一種基于邊緣計算的RTK定位方法

吳肖伶， 張記會， 龔星衡， 邵澤瑞， 張衛(wèi)華

(四川大學計算機學院， 成都 610065)

1 引 言

一般意義上的GPS定位通常指偽距定位或者載波相位定位[1]，這種方法需要GPS接收機在同一時間能夠觀測到4顆以上的衛(wèi)星，根據(jù)測量GPS接收機與衛(wèi)星間的距離及從衛(wèi)星導航電文中獲取的衛(wèi)星瞬時坐標，通過距離交匯法解算出GPS接收機所在的空間坐標.其中，偽距定位是通過光速與衛(wèi)星發(fā)送的測距碼信號到達GPS接收機經(jīng)過的時間相乘，測量衛(wèi)星與GPS接收機的偽距；而載波相位定位則是通過載波信號從衛(wèi)星到達GPS接收機時的相位差與載波波長的相乘來計算衛(wèi)星與GPS接收機間的距離，相較偽距定位，載波相位定位具有更高的定位精度，理論上能夠達到毫米級精度，但其測量與偽距定位一樣易受電離層、多路徑、天氣等誤差源的干擾，通常達不到其理論精度.

為了降低電離層、天氣等環(huán)境因素對定位的影響，美國Trimble公司提出了一種實時動態(tài)載波相位差分(Real-Time kinematic, RTK)定位技術，實現(xiàn)了在移動中全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System，GNSS)數(shù)據(jù)的瞬時更新，同時擁有較高的定位精度.RTK是一種基于載波相位觀測值的實時動態(tài)定位技術，與GPS定位不同的是，RTK定位采用了差分定位的技術，通過架設基準站并將基準站數(shù)據(jù)與流動站數(shù)據(jù)進行差分解算獲取流動站的精確位置，當流動站處于基準站周圍一定范圍內(nèi)時，流動站可視作與基準站處于相同定位環(huán)境下，由于基準站坐標已知，即可降低環(huán)境因素對定位帶來的誤差，達到比GPS定位更為精確的結(jié)果[2].

針對傳統(tǒng)RTK定位方案成本頗高的問題，本文提出了一種邊緣計算環(huán)境下的RTK實現(xiàn)方案E-RTK(Edge Real-Time Kinematic)，通過將流動站的解算工作移至邊緣設備，降低流動站對算力的要求，使得流動站能夠使用更低性能的處理機進行實現(xiàn)，以降低定位的硬件成本.在此基礎上，本文對上述E-RTK方案進行了樣機實現(xiàn)，并在該樣機上使用GPS+BEIDOU衛(wèi)星數(shù)據(jù)與GPS+GLONASS衛(wèi)星數(shù)據(jù)進行了兩組定位對照實驗.實驗結(jié)果表明，本文提出的E-RTK定位方案能夠達到厘米級精度，與傳統(tǒng)RTK定位精度相當；除此之外，在當前的軟硬件條件下，采用GPS+BEIDOU數(shù)據(jù)進行E-RTK定位具有更大優(yōu)勢.

2 研究現(xiàn)狀

RTK本質(zhì)上是對傳統(tǒng)衛(wèi)星定位技術的一種拓展與優(yōu)化，它通過相位差分降低了環(huán)境因素對傳統(tǒng)衛(wèi)星定位的影響，將定位精度提升了一個層次，擴大了衛(wèi)星定位技術的使用范圍.該技術于20世紀90年代一經(jīng)問世便迅速成為衛(wèi)星定位相關領域的研究熱點，其成果被廣泛應用于測量、工程及自動化等各個行業(yè). 文獻[3]將RTK應用于實時工程測量，根據(jù)工程測量放樣和定位，提出了GPS-RTK在實時工程測量中的應用方法，并對其進行了程序?qū)崿F(xiàn)；文獻[4]將RTK應用于移動機器人導航及其測量數(shù)據(jù)的地理信息處理，提出了一種新的移動機器人區(qū)域路徑點導航方法，該方法較為簡單，且具有不錯的魯棒性; 文獻[5]將RTKLIB(一項開源RTK定位源代碼)移植到樹莓派開發(fā)板上，并通過NTRIP協(xié)議與基準站進行通信，提出了一種RTK定位的低成本實現(xiàn)，并將其用于無人機導航；2018年，文獻[6]針對城市等狹窄區(qū)域的RTK定位通常存在的多路徑及衛(wèi)星信號斷續(xù)問題，將RTK定位與INS慣性導航結(jié)合，提出了一種緊耦合的RTK/INS算法，該算法能夠在城市等區(qū)域提供更加準確可靠的定位結(jié)果；2019年，丁曦等人通過冰面地形內(nèi)插及測線交叉點比對兩種方式對2013～2015年三期RTK數(shù)據(jù)進行分析，將RTK-GPS應用與北極冰川高度研究，取得了不錯成果[7].

