北斗高精度定位系統(tǒng)設計及其差分定位精度分析

冒蓉

（中國兵器工業(yè)集團 北方信息控制研究院集團有限公司，江蘇 南京211153）

許多物料廠普遍存在物料成堆存放，貨車進出料場采用刷卡有一定監(jiān)管過程，鏟車向貨車堆貨缺乏監(jiān)管，造成貨車與鏟車司機串通對物料廠造成巨大損失，物料廠24 小時作業(yè)，采用人工監(jiān)管手段需耗費大量人力，采用定位方式識別記錄鏟車的位移，可以把控物料的管理。技術的關鍵是定位方式，目前市面上通用定位技術有衛(wèi)星定位，WiFi 定位等，衛(wèi)星定位應用最普遍，GPS 對民用領域限制，精度僅達到10m 左右，北斗定位系統(tǒng)可達到2.5m 的精度，配合地面基站增強定位，選用北斗可以很好的監(jiān)測鏟車軌跡。

1 衛(wèi)星定位導航原理

衛(wèi)星定位采用無線電測距方式，光速量級很大需要測得時延精確，衛(wèi)星原子鐘誤差可達到每2000 萬光年1 秒，但原子鐘價格昂貴，一般用戶采用石英晶振，但誤差比原子鐘大1 萬倍。定位要指導用戶經(jīng)緯度與時鐘，每顆衛(wèi)星可測一次距離，需同時收到四顆衛(wèi)星發(fā)射信號。衛(wèi)星原子鐘每日通過地面校準，傳播時延收到天氣等多種因素影響[1]。

采用單純衛(wèi)星定位精度只能到米級，衛(wèi)星定位收到多種因素影響產(chǎn)生誤差，衛(wèi)星軌道誤差的影響對定位精度影響最大?？刹捎貌罘侄ㄎ患夹g，在已知精確坐標點建立地面觀測基站，通過衛(wèi)星坐標得到坐標數(shù)據(jù)，與已知數(shù)據(jù)插值作修正值發(fā)送終端用戶，可通過修正值修正自身位置信息，使精度達到亞米級。

鏟車軌跡識別系統(tǒng)框架

RTK 差分定位技術得到廣泛應用，RTK 是實時動態(tài)差分測量技術，可以測得觀測站指定坐標系中三維定位結(jié)果，最早應用于GPS 高精度定位，在北斗高精度定位中得到快速推廣?；鶞收緦y得載波相位值通過廣播發(fā)送終端用戶，采用動態(tài)差分算法求得與基準站相對位置，根據(jù)坐標值求得用戶瞬時坐標位置，可以通過無線電臺進行數(shù)據(jù)的廣播。RTK 技術的優(yōu)點是誤差可達厘米級，具有超高的作業(yè)效率，采用RTK 技術可達到全天候測量，其缺點是受電離層影響，衛(wèi)星狀況限制，基站覆蓋范圍受到無線通信距離影響。實際工作中要對使用儀器設備有充分的了解，合理規(guī)劃作業(yè)流程。

2 鏟車軌跡識別系統(tǒng)硬件設計

基于北斗衛(wèi)星定位的鏟車軌跡識別系統(tǒng)包括監(jiān)控中心，地面增強基站與車載終端設備。首先，確定物料堆放范圍，定義物料范圍近似圓，絕對坐標可通過衛(wèi)星定位精確得到。其次，確定鏟車位置及物料堆的關系，通過鏟車位移判斷鏟車行駛方向，根據(jù)鏟車運動軌跡判斷運動階段，通過分析鏟車運動階段識別鏟車裝載行為。

衛(wèi)星系統(tǒng)以北斗導航為主，目前衛(wèi)星導航模塊大多支持北斗模式，地面基站可租用現(xiàn)有基站服務，主要按月繳納數(shù)據(jù)業(yè)務費用。自行搭建基站成本較高，監(jiān)控中心主要由計算機與物料廠WiFi 玩兩個覆蓋系統(tǒng)組成，設備終端以嵌入式先進精簡指令集微處理器芯片為核心組成車載智能化設備。鏟車軌跡識別設備以ARM芯片處理器為核心，包括傾角傳感器模塊IC 讀卡器模塊，語音合成播報模塊，顯示器模塊[2]。

