高穩(wěn)定高可靠多平臺(tái)兼容RTK精密定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

齊 兵，石帥帥，陳嘉宇，程建華

(哈爾濱工程大學(xué)智能科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱 150001)

0 引言

隨著中國(guó)北斗三號(hào)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建成開(kāi)通，由美國(guó)全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System，GPS)、俄羅斯GLONASS、歐盟GALILEO和中國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou Navigation Satellite Sy-stem，BDS)構(gòu)成的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System，GNSS)框架日漸形成。同時(shí)，GNSS產(chǎn)業(yè)鏈伴隨著GNSS的不斷完善而迅速發(fā)展，國(guó)內(nèi)外眾多機(jī)構(gòu)迅速推出多類型GNSS模塊快速占領(lǐng)市場(chǎng)份額，并形成了選擇多、技術(shù)新、領(lǐng)域廣的大好局面。隨著精密定位需求的日漸增長(zhǎng)，依賴于單一GNSS模塊的精密單點(diǎn)定位技術(shù)已無(wú)法進(jìn)一步滿足精密定位需求，基于載波相位差分技術(shù)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)(Real-Time Kinematic，RTK)定位系統(tǒng)較其他系統(tǒng)能提供更高精度的定位結(jié)果，因而得到了廣泛應(yīng)用。

RTK系統(tǒng)具有作業(yè)效率高、定位精度高、全天候作業(yè)和自動(dòng)化集成度高等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于高精度位置服務(wù)，如地形測(cè)圖、城市規(guī)劃、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)等方面。然而，單一GNSS模塊由于受到信號(hào)遮擋、干擾等問(wèn)題可能出現(xiàn)定位結(jié)果連續(xù)性變差、實(shí)時(shí)性降低，進(jìn)而使得定位精準(zhǔn)性無(wú)法滿足技術(shù)要求。同時(shí)，GNSS定位定向板卡快速更新?lián)Q代使得RTK系統(tǒng)低兼容性問(wèn)題日漸突出，導(dǎo)致其不能適應(yīng)復(fù)雜多變的環(huán)境。因此，如何提升RTK系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性和實(shí)時(shí)性是目前亟需解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

基于此，本文提出了高穩(wěn)定高可靠多平臺(tái)兼容的RTK精密定位系統(tǒng):基于ARM+DSP架構(gòu)的AM5728創(chuàng)新應(yīng)用于實(shí)時(shí)解算RTK定位信息；基于冗余性設(shè)計(jì)方法的RTK定位系統(tǒng)創(chuàng)新應(yīng)用于解決GNSS定位單元低兼容性問(wèn)題；基于冗余方法設(shè)計(jì)的復(fù)合型高速通信鏈路提高了系統(tǒng)可靠性與實(shí)時(shí)性。該系統(tǒng)有效解決了穩(wěn)定性差、可靠性低、兼容性低的問(wèn)題。

1 總體設(shè)計(jì)方案

RTK精密定位系統(tǒng)由RTK定位解算單元、GNSS定位單元、修正信息交互單元和輔助單元組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 RTK定位系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of the RTK positioning system

RTK精密定位系統(tǒng)的總體技術(shù)方案具體如下：

1)GNSS定位單元：采用冗余式方法設(shè)計(jì)了GNSS定位單元，根據(jù)環(huán)境要求熱切換備份GNSS定位板卡?；诜謺r(shí)工作的雙GNSS定位板卡在對(duì)接收天線接收到的GNSS導(dǎo)航信息進(jìn)行解算后，通過(guò)復(fù)合型高速通信鏈路發(fā)送給RTK定位解算單元。

2)修正信息交互單元：采用冗余式設(shè)計(jì)方法，根據(jù)工作范圍的不同，靈活選擇TAS-LORA-181或TAS-E20V完成基準(zhǔn)站與流動(dòng)站之間的定位修正信息的實(shí)時(shí)傳輸，并將定位修正信息發(fā)送給RTK定位解算單元。同時(shí)，采用遠(yuǎn)程終端介入方法，隨時(shí)監(jiān)視信息交互單元的工作狀態(tài)。

