毛 琪，潘樹國(guó)，劉 華平 ，高 旺

（1．東南大學(xué) 儀器科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京210096；2.湖南省國(guó)土資源規(guī)劃院，湖南 長(zhǎng)沙 410007；3.東南大學(xué) 交通學(xué)院，江蘇 南京210096）

基于CORS（連續(xù)運(yùn)行參考站）系統(tǒng)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位（RTK）是工程測(cè)量中一種廣泛使用的實(shí)時(shí)相對(duì)定位技術(shù)［1］。

目前，傳統(tǒng)的RTK終端的檢測(cè)主要采用靜態(tài)檢測(cè)方法。而傳統(tǒng)的動(dòng)態(tài)檢測(cè)方法則是在規(guī)則的軌跡曲線上做動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集，通過事后動(dòng)態(tài)解算獲得軌跡曲線與真實(shí)的軌跡曲線比對(duì)。靜態(tài)檢測(cè)可以檢測(cè)RTK終端的靜態(tài)定位性能但無(wú)法檢測(cè)其動(dòng)態(tài)定位性能；而傳統(tǒng)的動(dòng)態(tài)檢測(cè)方法單一且無(wú)法體現(xiàn)實(shí)時(shí)性，不能有效地檢測(cè)和反映RTK終端的動(dòng)態(tài)性能，存在明顯的不足。

基于以上結(jié)論，本文提出一種RTK終端實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)檢測(cè)技術(shù)，其中包括車載硬件平臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)檢測(cè)軟件設(shè)計(jì)以及實(shí)際數(shù)據(jù)測(cè)試的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 車載硬件平臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)了一臺(tái)具有供電系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、衛(wèi)星收轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)、野外辦公平臺(tái)等多功能集一體的作業(yè)車輛［2－3］。該車輛可裝載標(biāo)準(zhǔn)的衛(wèi)星導(dǎo)航基準(zhǔn)設(shè)備、待檢測(cè)RTK設(shè)備以及全頻段衛(wèi)星信號(hào)接收天線。系統(tǒng)工作原理是在檢測(cè)車運(yùn)動(dòng)情況下，所有車載設(shè)備都工作在RTK模式下，并通過衛(wèi)星信號(hào)收集轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)獲取實(shí)時(shí)的衛(wèi)星信號(hào)，做相關(guān)定位解算，并將解算所得的GGA信息通過通訊系統(tǒng)傳到CORS中心。同時(shí)，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的車載檢測(cè)軟件通過3G網(wǎng)卡同樣登陸CORS中心，獲取車載設(shè)備實(shí)時(shí)上傳的GGA定位信息。根據(jù)這些信息，軟件實(shí)時(shí)計(jì)算顯示車載設(shè)備速度、加速度、三維坐標(biāo)、固定狀態(tài)、可用衛(wèi)星、DOP值等技術(shù)指標(biāo)，供實(shí)時(shí)檢測(cè)比對(duì)。另一方面，本文所采用的衛(wèi)星導(dǎo)航基準(zhǔn)設(shè)備工作在RTK模式的同時(shí)可做事后數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。由于同一觀測(cè)情況下事后數(shù)據(jù)解算處理的定位精度要優(yōu)于實(shí)時(shí)解算的精度，因此車載檢測(cè)軟件可對(duì)事后數(shù)據(jù)作解算處理，再通過歷元時(shí)間匹配來(lái)檢測(cè)RTK設(shè)備的定位精度。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

1．1 數(shù)據(jù)處理中心

車載計(jì)算機(jī)上安裝有動(dòng)態(tài)檢測(cè)軟件，它是整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理中心，主要包括數(shù)據(jù)通信模塊和數(shù)據(jù)處理模塊。數(shù)據(jù)通信模塊包括車載軟件通過3 G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)與CORS中心的實(shí)時(shí)通信和通過串口／網(wǎng)口實(shí)現(xiàn)事后數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。數(shù)據(jù)處理模塊從CORS中心獲得的車載設(shè)備的相關(guān)信息，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理分析，與基準(zhǔn)設(shè)備進(jìn)行指標(biāo)對(duì)比，判定待檢設(shè)備性能，將得到的結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，并根據(jù)用戶的信息形成相關(guān)檢測(cè)定制報(bào)表。

