郝國欣,羅旻

(中國電波傳播研究所,山東 青島 266107)

0 引 言

隨著時(shí)代進(jìn)步和技術(shù)發(fā)展,實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分(RTK)方法作為一種測(cè)量技術(shù)發(fā)展的新突破廣泛應(yīng)用于地理環(huán)境感知、地形測(cè)繪、地質(zhì)勘查[1]等方面。早期的RTK技術(shù)是在GPS 基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,在基準(zhǔn)站定位精確的前提下,能夠?qū)崟r(shí)提供移動(dòng)站在指定坐標(biāo)系中的多維定位結(jié)果,并在一定范圍內(nèi)達(dá)到厘米級(jí)精度的一種新的GPS 定位技術(shù),因此也稱為GPS-RTK。

在我國,傳統(tǒng)的GPS-RTK只能接收GPS、GLONASS 的導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào),同時(shí)由于受GPS衛(wèi)星空間組成和信號(hào)強(qiáng)度等原因,導(dǎo)致了某些時(shí)段和某些位置的“盲區(qū)”現(xiàn)象。為擺脫GPS的技術(shù)束縛,國內(nèi)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)近年來迅猛發(fā)展,為BDS與GPS組合系統(tǒng)下的RTK技術(shù)共用/共享/共發(fā)展提供了一條良好的技術(shù)融合途徑。

1 RTK技術(shù)的基本原理

1.1 基本原理

早期差分GPS技術(shù)有三種,位置差分、偽距差分和相位差分。差分方式都是由基準(zhǔn)站發(fā)送改正數(shù),由移動(dòng)站接收并對(duì)其測(cè)量結(jié)果進(jìn)行改正,以獲得精確的定位結(jié)果如圖1所示[2]。所不同的是發(fā)送改正數(shù)的具體內(nèi)容不一樣,其差分定位精度也不同。位置差分和偽距差分帶來的定位誤差相關(guān)性會(huì)隨基準(zhǔn)站與移動(dòng)站的空間距離的增加而導(dǎo)致定位精度迅速降低。RTK技術(shù)是基于相位差分的一種方法,同時(shí)它還被稱為載波相位實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分定位,其能夠在非常短的時(shí)隙內(nèi)固定模糊度,為用戶提供厘米級(jí)的定位精度。

GPS-RTK測(cè)量系統(tǒng)一般由三部分組成:GPS接收設(shè)備、無線數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備、配套計(jì)算軟件。工作原理是將一臺(tái)接收機(jī)置于基準(zhǔn)站上,該接收機(jī)為參考站,另一臺(tái)接收機(jī)置于移動(dòng)站上?；鶞?zhǔn)站和移動(dòng)站對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行連續(xù)觀測(cè),同時(shí)接收同一時(shí)間相同GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)。

基準(zhǔn)站所獲得的觀測(cè)值與已知位置信息進(jìn)行比較,得到GPS 差分修正值。然后將這個(gè)修正值及時(shí)地通過無線數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備發(fā)送給移動(dòng)站以精化其GPS 觀測(cè)值。移動(dòng)站GPS接收機(jī)在接收GPS衛(wèi)星信號(hào)的同時(shí),通過無線通信設(shè)備,接收基準(zhǔn)站傳輸?shù)臄?shù)據(jù),然后利用計(jì)算機(jī)技術(shù),通過其內(nèi)部的處理器和相應(yīng)的軟件計(jì)算算法,自動(dòng)實(shí)時(shí)解算出移動(dòng)站所處位置的三維坐標(biāo)(即移動(dòng)站所處點(diǎn)的平面坐標(biāo)X、Y和海拔高H),這樣經(jīng)差分修正后移動(dòng)站的實(shí)時(shí)位置準(zhǔn)確度進(jìn)一步提高。在整個(gè)GPS-RTK測(cè)量過程中,移動(dòng)站也可以是靜止的。