3)RTK定位解算單元：采用ARM+DSP架構(gòu)的AM5728處理器，基于RTK精密定位算法實(shí)時(shí)解算GNSS數(shù)據(jù)信息生成與修正信息，并通過(guò)復(fù)合型高速通信鏈路共享信息，從而完成RTK導(dǎo)航定位解算。采用ARM為主DSP為輔的架構(gòu)，既提高了導(dǎo)航信息解算的實(shí)時(shí)性，又提高了系統(tǒng)的伸縮性與穩(wěn)定性。

4)輔助單元：目標(biāo)信息通過(guò)通信接口傳輸至用戶平臺(tái)，并在本地實(shí)時(shí)存儲(chǔ)。此外，AM5728將當(dāng)前串口工作和衛(wèi)星跟蹤狀態(tài)實(shí)時(shí)顯示，增強(qiáng)了系統(tǒng)狀態(tài)的可觀測(cè)性；電源對(duì)各單元分級(jí)供電。

RTK精密定位系統(tǒng)具有一機(jī)雙用的技術(shù)特點(diǎn)，在實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)RTK精密定位的同時(shí)能夠滿足高兼容性要求。同時(shí)，基于冗余式方法設(shè)計(jì)的各單元可以確保在當(dāng)前單元故障時(shí)，提供備份工作方式，提高了RTK精密定位系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2 RTK精密定位算法

雙差RTK定位模型已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，該模型通過(guò)對(duì)衛(wèi)星及基準(zhǔn)站與流動(dòng)站間進(jìn)行求差得到雙差觀測(cè)方程，并進(jìn)一步確定整周模糊度實(shí)現(xiàn)高精度定位，利用雙差觀測(cè)模型消除各種具有相關(guān)性的誤差，從而很大程度上簡(jiǎn)化計(jì)算工作量。偽距與載波相位在進(jìn)行雙差處理后的觀測(cè)方程可表示為

(1)

(2)

(3)

=

[′,′,′,″,″,″,?,?,?,,…,-2]

(4)

式中，′、′、′為三維坐標(biāo)參數(shù)；″、″、″為三維速度參數(shù)；?、?、?為三維加速度參數(shù)；為模糊度參數(shù)。

3 RTK精密定位系統(tǒng)硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

基于總體技術(shù)方案及RTK精密定位算法，RTK精密定位系統(tǒng)的主要功能包括：1)高速數(shù)據(jù)解算能力；2)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分：通過(guò)解析修正信息輸出精密定位信息；3)多種無(wú)線傳輸方式：靈活選擇定位修正信息交互方式；4)多種GNSS板卡兼容：適用多種不同工作環(huán)境；5)多類型多路輸出接口：具備復(fù)合型高速鏈路，可實(shí)現(xiàn)交互數(shù)據(jù)的高速傳輸。由此得出其主要單元包括：定位解算單元、修正信息交互單元、GNSS定位單元及輔助單元中的通信接口。

3.1 定位解算單元

定位解算單元是RTK定位解算的核心部件，具備高速計(jì)算能力的中央處理器(Central Proces-sing Unit, CPU)是該單元設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。除了高速的運(yùn)算能力之外，為了系統(tǒng)后續(xù)的擴(kuò)展性，還需要支持嵌入Linux系統(tǒng)，方便后續(xù)程序調(diào)試與升級(jí)。為保證數(shù)據(jù)運(yùn)算的實(shí)時(shí)性，需集成高速串口、USB、CAN總線、以太網(wǎng)和高精度的時(shí)鐘信號(hào)。基于上述需求，選用廣州創(chuàng)龍公司設(shè)計(jì)的基于ARM+DSP架構(gòu)的AM5728核心板為定位解算單元。