1．2 多模多頻基準(zhǔn)設(shè)備

多模多頻基準(zhǔn)設(shè)備采用高性能、數(shù)據(jù)質(zhì)量?jī)?yōu)良的接收機(jī)產(chǎn)品。本基準(zhǔn)設(shè)備采用康帕斯公司自主研制的S6536B接收機(jī)，該設(shè)備采用美國(guó)天寶高性能的BD970板卡，兼容BDS／GPS／GLONASS三系統(tǒng)6頻點(diǎn)，融合最新的整機(jī)嵌入技術(shù)，具有數(shù)據(jù)質(zhì)量好、定位精度高、兼容性強(qiáng)、自主化管理、本地超大存儲(chǔ)空間等特點(diǎn)［4］。在硬件層面上，該設(shè)備將嵌入式主控電路模塊、GNSS定位模塊、數(shù)據(jù)通信模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊等有機(jī)集成。GNSS定位模塊采用美國(guó)天寶BD970高性能板卡，主要對(duì)衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行接收并產(chǎn)生高精度原始觀測(cè)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)通訊模塊完成衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、車載檢測(cè)系統(tǒng)、GNSS定位模塊間的數(shù)據(jù)通訊。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊主要由SDRA M和Flash存儲(chǔ)器構(gòu)成，具有存儲(chǔ)穩(wěn)定、傳輸速度快、低功耗的特點(diǎn)，且可完成大容量的本地文件系統(tǒng)、應(yīng)用程序和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。以上優(yōu)良的硬件條件保證基準(zhǔn)設(shè)備數(shù)據(jù)質(zhì)量的完好性和高精度的定位結(jié)果。多模多頻基準(zhǔn)設(shè)備設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 多模多頻基準(zhǔn)設(shè)備設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

1．3 數(shù)據(jù)同源與轉(zhuǎn)發(fā)

衛(wèi)星收轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)為待檢測(cè)RTK設(shè)備和車載基準(zhǔn)設(shè)備提供統(tǒng)一的實(shí)時(shí)衛(wèi)星信號(hào)數(shù)據(jù)源，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星數(shù)據(jù)的同源與轉(zhuǎn)發(fā)。轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)包括衛(wèi)星信號(hào)接收天線、衛(wèi)星信號(hào)控制器、衛(wèi)星信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)天線、功分器、電磁屏蔽黑箱等。它通過衛(wèi)星信號(hào)接收天線接收GPS L1／L2、GLONASS L1／L2、BDS B1／B2信號(hào)，然后通過衛(wèi)星信號(hào)控制器將同一信號(hào)分為多路相同的信號(hào)，通過衛(wèi)星天線轉(zhuǎn)發(fā)到電子屏蔽黑箱內(nèi)，供待檢測(cè)RTK設(shè)備接收。而衛(wèi)星導(dǎo)航基準(zhǔn)設(shè)備直接通過饋線與衛(wèi)星信號(hào)控制器連接獲取信號(hào)。如此使衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和被測(cè)設(shè)備接收到GPS L1／L2、GLONASS L1／L2、BDS B1／B2／B3衛(wèi)星信號(hào)保持一致性，把不同時(shí)段、不同干擾對(duì)定位精度的誤差降為零。同時(shí)為了抑制衛(wèi)星信號(hào)在箱體內(nèi)壁反射所造成的多路徑效應(yīng)，在箱壁上貼附有對(duì)電磁波具有較好吸收能力的屏蔽材料，進(jìn)一步消除誤差，凈化測(cè)試環(huán)境。

1．4 數(shù)據(jù)通訊鏈路系統(tǒng)

數(shù)據(jù)通訊鏈路系統(tǒng)主要用于完成車載檢測(cè)軟件、衛(wèi)星導(dǎo)航基準(zhǔn)設(shè)備和待檢測(cè)RTK設(shè)備與CORS中心的數(shù)據(jù)交互。車載設(shè)備安裝SI M卡通過2／3G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)與CORS中心的無(wú)線通信，上發(fā)自己的GGA信息和接收差分改正數(shù)據(jù)來(lái)完成流動(dòng)站解算。車載設(shè)備都是安裝在設(shè)備機(jī)柜內(nèi)部，2／3G信號(hào)質(zhì)量較差。手機(jī)信號(hào)增強(qiáng)器實(shí)現(xiàn)將室外良好的2 3 G信號(hào)引入到機(jī)柜內(nèi)部，保證無(wú)線信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。手機(jī)信號(hào)增強(qiáng)系統(tǒng)由三部分組成：室外天線固定在車頂接收2／3G信號(hào)；手機(jī)信號(hào)增強(qiáng)器完成信號(hào)的放大增強(qiáng)；室內(nèi)天線實(shí)現(xiàn)信號(hào)的轉(zhuǎn)發(fā)。