1.2 GPS+BDS混合RTK

BDS-RTK 是基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的RTK 技術(shù),可視衛(wèi)星多,衛(wèi)星高度角大,觀測(cè)衛(wèi)星的幾何圖形強(qiáng)度更強(qiáng)以及多余觀測(cè)量更多,能夠長時(shí)間以低空間位置精度因子(PDOP) 值進(jìn)行工作,使得整個(gè)衛(wèi)星定位系統(tǒng)的可靠性和可用性提高很多,尤其是對(duì)于單一系統(tǒng)衛(wèi)星數(shù)量比較少或遮擋比較嚴(yán)重的情況,保證高標(biāo)準(zhǔn)定位的定位精度,而且能夠兼容和自由切換GPS、GNSS定位系統(tǒng)。

在GPS+BDS-RTK 組合條件下[3],RTK雙差分技術(shù)可以包括:只在同一類系統(tǒng)觀測(cè)值之間組成星站間差分(稱標(biāo)準(zhǔn)雙差);僅選擇某個(gè)系統(tǒng)的衛(wèi)星為參考星,對(duì)不同系統(tǒng)的觀測(cè)值組成星站間差分(稱混合雙差)。

單一使用GPS或BDS系統(tǒng)時(shí),接收同一系統(tǒng)下不同衛(wèi)星信號(hào)時(shí),接收路徑中帶來的一切時(shí)延偏差(如衛(wèi)星鐘差、大氣誤差和接收機(jī)鐘差等)均可以通過標(biāo)準(zhǔn)雙差抵消掉。但當(dāng)使用GPS+BDS組合系統(tǒng)時(shí),即混合雙差時(shí),接收機(jī)接收到的衛(wèi)星信號(hào)就存在很大的差異性,而導(dǎo)致數(shù)據(jù)的相關(guān)性大大降低,這主要是由于兩個(gè)系統(tǒng)的頻率和系統(tǒng)時(shí)延偏差不一樣的原因。對(duì)于這些系統(tǒng)間偏差,由于采用的混合雙差增加了衛(wèi)星觀測(cè)方程的個(gè)數(shù)和多余觀測(cè)量,引入了系統(tǒng)誤差特性計(jì)算,完全可以事先分析得出修正值并進(jìn)一步精化。

1.3 混合RTK數(shù)學(xué)模型

在單GPS系統(tǒng)中,衛(wèi)星q任意時(shí)刻的相位φ、偽距p的非差觀測(cè)方程可以表示為

E(φ)=ρ+c[dtr+δGPS(q)-τGPS(q)]-

c[dts+δs]+α+λGPS(q)Nq,

(1)

E(p)=ρ+c[dtr+dGPS(q)-τGPS(q)]-

c[dts+ds]+a,

(2)

其中:E為數(shù)學(xué)期望;ρ為站星間的幾何距離;c為真空中的光速常數(shù)；dtr為接收機(jī)的鐘差；δGPS(q)為接收機(jī)相位的時(shí)延偏差；τGPS(q)為衛(wèi)星系統(tǒng)與接收機(jī)參考時(shí)間系統(tǒng)之間的差異；dts為衛(wèi)星的鐘差；δs為衛(wèi)星相位的時(shí)延偏差；α為相位大氣時(shí)延；λGPS(q)為對(duì)應(yīng)頻率的波長；Nq為非差模糊度；dGPS(q)為接收機(jī)的偽距；ds為衛(wèi)星的偽距；a為偽距偏差。

定義基準(zhǔn)站b,移動(dòng)站m,定義參考星r.對(duì)雙差分后的相位和偽距符號(hào)定義為和

由此可以得到標(biāo)準(zhǔn)差分后的雙差觀測(cè)方程:

E(Δδ+

(3)

E(Δd,

(4)

式中,ΔN為單差模糊度。

針對(duì)單BDS系統(tǒng),只需要把式(1)～(4)中的‘GPS’標(biāo)示更換為‘BDS’即可。

在GPS+BDS混合雙差分時(shí),即衛(wèi)星r和q屬于不同系統(tǒng)的衛(wèi)星時(shí),由于GPS和BDS的頻率不一樣,式(3)就可以變化為

E(

(5)