具備高速計(jì)算能力的AM5728完成對(duì)GNSS定位單元傳輸GNSS信息的預(yù)處理以及通過(guò)通用異步收發(fā)傳輸器(Universal Asynchronous Receiver/Trans-mitter, UART)接收修正信息交互單元傳輸?shù)亩ㄎ恍拚畔ⅲ⒒贚inux系統(tǒng)上的雙差RTK定位程序解算出當(dāng)前基準(zhǔn)站的導(dǎo)航信息。此外，AM5728通過(guò)SPI通信方式將RTK接收機(jī)當(dāng)前的工作狀態(tài)發(fā)送給GD32F103處理器，通過(guò)GD32F103控制指示燈表示對(duì)外輸出高速串口的通信狀態(tài)與當(dāng)前導(dǎo)航狀態(tài)的穩(wěn)定性。

3.2 修正信息交互單元

為提高系統(tǒng)工作的靈活性，修正信息交互單元采用冗余式設(shè)計(jì)方法，針對(duì)不同工作范圍，選擇杭州塔石公司設(shè)計(jì)的TAS-LORA-181或TAS-E20V。修正信息交互單元模式選擇示意圖如圖2所示。

圖2 修正信息交互單元模式選擇示意圖Fig.2 Diagram of pattern selection of modified information interaction unit

針對(duì)近距離(<3km)通信時(shí)穩(wěn)定性與功耗問(wèn)題，修正信息交互單元采用TAS-LORA-181進(jìn)行交互。TAS-LORA-181作為無(wú)線串口中斷采用Lora擴(kuò)頻技術(shù)，通過(guò)RS232與定位解算單元相連，實(shí)現(xiàn)近距離定位修正信息在基準(zhǔn)站與流動(dòng)站之間的實(shí)時(shí)傳輸。

針對(duì)中遠(yuǎn)距離(≥3km)通信實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性與可靠性問(wèn)題，修正信息交互單元采用TAS-E20V。TAS-E20V支持消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸(Message Queuing Telemetry Transport, MQTT)協(xié)議，該協(xié)議的低開(kāi)銷、低帶寬特點(diǎn)極大節(jié)約了AM5728的運(yùn)算消耗；此外，修正信息經(jīng)TAS-E20V以4G傳至定位解算單元，提高了系統(tǒng)實(shí)時(shí)性。中遠(yuǎn)距離信息交互過(guò)程如圖3所示。

圖3 中遠(yuǎn)距離修正信息交互示意圖Fig.3 Medium and long distance correction information interaction

由圖3可知，定位解算單元中的定位修正信息來(lái)自于修正信息交互單元，修正信息交互單元基于UART將信息傳輸至定位解算單元。在RTK基準(zhǔn)站中，通過(guò)TAS-E20V與定位解算單元結(jié)合，將修正信息通過(guò)UART實(shí)時(shí)傳輸至TAS-E20V后，基于4G網(wǎng)絡(luò)傳輸至RTK流動(dòng)站。此外，為方便遠(yuǎn)程調(diào)試以及監(jiān)控單元狀態(tài)，交互單元設(shè)計(jì)有短信與網(wǎng)絡(luò)兩種指令工作模式，可以基于短信或Internet實(shí)時(shí)配置修正信息交互單元，實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、調(diào)整修正信息交互單元，從而進(jìn)一步提高系統(tǒng)穩(wěn)定性與可靠性。

3.3 GNSS定位單元

GNSS定位單元是RTK定位系統(tǒng)的重要信息來(lái)源，其輸出的原始觀測(cè)信息是RTK定位的基礎(chǔ)。因此，保證穩(wěn)定捕獲跟蹤衛(wèi)星信號(hào)及穩(wěn)定可靠獲取定位信息是GNSS定位單元設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

