北斗三號(hào)RTK定位教學(xué)實(shí)踐

姚佶 李厚樸 余德熒

[摘 要] 針對“衛(wèi)星導(dǎo)航原理及應(yīng)用”課程教學(xué)需求，引入BDS-3/GNSS接收機(jī)作為RTK基準(zhǔn)站與流動(dòng)站，對課程中涉及的差分定位進(jìn)行教學(xué)，展示了生動(dòng)的衛(wèi)星分布場景和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)變化，使抽象、枯燥的教學(xué)內(nèi)容以形象、直觀的方式展示出來。引入了零基線評定動(dòng)態(tài)定位精度的方法，使學(xué)員對定位結(jié)果印象更加深刻。教學(xué)實(shí)踐表明，實(shí)踐教學(xué)極大地提高了學(xué)員的自主學(xué)習(xí)能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，以及數(shù)據(jù)處理、統(tǒng)計(jì)分析的能力，并取得了良好的教學(xué)效果。

[關(guān)鍵詞] 衛(wèi)星導(dǎo)航;教學(xué)實(shí)踐;差分定位;零基線測量

[基金項(xiàng)目] 2017年度國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目“空間地圖投影計(jì)算機(jī)代數(shù)精密分析研究”（41771487）;2019年度國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目“海上劃界和北極航線專用海圖及其法理應(yīng)用研究”（41971416）;2019年度湖北省杰出青年科學(xué)基金資助項(xiàng)目“地圖海圖投影計(jì)算機(jī)代數(shù)精密分析研究”（2019CFA086）

[作者簡介] 姚 佶（1999—），男，湖北鄂州人，海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院2017級(jí)導(dǎo)航工程專業(yè)本科生，研究方向?yàn)樾l(wèi)星導(dǎo)航;李厚樸（1985—），男，山東鄆城人，博士，海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院副教授（通信作者），碩士生導(dǎo)師，主要從事衛(wèi)星導(dǎo)航研究;余德熒（1998—），男，廣東潮州人，海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院2020級(jí)控制科學(xué)與工程專業(yè)碩士研究生，研究方向?yàn)樾l(wèi)星導(dǎo)航。

[中圖分類號(hào)] G642.0? ?[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A? ?[文章編號(hào)] 1674-9324（2021）33-0045-04? ? [收稿日期] 2021-04-15

一、引言

衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)已經(jīng)滲透到我們生活的方方面面，同時(shí)是關(guān)系國家安全、經(jīng)濟(jì)發(fā)展的國之重器。在衛(wèi)星定位中，與普通的單點(diǎn)定位相比，RTK（Real-time Kinematic，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)）載波相位差分技術(shù)是一種目前應(yīng)用廣泛的衛(wèi)星定位測量方法，可以在野外實(shí)時(shí)地獲取定位信息，精度達(dá)到厘米級(jí)。它極大地提高了工程放樣、地形測圖，以及各種控制測量的作業(yè)效率。其通過建立差分模型，削弱了衛(wèi)星鐘差、電離層延遲、對流層延遲和衛(wèi)星軌道誤差的影響，從而獲得移動(dòng)站的精確位置[1，2]。

北斗三號(hào)于2020年7月31日正式開通運(yùn)行，由于時(shí)間較短，早期的北斗數(shù)據(jù)涉及保密問題難以獲取，而模擬仿真數(shù)據(jù)又不能完全符合實(shí)際，所以對于北斗三號(hào)系統(tǒng)的RTK技術(shù)研究還不透徹，應(yīng)用還不廣泛，這不利于我國北斗系統(tǒng)的發(fā)展。實(shí)測是評估北斗三號(hào)RTK定位性能不可或缺的環(huán)節(jié)。以往的教學(xué)實(shí)踐基于北斗二號(hào)系統(tǒng)，對于動(dòng)態(tài)定位的精度評定以對比為主，沒有進(jìn)行定量評定，學(xué)員理解起來比較困難。課程組基于BDS-3/GNSS組合系統(tǒng)衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)設(shè)備，采用零基線測量對動(dòng)態(tài)精度進(jìn)行評定，設(shè)置翻轉(zhuǎn)課堂，請學(xué)員上臺(tái)講解，對于學(xué)員儀器的操作、測試方案的設(shè)計(jì)、評估方式的論證、數(shù)據(jù)處理的方法、對統(tǒng)計(jì)結(jié)果的分析和口頭表達(dá)等能力進(jìn)行了充分的鍛煉，這些能力是日后學(xué)員建功海疆的依靠和憑證[3-6]。