終端用戶設備核心選用ARM處理器，可選用現(xiàn)場可編程邏輯門陣列芯片，如搭載操作系統(tǒng)做算法處理，選用S3C2440ARM處理器。采用哈佛架構(gòu)體系，具備內(nèi)存管理單元，具有豐富的片上外設資源。傾角傳感器用于判斷車碧所處角度，判斷鏟車物料動作狀態(tài)，選用SCA100T-002 高精度傳感器芯片，具有較高的精度。高精度定位定向模塊是鏟車軌跡識別的關鍵硬件， 應選擇高性能的多模式定位芯片。GT-1612-MTBD 模塊，可切換定位模式為GPS 與北斗雙模。

電子指南模塊選用GY-26 芯片，是平面數(shù)字羅盤模塊，工作原理是通過磁傳感器相互垂直軸感應磁場磁分量得出方位角度，芯片具有重新標定功能，具有硬件校準功能，適應不同的工作環(huán)境。IC 卡讀卡器模塊用于讀取IC 中的信息，將需要寫入的信息寫入IC 卡中，選用MFRC522 芯片，體積小，成本低。語音模塊發(fā)送鏟車司機的重要信息語音播報，如司機到錯誤物料堆區(qū)域發(fā)出警告，語音合成模塊由語音合成芯片，揚聲器組成。

3 北斗高精度定位系統(tǒng)實現(xiàn)驗證

可采用中心打點法測得中心坐標位置，要保證高精度增強基站與WiFi 網(wǎng)絡建成，將車載定位設備放置在物料堆中心點，保證設備供電正常，設備自動運行，通過靜態(tài)位置測試得到精度高的位置信息，可達到10cm 的精度。

計算鏟車位置角度數(shù)據(jù)以正北方向為0°角為基準，不同地點磁偏角不同，監(jiān)控中心修正值修整設備上傳方位信息，終端設備上傳方位信加修正值為實際需要的方位信息。全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)天線采用高精度地質(zhì)羅盤定北，要先校正當?shù)氐拇牌牵赏ㄟ^網(wǎng)絡查詢，指北針結(jié)果較為粗略。軌跡識別模塊基本完成基本工程實現(xiàn)。

采用GNSS 測量天線，固定解輸出定位信息，選擇間隔約101 的固定點測試，用谷歌地球1m 分辨率加標尺測量點偏差距離。在500m 內(nèi)精度可達到厘米級。100m 范圍內(nèi)采用GNSS 測量天線，用谷歌地球1m 分辨率分析，用合眾UP871 作基準站。去除車輛行走中的搖擺等因素，流動站定位精度達到10cm 左右。

鏟車車載終端讀取IC 卡信息，監(jiān)控中心從地圖中獲取II中心絕對經(jīng)緯度坐標PU 及物料II 最大區(qū)域半徑為25m，鏟車運行速度大于1km/h，判斷鏟車向物料II 區(qū)前進。鏟車速度小于1km/h，通過車載設備定位定向模塊獲取鏟車實際方位角φ 為83.34°，通過鏟車位置信息O 及物料中心位置信息，計算鏟車指向物料中心角度為33.69°，分析得到φ2 為78.69°，可判斷鏟車裝載物料錯誤，避免鏟車司機錯裝物料。

鏟車車載讀取IC 卡信息，監(jiān)控中心從地圖獲取IV 中心絕對經(jīng)緯度坐標P 及物料最大區(qū)域半徑為20m，鏟車速度小于1km/h，通過車載設備定位定向模塊獲取鏟車實際方位角φ 為100.53°，通過鏟車位置信息O 及物料中心位置信息，計算鏟車指向物料中心角度為82.7975°，分析得到φ2 為127.7975°，可判斷鏟車裝載物料正確。鏟車速度大于1km/h，判斷鏟車向貨車卸載物料IV。鏟車裝載累計次數(shù)達到裝載次數(shù)5。避免司機多裝物料。通過反復模擬實驗取得良好效果，效率高，防止了人工管理造成各種糾紛，未發(fā)生明顯差錯事故，切實保障了貨場的經(jīng)濟利益。