為了在兼顧系統(tǒng)兼容性的同時(shí)保證系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，采用冗余式方法設(shè)計(jì)GNSS定位單元，不僅具備雙GNSS板卡熱冗余備份的工作方式，而且可以基于高覆蓋的GNSS板卡選型提高系統(tǒng)兼容性?；诓煌沫h(huán)境要求，RTK精密定位系統(tǒng)選擇不同的板卡配合完成任務(wù)：針對(duì)要求全面支持北斗三號(hào)衛(wèi)星、全星座全頻點(diǎn)定位且支持RTK星鏈續(xù)航時(shí)，裝載P40；針對(duì)RTK作業(yè)距離50km左右、E-RTK測(cè)量作業(yè)距離300km左右且要求高可靠載波精度時(shí)，裝載K708；針對(duì)支持全系統(tǒng)全頻點(diǎn)且要求1s內(nèi)完成RTK重新捕獲以及熱啟動(dòng)時(shí)，裝載UB482；針對(duì)要求厘米級(jí)差分定位并支持SPAN GNSS+INS組合導(dǎo)航技術(shù)時(shí)，裝載OEM719；針對(duì)要求1mm的載波相位觀測(cè)值、厘米級(jí)高精度RTK定位且支持全系統(tǒng)全頻點(diǎn)時(shí)，裝載UB4B0M。因此，針對(duì)復(fù)雜的環(huán)境要求，GNSS定位單元以不同系列的五款GNSS板卡(P40、K708、UB482、OEM719、UB4B0M)為例，采用冗余式通信接口復(fù)用方式展開(kāi)設(shè)計(jì)。根據(jù)定位單元的工作狀態(tài)，采取遠(yuǎn)程操作方式切換系統(tǒng)內(nèi)熱冗余備份的另一套GNSS定位板卡完成GNSS信號(hào)處理作業(yè)，從而提升系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

基于此，系統(tǒng)通過(guò)GNSS板卡對(duì)衛(wèi)星天線接收的導(dǎo)航信息進(jìn)行捕獲解算，結(jié)合各高精度定位板卡的情況，GNSS定位單元通信接口關(guān)系如圖4所示。

圖4 GNSS定位單元通信接口關(guān)系圖Fig.4 Communication interface diagram of GNSS positioning unit

3.4 輔助單元

為了提高系統(tǒng)的普遍適用性，各單元間采用復(fù)合型高速鏈路進(jìn)行通信，通過(guò)串口、以太網(wǎng)、CAN實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，通過(guò)USB實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的冗余存儲(chǔ)備份。因此，RTK系統(tǒng)共有UART、USB、CAN、Ethernet四類對(duì)外通信接口。其中，UART、USB、CAN均滿足高速數(shù)據(jù)交互的要求。以太網(wǎng)是RTK定位系統(tǒng)的調(diào)試接口，可以遠(yuǎn)程登入RTK定位系統(tǒng)的Linux操作系統(tǒng)，方便隨時(shí)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，并且可以通過(guò)SSH對(duì)Linux系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫(xiě)以及對(duì)系統(tǒng)內(nèi)程序進(jìn)行升級(jí)?；趶?fù)合型高速鏈路的設(shè)計(jì)方法，提高了系統(tǒng)各單元間通信的穩(wěn)定性與可靠性。RTK定位系統(tǒng)通信接口如圖5所示。

圖5 RTK定位系統(tǒng)通信接口示意圖Fig.5 Communication interface of the RTK positioning system

2個(gè)外接TNC天線接口采用標(biāo)準(zhǔn)同軸電纜工藝，TNC1負(fù)責(zé)連接GNSS天線，TNC2負(fù)責(zé)連接TAS-E20V與TAS-LORA-181，發(fā)送、接收修正信號(hào)。此外，預(yù)留UART接口以滿足后續(xù)因衛(wèi)星導(dǎo)航水平提高而可能產(chǎn)生的GNSS板卡固件升級(jí)需求。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試及性能考核