近年來，隨著中國北斗導航衛(wèi)星(BEIDOU Navigation Satellite System, BDS)的日漸成熟，各類基于BEIDOU+GPS衛(wèi)星數(shù)據(jù)的RTK定位研究開始浮現(xiàn).Teunissen等人的研究表明使在用GPS與北斗導航衛(wèi)星結(jié)合進行RTK定位時，由于具有更多的衛(wèi)星可用，使得其具有更大的截止仰角，能夠顯著提高GNSS在城市及低海拔多路徑受限條件下的適用性[8];2016年，Odolinski等人將GPS與BEIDOU結(jié)合進行單頻雙系統(tǒng)RTK定位，并將其與雙頻單系統(tǒng)GPS-RTK進行了比較，其實驗證明，使用BEIDOU結(jié)合GPS進行RTK定位將比雙頻單系統(tǒng)具有更大的截止仰角，同時由于使用了更便宜的單頻Ublox接收機，該系統(tǒng)能夠以更低的成本進行實現(xiàn)[9]；2018年，Nobuaki Kubo等建立了一種混合GPS+BEIDOU的RTK定位模式，并通過芯片級原子鐘輔助估計接收機的時鐘誤差，以達到更高的定位精度，其實驗表明混合定位模式比普通RTK-GNSS系統(tǒng)的定位Fix率高10%左右[10].

在RTK相關技術的日趨成熟的同時，其制造成本卻成了RTK定位技術發(fā)展的一大阻礙.這一方面是因為定位天線等配件的成本限制；另一方面則是因為在傳統(tǒng)RTK定位中，計算任務分散在基準站與流動站中，導致兩者都需要較高的算力，從而間接增大了成本.本文對某電商平臺的RTK設備價格區(qū)間進行了統(tǒng)計，具體結(jié)果如1所示.

圖1 某電商平臺不同價格區(qū)間RTK設備的占比

而另一方面，而隨著5G網(wǎng)絡等相關技術的發(fā)展，邊緣計算逐漸成為近年的研究熱點，且各界對于結(jié)合RTK與邊緣計算的研究還處于起始階段.基于以上情況，本文為解決RTK定位的成本問題，提出了一種基于邊緣計算的RTK定位，將計算任務集中在基準站，降低了流動站的硬件需求，從而達到降低成本的目的.

3 邊緣RTK定位

傳統(tǒng)RTK定位是于流動站接收GNSS數(shù)據(jù)，并結(jié)合從基準站傳輸而來的基準站GNSS數(shù)據(jù)，在流動站進行解算得到流動站的精確坐標信息，其整體結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖2 傳統(tǒng)RTK的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)RTK定位系統(tǒng)一般由RTK流動站和RTK基準站組成.其中，RTK基準站通常由一個GNSS天線、一個GNSS接收機以及一個處理機組成，其通常位于一個坐標已知點，并通過GNSS天線及GNSS接收機接收來自衛(wèi)星的GNSS數(shù)據(jù)，經(jīng)處理機處理后將其分發(fā)給流動站；流動站的硬件構(gòu)成與基準站相似，不同之處在于，流動站除了通過GNSS天線及GNSS接收機接收來自衛(wèi)星的GNNS數(shù)據(jù)外，其處理機同時會接收來自基準站的參考GNSS數(shù)據(jù).通過對這兩組GNSS數(shù)據(jù)進行差分解算，流動站即可得到其本身所處位置的精準坐標數(shù)據(jù).圖3展示了傳統(tǒng)RTK的大致定位流程.

圖3 傳統(tǒng)RTK定位流程

本文提出了一種基于邊緣計算的實時動態(tài)載波相位差分定位方法E-RTK(Edge Real-Time Kinematic).其總體結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)RTK相似，但在基準站處將處理機替換成了算力更強的邊緣設備.圖4展示了E-RTK的具體結(jié)構(gòu).