2 動(dòng)態(tài)檢測(cè)軟件設(shè)計(jì)

2．1 軟件流程

動(dòng)態(tài)檢測(cè)軟件是系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理中心完成的功能，主要包括基準(zhǔn)設(shè)備觀測(cè)數(shù)據(jù)解析和星空?qǐng)D顯示、偽距單點(diǎn)定位獲得近似坐標(biāo)、CORS系統(tǒng)登陸獲取車載設(shè)備的定位信息、GGA信息分析比對(duì)以及最終的實(shí)時(shí)檢測(cè)報(bào)表生成與輸出。具體流程：軟件初始化完成后，先通過本地網(wǎng)口或串口獲取基準(zhǔn)設(shè)備的原始觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)其進(jìn)行解碼得到觀測(cè)文件和導(dǎo)航文件用于單點(diǎn)定位解算獲得近似坐標(biāo)，同時(shí)從導(dǎo)航文件可計(jì)算衛(wèi)星高度角和方位角；待車載設(shè)備完成定位初始化后，動(dòng)態(tài)檢測(cè)軟件中用戶模式通過無(wú)線網(wǎng)絡(luò)登陸CORS系統(tǒng)獲取車載設(shè)備的GGA定位信息，并實(shí)時(shí)對(duì)GGA信息進(jìn)行分析，得到車載設(shè)備更高精度的定位信息和相關(guān)輔助信息［5］。最后，將解析所得基準(zhǔn)設(shè)備和待檢測(cè)設(shè)備的定位信息做比對(duì)分析，分析結(jié)果寫入Excel表格，并可實(shí)時(shí)輸出供用戶查閱使用。軟件流程如圖3所示。

圖3 軟件流程

2．2 主要模塊設(shè)計(jì)

2．2．1 原始數(shù)據(jù)解析模塊

原始數(shù)據(jù)解析模塊用于解析基準(zhǔn)設(shè)備輸出的原始觀測(cè)數(shù)據(jù)獲得導(dǎo)航文件和觀測(cè)文件。定義的結(jié)構(gòu)體Nav Data用于存放導(dǎo)航文件中相關(guān)數(shù)據(jù)，而結(jié)構(gòu)體DataFor VRS用于存放觀測(cè)文件中所需的載波和偽距等觀測(cè)值。根據(jù)導(dǎo)航文件和觀測(cè)文件即可進(jìn)行觀測(cè)點(diǎn)衛(wèi)星信息解算、星空?qǐng)D顯示以及后續(xù)算法處理。模塊支持多種原始觀測(cè)數(shù)據(jù)類型解析，包括：RT27，RTCM31，OEM，Benix等。檢測(cè)軟件星空如圖4所示。

圖4 檢測(cè)軟件星空

2．2．2 CORS接入模塊

CORS系統(tǒng)的接入遵循Ntrip（Net wor ked Transport of RTCM via Inter net Pr otocol）協(xié)議［6－7］。Ntrip協(xié) 議包括 Ntrip Server、Ntrip Caster和Ntrip Client三部分。車載軟件作為客服端登陸Ntrip Caster時(shí)需要設(shè)置IP地址、用戶名、密碼以及掛載點(diǎn)，同時(shí)還有發(fā)送請(qǐng)求和響應(yīng)信息。這些工作均由接入模塊來(lái)完成。

2．2．3 GGA 信息解析模塊

該模塊處理實(shí)時(shí)獲得的車載設(shè)備上傳的GGA定位信息，模塊主要提取其中的經(jīng)緯度和高程信息，并實(shí)時(shí)的進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換得到相應(yīng)的空間直角坐標(biāo)和平面坐標(biāo)，供定位精度分析使用。同時(shí)GGA語(yǔ)句中還包括UTC時(shí)間、定位狀態(tài)等定位輔助信息。車載檢測(cè)軟件會(huì)對(duì)實(shí)時(shí)解析的GGA信息作界面顯示，供用戶直觀比對(duì)查看。GGA信息顯示界面如圖5所示。