為考核基于RTK精密定位系統(tǒng)的性能，設(shè)計(jì)了定位性能考核實(shí)驗(yàn)，以經(jīng)過(guò)多頻多模全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)多重標(biāo)定的精準(zhǔn)定位結(jié)果為參考，通過(guò)對(duì)比RTK定位結(jié)果與定位參考的最大位置誤差、平均位置誤差以及CEP結(jié)果，評(píng)估RTK精密定位系統(tǒng)的可靠性與精準(zhǔn)性。RTK定位系統(tǒng)的衛(wèi)星天線擺放地點(diǎn)要與定位參考點(diǎn)完全重合或盡量接近。然而，由于2個(gè)天線存在高度差，如果擺放過(guò)近會(huì)使得二者相互遮擋，進(jìn)而影響衛(wèi)星信號(hào)質(zhì)量及連續(xù)性。為精準(zhǔn)確定衛(wèi)星天線的最佳擺放距離，針對(duì)智能天線和參考衛(wèi)星天線的實(shí)際擺放位置進(jìn)行了多次實(shí)驗(yàn)，擺放距離在15～25cm為宜，因此，選定衛(wèi)星天線的擺放距離為15cm。為避免環(huán)境因素影響，流動(dòng)站裝于實(shí)驗(yàn)車上，周圍無(wú)明顯遮擋物。圖6給出了實(shí)地測(cè)試情況圖。圖7給出了RTK定位實(shí)測(cè)偏差結(jié)果。

圖6 實(shí)地測(cè)試情況圖Fig.6 Pictures of field test

圖7 RTK定位實(shí)測(cè)偏差結(jié)果Fig.7 Results of deviations in RTK positioning measurement

如圖7所示，在東、北、天向上，根據(jù)位置偏離誤差的波峰與波谷可以看出，數(shù)據(jù)整體在±0.05m范圍內(nèi)波動(dòng)，為進(jìn)一步分析系統(tǒng)穩(wěn)定性與可靠性，計(jì)算最大位置誤差、平均位置誤差以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差，表1所示為東、北、天向的位置偏離誤差。

表1 位置偏離誤差

由表1可知，系統(tǒng)最大位置誤差為0.0496m,平均位置誤差最大為0.0056m，均在可接受范圍內(nèi)?；趯?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差，東向、北向?qū)崪y(cè)的CEP值為0.0071m，天向的標(biāo)準(zhǔn)差比東北天的標(biāo)準(zhǔn)差有所增加，這是由于單天線導(dǎo)航系統(tǒng)不利于精準(zhǔn)測(cè)量高程信息導(dǎo)致。因此，RTK精密定位系統(tǒng)具備連續(xù)穩(wěn)定可靠的精密定位能力，可實(shí)時(shí)輸出精密定位結(jié)果。

5 結(jié)論

本文針對(duì)RTK定位系統(tǒng)存在的穩(wěn)定性、可靠性差與系統(tǒng)兼容能力低等問(wèn)題，提出了高穩(wěn)定高可靠多平臺(tái)兼容RTK精密定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)。硬件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)以及后續(xù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明：

1)基于冗余性設(shè)計(jì)方法的RTK定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路具備可行性。本文設(shè)計(jì)的GNSS定位單元通過(guò)冗余性設(shè)計(jì)方法解決了單一RTK系統(tǒng)僅支持單一GNSS板卡的兼容性問(wèn)題，為后續(xù)解決多平臺(tái)兼容問(wèn)題提供了思路。

2)基于ARM+DSP架構(gòu)的RTK精密定位解算架構(gòu)實(shí)現(xiàn)了RTK實(shí)時(shí)精準(zhǔn)解算，復(fù)合型高速通信鏈路確保了各單元間實(shí)時(shí)有效信息交互，通過(guò)CEP評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)評(píng)估RTK定位精準(zhǔn)性，其CEP=0.0071m，并且定位結(jié)果連續(xù)穩(wěn)定輸出。

3)本文提出的修正信息交互方法采用廣播與4G兩種傳輸方式相互切換使用，后續(xù)在實(shí)時(shí)性要求更高的場(chǎng)合，可以增加5G傳輸方式，進(jìn)一步提高修正信息傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。