圖4 E-RTK的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

與傳統(tǒng)RTK定位的流動站解算不同，E-RTK的解算任務在邊緣設備進行.通過在邊緣設備上安裝GNSS天線及GNSS接收機，使其在充當計算節(jié)點的同時，也具備RTK基準站的功能.而流動站只需要進行簡單的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的工作，降低了其對硬件性能的需求.從系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)上來看，數(shù)據(jù)的流向由從基準站到流動站變?yōu)榱藦牧鲃诱镜交鶞收?，但?shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程并沒有變復雜，仍然是單向單次傳輸.因此，邊緣計算并不會給E-RTK帶來更多的數(shù)據(jù)傳輸延遲，也不會因此造成解算性能的下降.其大致的定位流程如圖5所示.

圖5 E-RTK的定位流程

E-RTK實現(xiàn)了計算任務的集中化，使流動站能夠使用更加低性能、廉價的處理機進行制造.而邊緣設備對算力的需求將會增加，但由于其能夠同時為多個流動站提供解算服務，綜合成本將會比傳統(tǒng)RTK更低.同時，邊緣設備的電源環(huán)境優(yōu)于流動站電源環(huán)境，能夠使系統(tǒng)硬件性能得到充分發(fā)揮，且能夠較大程度的提高流動站的續(xù)航能力.除此之外，E-RTK可降低流動站損壞、遺失造成的損失，在一定程度上減小了RTK定位網(wǎng)絡的擴展成本，有利于RTK定位在工農(nóng)業(yè)等領域的普及.

4 實驗與分析

為了驗證上述E-RTK的可行性及實際性能，同時探究該E-RTK的最佳運行參數(shù)及配置，本文對上述E-RTK進行了樣機實現(xiàn)，并采用GPS+GLONASS與GPS+BEIDOU兩種衛(wèi)星系統(tǒng)組合來對樣機進行了定位實驗.

4.1 實驗樣機

樣機實現(xiàn)的重點在于相關硬件的選擇以及編寫程序?qū)崿F(xiàn)RTK計算任務的邊緣化.

組成E-RTK設備的硬件必須具備在保證其定位性能的情況下使成本盡可能降低的特點.因此，本文在基準站方面使用ASUSRT-ACRH17開源路由器作邊緣設備，該路由器在硬件配置上擁有四核ARMCortex A7處理器、128 MB Flash及256 MBRAM.除此之外，該基準站還配備一只u-blox neo m8tGNSS接收器及一顆三系統(tǒng)單頻天線，該天線的接收頻率范圍為：GPSL1 1575.42 MHz、GLONASSL1 1602 MHz、BEIDOU B1 1561 MHz、GALILEOE1 1575.42 MHz.流動站使用的GNSS接收器及天線與基準站相同，其處理機則是一塊Wemos D1 mini pro開發(fā)板，該開發(fā)板集成了32位Tensilica L106處理器，CPU時鐘頻率為80 MHz/160 MHz，且具備16 MB Flash.上述各個硬件設備的購買單價如表1所示.

表1 樣機各配件價格

在軟件方面，E-RTK的基站邊緣設備運行Openwrt開源路由器系統(tǒng)，同時使用編譯自開源項目RTKLIB的RTKRCV程序充當基礎解算工具[11].同時，對于流動站，本文使用C/C++對開發(fā)板進行編程定制，實現(xiàn)基準站連接及保持、定位模塊初始化及GNSS數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)等功能.

圖6 常見RTK設備價格對比

本文對上述E-RTK及常見的部分傳統(tǒng)RTK的基準站和流動站價格進行如圖6所示的對比.可以發(fā)現(xiàn)，E-RTK成本遠低于常見的傳統(tǒng)RTK.除此之外，對于傳統(tǒng)RTK設備，流動站與基準站價格相同，E-RTK的流動站單價明顯低于基準站，而對于RTK應用來說，流動站的數(shù)量是明顯多于基準站的，因此E-RTK更有利于RTK定位網(wǎng)絡的擴展.

4.2 實驗結(jié)果

本文采用靜態(tài)測試的方式來對上述E-RTK定位樣機進行實驗.在每個實驗中均使用兩組衛(wèi)星數(shù)據(jù)組合進行對比測試，一組采用GPS+GLONASS，另一組采用GPS+BEIDOU，采樣率均為5 Hz.

4.2.1 精度測試 本文首先對上述E-RTK的定位精度進行測試，測試方法為在基準站與流動站均靜止不動的情況下，待定位收斂為Fix狀態(tài)后，觀察每組測試中定位位置的偏移范圍，具體實驗結(jié)果如圖7所示.

(a) GPS+GLONASS

由圖7可以看出，兩組實驗的定位精度均在1 cm以內(nèi).其中GPS+GLONASS組的定位位置偏移范圍大約為0.9 cm，GPS+BEIDOU組定位位置偏移范圍在0.7 cm左右.圖8展示了定位在East-West、North-South及Up-Down三個方向的偏移范圍.