二、教學(xué)思路

1.基本思路。本著“引導(dǎo)入門，自主思考”的原則，通過教員講解差分系統(tǒng)構(gòu)成，現(xiàn)有儀器裝備構(gòu)建差分系統(tǒng)的原理、儀器裝備的操作使用、實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)思路、數(shù)據(jù)處理及性能評定的方法、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)等，引導(dǎo)學(xué)員對北斗RTK定位實(shí)踐產(chǎn)生系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)。限于設(shè)備數(shù)量，將學(xué)員進(jìn)行分組，交代實(shí)驗(yàn)內(nèi)容要點(diǎn)完畢后，由學(xué)員自己協(xié)商分工，培養(yǎng)其分工協(xié)作的能力。在采集數(shù)據(jù)階段，主要講解實(shí)驗(yàn)過程與誤差的關(guān)系，講清實(shí)驗(yàn)的嚴(yán)謹(jǐn)性與數(shù)據(jù)可靠性的關(guān)系，培養(yǎng)學(xué)員嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的作風(fēng)，克服懶惰隨意的“差不多”思想，樹立誠實(shí)認(rèn)真的道德觀念。在數(shù)據(jù)處理階段，主要講解使用RMS誤差評定靜態(tài)定位精度、使用零基線法評定動(dòng)態(tài)精度、通過Excel導(dǎo)出可見衛(wèi)星數(shù)和PDOP值數(shù)據(jù)并繪圖、通過Matlab擬合動(dòng)態(tài)軌跡的方法。數(shù)據(jù)處理完畢并得出結(jié)論后，要求學(xué)員簡要撰寫報(bào)告并制作PPT，下次課程開始時(shí)進(jìn)行答辯，培養(yǎng)學(xué)員的邏輯思維和口頭表達(dá)能力，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)員提出問題、切入本質(zhì)的思維方式，讓學(xué)員在激烈的答辯中收獲知識(shí)、內(nèi)化知識(shí)。

2.實(shí)驗(yàn)原理。實(shí)驗(yàn)的基本原理是根據(jù)RTK差分原理，利用TCP協(xié)議，依托互聯(lián)網(wǎng)建立數(shù)據(jù)鏈路，將基準(zhǔn)站和流動(dòng)站連接起來。實(shí)驗(yàn)流程如圖1所示。

在靜態(tài)定位性能測試中，提前選取四個(gè)固定點(diǎn)進(jìn)行長時(shí)間的測量，取平均值作為真值。在學(xué)員實(shí)驗(yàn)階段，對四個(gè)靜態(tài)點(diǎn)進(jìn)行半小時(shí)測量，觀測值與真值作差求均方根誤差來評定靜態(tài)定位的精度;在動(dòng)態(tài)定位性能測試中，將兩臺(tái)不同精度的接收機(jī)組成零基線測量的模式，依托小車沿直線來回行進(jìn)10分鐘，兩臺(tái)接收機(jī)測得數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)刻對準(zhǔn)后，依據(jù)零基線法直接作差，取均方根直接作為精度。數(shù)據(jù)質(zhì)量則使用靜態(tài)和動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)中采集的GPGGA和GPGSA報(bào)文中的可見星數(shù)及PDOP值，依據(jù)DOP值等級(jí)表進(jìn)行評定[7]，如表1所示。

三、教學(xué)實(shí)施

1.實(shí)驗(yàn)儀器及配置。UR4B0-D是針對北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)建設(shè)而設(shè)計(jì)的一款高性能GNSS接收機(jī)，內(nèi)置Linux操作系統(tǒng)，完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)開發(fā)，接口豐富，通信方式多樣，支持外部頻標(biāo)輸入、事件輸入及大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，支持多種傳感器輸入。UB4B0是北斗星通公司基于新一代Nebulas-II高性能SoC芯片開發(fā)的首款全系統(tǒng)GNSS高精度板卡，支持BDS、GPS、GLONASS、Galileo和QZSS等多個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和三頻RTK技術(shù)，主要面向高精度定位、導(dǎo)航和測繪等應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)儀器包括UR4B0-D高性能GNSS接收機(jī)兩臺(tái)、UB4B0全系統(tǒng)GNSS高精度板卡一塊、測量天線兩根、功率分配器一個(gè)，實(shí)物如圖2所示。

設(shè)置好接收機(jī)的有線連接模式，使用計(jì)算機(jī)的主機(jī)登錄頁面，對UR4B0-D接收機(jī)進(jìn)行配置。將其中一臺(tái)接收機(jī)配置為基準(zhǔn)站，主要輸入基準(zhǔn)站的精確坐標(biāo)、差分?jǐn)?shù)據(jù)、衛(wèi)星報(bào)文輸出格式和TCP協(xié)議內(nèi)容。將另一臺(tái)接收機(jī)配置為流動(dòng)站，主要進(jìn)行TCP協(xié)議配置和數(shù)據(jù)下載。此處是培養(yǎng)學(xué)員對儀器設(shè)備的使用能力。