式中,q代表了BDS的所有衛(wèi)星,可見所有BDS衛(wèi)星都包括系數(shù)為光速的偏差參數(shù)和模糊度偏差參數(shù)。

GPS和BDS在信號(hào)體制結(jié)構(gòu)方面采用的都是碼分多址技術(shù)(CDMA),使得兩者在數(shù)據(jù)處理模型方面非常接近,有利于進(jìn)行雙系統(tǒng)組合定位。利用該模型分析GPS+BDS組合RTK的定位性能,通過短基線實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析表明[4]:GPS+BDS組合系統(tǒng)采取混合雙差處理算法相比于單一系統(tǒng),明顯提高了定位的穩(wěn)定性和精度,改善了模糊度固定的正確率,并降低了模糊度的錯(cuò)誤拒絕率。

2 雙差分RTK在車載平臺(tái)上的實(shí)現(xiàn)

2.1 設(shè)計(jì)思路

車載機(jī)動(dòng)平臺(tái)行進(jìn)于復(fù)雜路面上,定位導(dǎo)航是引導(dǎo)載運(yùn)平臺(tái)在遠(yuǎn)程遙控條件下完成地理信息采集的最基本控制手段。

利用BDS與GPS兩種類型定位導(dǎo)航系統(tǒng)構(gòu)成組合導(dǎo)航體系,借鑒混合雙差數(shù)學(xué)模型(式(5)),把RTK技術(shù)應(yīng)用在遙控車載平臺(tái)上,依賴其高精度定位、高可靠導(dǎo)航信息等優(yōu)點(diǎn),確保車載平臺(tái)沿著既定路線的軌跡行進(jìn),從而精確得到目標(biāo)區(qū)域的地理信息。

該設(shè)計(jì)應(yīng)用一方面將遙控車載平臺(tái)的經(jīng)度、緯度、速度等信息, 經(jīng)車載無線數(shù)據(jù)傳輸鏈路實(shí)時(shí)地發(fā)送至后方控制端,另一方面通過后方控制端(基準(zhǔn)站)時(shí)刻對(duì)遙控車載端(移動(dòng)站)的導(dǎo)航定位信息進(jìn)行校正精化,確保了既定路線的“軌跡執(zhí)行”要求。

2.2 GPS+BDS設(shè)備選取

在本遠(yuǎn)程遙控車載地理信息采集系統(tǒng)應(yīng)用中,選用的RTK設(shè)備為基于GPS/BDS/GLONASS三星七頻板卡為核心組件的定位定向接收機(jī)，如圖2所示。

該板卡可以同時(shí)接收BDS-B1、B2、B3,GPS-L1、L2和GLONASS-L1、L2總共七種頻點(diǎn)的衛(wèi)星信號(hào),授時(shí)精度可以達(dá)到50 ns和30 ns兩種狀態(tài)。接收機(jī)內(nèi)部集成該型板卡,并獨(dú)立使用兩個(gè)外接天線,通過內(nèi)嵌的雙天線定向解算算法引擎,利用RTK技術(shù)能夠精確解算出兩個(gè)天線位置信息和兩個(gè)天線相位中心連線與真北之間的夾角從而進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)高精度的定位定向,在選用GPS+BDS雙系統(tǒng)混合RTK條件下,利用基準(zhǔn)站的無線差分?jǐn)?shù)據(jù),可使定位精度達(dá)到2 cm.RTK數(shù)據(jù)接口采取串口協(xié)議形式與上位機(jī)進(jìn)行通信。

2.3 無線數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備

系統(tǒng)中選用的無線數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備為iNET900數(shù)傳電臺(tái)。該電臺(tái)傳輸距離遠(yuǎn),傳輸速率高,在條件允許的情況下,iNET900可提供可靠的通信距離達(dá)50 km.電臺(tái)參數(shù)如下:①工作頻率:902～928 MHz;②傳輸速率:1 Mbps(網(wǎng)口)/1 200 — 115 200 bps(COM口);③擴(kuò)頻模式:跳頻擴(kuò)頻;④發(fā)射功率:最大15W;⑤接收機(jī)靈敏度:-97 dBm @ 512 kbps<1×10-6BER;-92 dBm @ 1 Mbps<1×10-6BER.