由圖8觀察可以發(fā)現(xiàn)，該E-RTK定位系統(tǒng)在水平方向上的定位精度明顯高于其在垂直方向上的定位精度，除此之外，相較于GPS+GLONASS組的實驗結(jié)果，GPS+BEIDOU組在3個方向的定位上均具備更好的精度.

4.2.2 Fix速度測試 RTK定位結(jié)果一般具備兩種狀態(tài)，即Float狀態(tài)與Fix狀態(tài)，F(xiàn)loat狀態(tài)下的結(jié)果位置波動較大，可靠性相對較低，而Fix狀態(tài)下的定位結(jié)果為穩(wěn)定結(jié)果，位置波動較小，可靠性更高.因此，能否更快的到達Fix狀態(tài)是衡量RTK定位系統(tǒng)性能的重要因素，該因素通常被稱作Fix速度.

(a) GPS+GLONASS

Fig.8 The offset range of the positioning position in three directions

本文針對上述E-RTK樣機使用兩組衛(wèi)星數(shù)據(jù)組合的Fix速度進行了測試.實驗方法為在基準站解算結(jié)果為Fix狀態(tài)后，保持基準站解算程序運行，關閉流動站，等待30 s后重新啟動流動站，記錄基準站從重新收到流動站GNSS數(shù)據(jù)到基準站解算結(jié)果達到Fix狀態(tài)所需要的時間.實驗結(jié)果如圖9所示.

圖9 Fix速度實驗結(jié)果

在10次實驗中，GPS+GLONASS組可用衛(wèi)星數(shù)量為10顆，而GPS+BEIDOU組則有15顆衛(wèi)星可用.在此條件下，GPS+GLONASS組的Fix時長平均為20.92 s，而GPS+BEIDOU組的平均Fix時長為14.72 s，較GPS+GLONASS組縮短了29.64%左右.

4.3 實驗分析

針對上述實驗結(jié)果, 本文進行了如下分析：在當前軟硬件及參數(shù)條件下，E-RTK使用GPS+GLONASS衛(wèi)星數(shù)據(jù)定位與使用GPS+BEIDOU衛(wèi)星數(shù)據(jù)定位的精度相當.而在Fix速度上，GPS+BEIDOU組具有一定的優(yōu)勢，其中一部分原因是因為GPS與GLONASS頻譜相同，而BEIDOU使用了不同的通信頻段，在組合GPS與BEIDOU進行定位時，由于信號頻譜不同，多路徑效應的影響受到了削弱，同時對信號干擾帶來的影響也有一定的抵制作用.同時，BEIDOU的多頻特性有利于削弱電離層和對流層誤差，弱化基準站距離限制，固定載波相位模糊度，使得首次定位時間縮短[12]，本實驗雖然只使用了單頻段的BEIDOU信號，但GPS與BEIDOU兩者共同組成了多頻率定位，使得GPS+BEIDOU的E-RTK定位擁有更短的Fix時間.除此之外，GPS+BEIDOU方案衛(wèi)星數(shù)量更多，觀測數(shù)據(jù)的冗余度更高，有利于減弱局部環(huán)境的影響，這也是其中一部分原因.

5 結(jié) 論

傳統(tǒng)RTK定位在流動站進行數(shù)據(jù)解算，對流動站的處理機有較大的算力需求，不利于定位網(wǎng)絡的低成本擴展.本文將邊緣計算技術與RTK定位相結(jié)合，提出了一種基于邊緣計算的實時動態(tài)載波相位差分定位方法E-RTK，通過將流動站解算工作移至邊緣設備，減小了流動站的算力需求，在保證定位性能不變的情況下，降低了定位設備的綜合硬件成本及定位網(wǎng)絡的擴展難度.除此之外，本文基于E-RTK進行了定位樣機實現(xiàn)，并使用GPS+BEIDOU衛(wèi)星組合以及最常見的GPS+GLONASS衛(wèi)星組合進行了相關的定位性能測試.通過實驗發(fā)現(xiàn)，采用GPS+BEIDOU衛(wèi)星系統(tǒng)的E-RTK能夠在定位精度基本不變的情況下具有更快的Fix速度，在可用性及可靠性上具備更大的優(yōu)勢，如過隧道后定位恢復更快等.同時，采用GPS+BEIDOU衛(wèi)星系統(tǒng)有利于促進我國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的普及化及產(chǎn)業(yè)化.