2．2．4 動(dòng)態(tài)報(bào)表生成模塊

車載軟件依托Microsoft Office Excel數(shù)據(jù)鏈接庫(kù)，通過軟件得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析重組，將需要的時(shí)間、位置信息、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、定位狀態(tài)信息實(shí)時(shí)通過該模塊寫入格式固定的數(shù)據(jù)Excel報(bào)表中，同時(shí)向報(bào)表中輸入數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)指標(biāo)，最終動(dòng)態(tài)生成數(shù)據(jù)報(bào)表。用戶可根據(jù)需求，直接利用數(shù)據(jù)報(bào)表或者自行對(duì)報(bào)表進(jìn)行相應(yīng)操作。

圖5 GGA信息顯示界面

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為測(cè)試整個(gè)系統(tǒng)的可用性和穩(wěn)定性，選取東南大學(xué)四牌樓校區(qū)作為測(cè)試場(chǎng)地。在東南大學(xué)儀器科學(xué)與工程學(xué)院3S研究中心搭建接收機(jī)基準(zhǔn)站，且書籍該基準(zhǔn)站坐標(biāo)。CORS系統(tǒng)服務(wù)軟件采用東南大學(xué)3S中心自主研發(fā)的Earth Net 2．0［8］，實(shí)現(xiàn)單基站工作模式［9］。待檢測(cè)設(shè)備選取天寶公司的R4流動(dòng)站。

3．1 靜態(tài)接入

車在靜止情況下，系統(tǒng)通電后，車載基準(zhǔn)設(shè)備自動(dòng)播發(fā)請(qǐng)求信息，登陸CORS系統(tǒng)實(shí)時(shí)上傳GGA信息。同時(shí)，設(shè)置R4使其接入CORS服務(wù)中心。待兩者穩(wěn)定接入后，車載軟件可通過3 G網(wǎng)絡(luò)登陸CORS服務(wù)中心獲取所有車載設(shè)備的定位信息，并做比對(duì)分析。

從圖5分析可知，車載軟件可獲得車載設(shè)備的GGA信息：接入CORS的用戶名、當(dāng)前UTC時(shí)間、可用衛(wèi)星數(shù)、DOP值、固定狀態(tài)以及坐標(biāo)信息。軟件給出車載設(shè)備的大地坐標(biāo)、空間坐標(biāo)和平面坐標(biāo)，計(jì)算該 UTC時(shí)刻的ΔX，ΔY，ΔZ分別為0．029 m、0．053 m、0．037 m。為進(jìn)一步分析車載設(shè)備的定位精度，采用GA MIT解算軟件對(duì)基準(zhǔn)設(shè)備的事后數(shù)據(jù)做靜態(tài)位置解算，將得到的坐標(biāo)結(jié)果作為真值，并對(duì)車載設(shè)備的定位結(jié)果進(jìn)行內(nèi)／外符合精度分析，結(jié)果如圖6所示。

從車載設(shè)備的N，E，U三個(gè)方向定位偏差圖可以看出車載基準(zhǔn)設(shè)備S6536B和待檢測(cè)設(shè)備R4在1 h的測(cè)試時(shí)間內(nèi)的定位結(jié)果比較穩(wěn)定，N，E方向定位精度均優(yōu)于1 c m，U方向優(yōu)于2 c m。而表1給出了車載設(shè)備定位結(jié)果的內(nèi)／外符合精度的統(tǒng)計(jì)值，可供檢測(cè)比對(duì)使用。