由于iNET900數(shù)傳電臺(tái)具有雙網(wǎng)關(guān)模式,可以同時(shí)支持串口設(shè)備和以太網(wǎng)設(shè)備連接。為把車載移動(dòng)站設(shè)計(jì)成為一個(gè)可移動(dòng)的無線訪問網(wǎng)絡(luò),在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中將遠(yuǎn)端以太網(wǎng)或串口網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)直接傳輸?shù)交贗P的網(wǎng)絡(luò)中。這樣,在保證占用一個(gè)串口進(jìn)行雙差分RTK數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐瑫r(shí),另外的網(wǎng)口完全可以去執(zhí)行基準(zhǔn)站和移動(dòng)站之間的其他設(shè)備遙控指令數(shù)據(jù)的雙向傳輸。如圖3所示。

2.4 應(yīng)用注意事項(xiàng)

1) RTK定位的數(shù)據(jù)處理主要是采取基準(zhǔn)站和移動(dòng)站間的單基線處理,而基準(zhǔn)站和移動(dòng)站的觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量及無線通信鏈路的傳播質(zhì)量對(duì)定位精度的影響極大。因此,把基準(zhǔn)站設(shè)立在要進(jìn)行RTK測(cè)量區(qū)域的地勢(shì)高點(diǎn)上,盡可能提高基準(zhǔn)站和移動(dòng)站天線的架設(shè)高度。

2) 圖3中,基于IP網(wǎng)絡(luò)的RTK技術(shù)應(yīng)用,要注意RTK數(shù)據(jù)量和IP數(shù)據(jù)量的比較,避免RTK數(shù)據(jù)占用數(shù)傳電臺(tái)的串口帶寬“擁塞”其他設(shè)備的網(wǎng)口帶寬。

3) 數(shù)據(jù)算法處理選擇合適的坐標(biāo)系,減少坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換帶來的誤差。

3 結(jié)束語

針對(duì)遙控車載地理信息采集系統(tǒng)中使用的GPS+BDS混合雙差分RTK技術(shù),利用混合雙差分RTK數(shù)學(xué)模型,解決了不同系統(tǒng)觀測(cè)值之間的時(shí)延偏差不一致、觀測(cè)頻率不一致問題,使得衛(wèi)星觀測(cè)信息利用得更加充分,大大提高了RTK技術(shù)中模糊度固定的成功率,有效提高了定位精度,使得系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用過程中的地理信息采集更加準(zhǔn)確、有效,減低了人力投入,提高了工作效率。

若系統(tǒng)中GPS或BDS定位接收設(shè)備采用“組合慣導(dǎo)”方式, GPS+BDS混合雙差分RTK技術(shù)則可以推廣至人工智能控制領(lǐng)域,對(duì)無人機(jī)[5]、無人車平臺(tái)的軌跡路徑規(guī)劃過程中的高精度導(dǎo)航控制起著至關(guān)重要的作用,如圖4所示。

[1] 黃建學(xué).GPS-RTK測(cè)量技術(shù)在地質(zhì)勘查中的應(yīng)用[J].測(cè)繪與空間地理信息,2014,37(11):132-134.

[2] 余小龍,胡學(xué)奎.GPS RTK 技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)及發(fā)展前景[J]. 測(cè)繪通報(bào),2007(10):39-44.

[3] 滿小三,孫付平,潘國富,等.BDS/GPS組合RTK定位性能分析[J].測(cè)繪工程,2016,25(12):16-20.

[4] 張小紅,丁樂樂,何俊.雙衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)短基線動(dòng)態(tài)定位實(shí)驗(yàn)與對(duì)比分析[J].導(dǎo)航定位學(xué)報(bào),2014,2(2):26-30.

[5] 周國棟,胡延霖,于克振.基于GIS和GPS的某小型無人機(jī)監(jiān)控及導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].航空兵器,2006(2):13-16.