并對其中數(shù)據(jù)進行處理得到最終的定位結(jié)果，實驗現(xiàn)場如圖7。

3.2 數(shù)據(jù)處理

接收機輸出的數(shù)據(jù)處理是將模塊輸出的UBX數(shù)據(jù)分離并轉(zhuǎn)換為RTK定位所用的RENIX文件最終通過RENIX文件得到位置信息，其具體流程如圖8所示。

為方便數(shù)據(jù)處理，將接收機輸出數(shù)據(jù)格式設(shè)置為十六進制的UBX協(xié)議，并根據(jù)RTK解算，需要接收機提供原始觀測數(shù)據(jù)以及星歷文件，配置模塊僅輸出UBX協(xié)議下的AID-ALM、RXM-SFRBX以及RXM-RAWX三種數(shù)據(jù)幀，其中第一項為星歷文件，第二項為導(dǎo)航數(shù)據(jù)子幀，第三項為觀測數(shù)據(jù)，這三類信息對應(yīng)的數(shù)據(jù)在定位作業(yè)過程中不斷輸出，并通過串口存儲模塊存儲到SD卡中，數(shù)據(jù)輸出的頻率可設(shè)置為1～10 Hz，考慮到數(shù)據(jù)輸出頻率高有利于提高定位精度，將數(shù)據(jù)輸出頻率設(shè)置為10 Hz。在定位作業(yè)結(jié)束后，讀取存儲卡中存儲的數(shù)據(jù)文件—UBX文件，將UBX文件導(dǎo)入到RTKLIB中，即可得到單個模塊的RENIX格式的O文件和N文件，其中O文件為觀測文件，主要內(nèi)容為該模塊觀測到的衛(wèi)星信號的載波相位、C/A碼偽距、多普勒頻率以及信噪比等內(nèi)容。N文件為導(dǎo)航文件，用于提供該模塊觀測到的衛(wèi)星的軌道參數(shù)，結(jié)合時間即可確定衛(wèi)星此時的具體位置，同時由于衛(wèi)星軌道變化緩慢，因此還能對該時間點以后的一段時間內(nèi)衛(wèi)星位置進行預(yù)測，通過模塊輸出的UBX數(shù)據(jù)文件處理后生成的O文件和N文件內(nèi)容如圖9(a)、(b)所示。

因此結(jié)合O文件和N文件內(nèi)容即可獲取接收機與衛(wèi)星的距離以及對應(yīng)衛(wèi)星的位置，從而根據(jù)式(2)所示定位原理即可求出接收機的大致位置，同時通過結(jié)合Kalman濾波提高定位精度，其具體流程如圖10所示。

圖10流程中最后求得的固定解即為精確定位結(jié)果，而之前的浮點解即表現(xiàn)為一段漂浮的定位散點結(jié)果。

通過對固定解進行數(shù)據(jù)分析求出，普通定位下X軸標準差為1.304 m，Y軸標準差：1.391 3 m，Z軸標準差：1.987 3 m，顯然普通定位精度達不到傳感測試網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的定位精度要求。進而探究RTK定位精度，RTK需要節(jié)點與基站兩處接收機的觀測文件，以及兩者中任意一個接收機輸出的導(dǎo)航文件，從而通過載波相位差分得到基線向量，再給出基站的位置，基線向量起點為基站位置，即可求出終點，即節(jié)點的精確位置，通過數(shù)據(jù)分析得出，RTK定位結(jié)果中，X軸標準差：0.002 7 m，Y軸標準差：0.005 1 m，Z軸標準差：0.003 5 m，均到達毫米級定位誤差，滿足監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)對網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的定位精度要求。定位結(jié)果散點圖如圖11所示，將兩種定位方法的數(shù)據(jù)分析結(jié)果如表1。

表1 兩種定位方法定位精度

同時對PPS同步時鐘信號進行了測試，結(jié)果如圖12，由圖12中可以看出，時鐘精度可達納秒級。

由于傳統(tǒng)WGS84坐標系給出的定位結(jié)果為經(jīng)緯高，不方便數(shù)據(jù)分析，因此在ECEF坐標系下給出定位結(jié)果并以此進行數(shù)據(jù)分析，而后轉(zhuǎn)換為以基站位置為原點的基站坐標系形式給出，計算基站與節(jié)點距離，求RTK定位結(jié)果的均值并得出RTK解算下節(jié)點與基站距離為6.853 5 m，與實驗前測量的基站與節(jié)點實際距離相差3.5 mm，驗證了事后RTK定位結(jié)果精度可達到毫米級，同時，單個節(jié)點的定位模塊僅使用一根無源GPS天線，并通過統(tǒng)計事后RTK硬件所使用的各個芯片的功耗得出，事后RTK硬件功耗為132 mW，而市面上RTK產(chǎn)品的功耗普遍在5～30 W之間，即事后RTK定位在保證高精度定位結(jié)果的前提下實現(xiàn)了低功耗。

4 結(jié)論

1) 本文給出了RTK定位符合節(jié)點定位精度要求，但同時存在功耗大、無法實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點時鐘同步的問題。

2) 在硬件系統(tǒng)設(shè)計及定位方案上創(chuàng)新，使用定位模塊輸出的秒脈沖，使各節(jié)點采集數(shù)據(jù)實現(xiàn)時間同步。

3) 通過加入卡爾曼濾波提高定位速度，以及運行一段時間定位模塊，當數(shù)據(jù)足夠獲取高精度位置信息后使定位模塊待機，從而在傳統(tǒng)事后RTK基礎(chǔ)上實現(xiàn)高精度定位并有效降低功耗。

4) 通過定位實驗結(jié)果驗證了事后RTK能實現(xiàn)毫米級定位，滿足野外物探以及大地測量對測試網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的定位精度要求，且時鐘同步精度也達到要求，并且硬件系統(tǒng)功耗低達132 mW。

5) 這一創(chuàng)新使較小體積的電池能保證節(jié)點系統(tǒng)工作數(shù)小時，節(jié)點在小體積基礎(chǔ)上能夠順利完成物理場的采集、監(jiān)測任務(wù)。