圖6 車載設(shè)備定位偏差圖

表1 車載設(shè)備精度統(tǒng)計(jì)值 mm

3．2 動(dòng)態(tài)接入

動(dòng)態(tài)定位性能是反映RTK終端設(shè)備質(zhì)量的重要方面。在車速40 k m／h左右的情況下，獲取車載設(shè)備的RTK定位信息并作出其運(yùn)動(dòng)軌跡圖。同時(shí)，利用RTKLIB軟件動(dòng)態(tài)解算車載基準(zhǔn)設(shè)備事后數(shù)據(jù)獲得同一時(shí)段的運(yùn)動(dòng)軌跡圖?；鶞?zhǔn)設(shè)備事后數(shù)據(jù)解算的頻率為1 s，而待檢測(cè)設(shè)備R4的采樣率為5 s。為有效的分析兩者之間的誤差，需要對(duì)兩者的定位信息進(jìn)行歷元匹配，得到其軌跡對(duì)比圖，并對(duì)平面x，y方向的誤差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，誤差分別為0．089 0 m和0．071 1 m。軌跡對(duì)比圖如圖7所示，x，y方向的檢測(cè)校差如圖8所示。

4 結(jié) 論

本文提出了一種新的RTK流動(dòng)站終端實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)檢測(cè)技術(shù)。采用車載衛(wèi)星信號(hào)收轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星信號(hào)的動(dòng)態(tài)捕獲與跟蹤，并利用“一天線多接收機(jī)”原理保證車載設(shè)備的數(shù)據(jù)同源性，消除多變量影響。同時(shí)，又結(jié)合CORS技術(shù)實(shí)現(xiàn)車載設(shè)備定位信息的實(shí)時(shí)上傳和獲取，達(dá)到實(shí)時(shí)檢測(cè)的目的。該車載檢測(cè)平臺(tái)具備一定的創(chuàng)新性和先進(jìn)性，為驗(yàn)證系統(tǒng)平臺(tái)的可用性，相關(guān)測(cè)試結(jié)果表明：

1）車載基準(zhǔn)設(shè)備和待檢測(cè)設(shè)備均能在車載平臺(tái)中完成可靠的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)定位解算，統(tǒng)計(jì)可得：靜態(tài)檢測(cè)模式下，N，E方向定位精度均優(yōu)于1 c m，U方向優(yōu)于2 c m；動(dòng)態(tài)檢測(cè)模式下，平面方向可達(dá)到厘米級(jí)的檢測(cè)精度，即檢測(cè)平臺(tái)可用性良好。

圖7 軌跡對(duì)比圖

圖8 檢測(cè)校差圖

2）車載軟件可以實(shí)時(shí)分析車載設(shè)備的搜星情況，固定狀態(tài)、歷元時(shí)間及DOP值等定位信息，并可對(duì)待檢測(cè)設(shè)備和基準(zhǔn)設(shè)備定位坐標(biāo)結(jié)果實(shí)時(shí)的顯示和比對(duì)分析。

［1］ 劉經(jīng)南，劉暉．連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位服務(wù)系統(tǒng)—城市空間數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)設(shè)施［J］．武漢大學(xué)學(xué)報(bào)：信息科學(xué)版，2003，28（3）：259－264．

［2］ 李小軍．GPS接收機(jī)檢定原理與方法［J］．地理空間信息，2008，6（5）：50－52．

［3］ 謝世杰，奚有根．RTK的特點(diǎn)與誤差分析［J］．測(cè)繪工程，2002，11（2）：34－37．

［4］ 劉興明，包曉光．GPS車載導(dǎo)航定位技術(shù)研究［J］．測(cè)繪工程，2013，22（6）：31－34．

［5］ 袁本銀，高成發(fā)，柯福陽(yáng)，等．GPS／VRS虛擬觀測(cè)值生成與發(fā)布研究［J］．測(cè)繪工程，2009，18（5）：27－30

［6］ 張風(fēng)，王慶，潘樹國(guó)．一種新的網(wǎng)絡(luò)RTK電文格式編碼解碼方法［J］．測(cè)控技術(shù)，2010，29（10）：96－98．

［7］ 喻國(guó)榮，王慶，彭慧．多參考站網(wǎng)絡(luò)的虛擬觀測(cè)值生成算法［J］．東南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2008，37（6）：1113－1116．

［8］ 林超．智能RTK GNSS接收機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)研究［J］．測(cè)繪工程，2013，22（4）：52－54．

［9］ 武堅(jiān)，王積武，張峽輝，等．山區(qū)村落單基站RTK測(cè)量的可靠性檢測(cè)和成果精度評(píng)估［J］．測(cè)繪與空間地理信息，2014，37（5）：101－102．