萬(wàn)育彰，張曉明，熊繼軍，陳 雷，晁正正，閆佳暉

(中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 太原 030051)

廣域無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于侵徹武器的爆炸場(chǎng)采集、道路探傷、地震監(jiān)測(cè)等廣域探測(cè)工程[1]，通過(guò)獲取相應(yīng)的物理場(chǎng)探測(cè)或監(jiān)測(cè)目標(biāo)與網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的相對(duì)位置，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)的幾何布局，確定目標(biāo)物的實(shí)際位置以及進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)，因此無(wú)線傳感測(cè)試網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)是廣域目標(biāo)探測(cè)、定位的“基準(zhǔn)點(diǎn)”，只有傳感節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)高精度定位才能保證目標(biāo)物位置的有效性和精度[2]。傳統(tǒng)的道路探傷、侵徹武器炸點(diǎn)定位等廣域物理場(chǎng)采集、監(jiān)測(cè)工作中，傳感測(cè)量網(wǎng)絡(luò)需要多個(gè)數(shù)據(jù)控制中心，每個(gè)數(shù)據(jù)控制中心連接上百個(gè)傳感測(cè)試節(jié)點(diǎn)進(jìn)行有線連接，節(jié)點(diǎn)按照網(wǎng)絡(luò)布局方案安裝，節(jié)點(diǎn)位置通過(guò)人工測(cè)量確定(設(shè)定某個(gè)點(diǎn)或地標(biāo)為基點(diǎn)，使用全站儀等地質(zhì)測(cè)量?jī)x器確定各節(jié)點(diǎn)與基點(diǎn)的位置關(guān)系)[3]，這樣工作耗時(shí)長(zhǎng)，節(jié)點(diǎn)位置精度浮動(dòng)大，而且當(dāng)測(cè)量范圍大、測(cè)量地形復(fù)雜時(shí)，部分無(wú)線傳感測(cè)試網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)無(wú)法使用直接目測(cè)或手動(dòng)測(cè)量的方法來(lái)確定節(jié)點(diǎn)位置，因此考慮使用衛(wèi)星定位方式為傳感測(cè)試節(jié)點(diǎn)提供位置信息，廣域無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)需要高精度探測(cè)如裂紋、震源、炸點(diǎn)等目標(biāo)位置，其節(jié)點(diǎn)的定位精度需要達(dá)到毫米級(jí)，而普通衛(wèi)星定位精度為米級(jí)，無(wú)法滿足節(jié)點(diǎn)定位需求，RTK定位能夠?qū)崿F(xiàn)毫米級(jí)定位，但傳統(tǒng)RTK要求節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)接收并處理基站發(fā)出的觀測(cè)數(shù)據(jù)，這需要節(jié)點(diǎn)的無(wú)線傳輸通訊模塊在節(jié)點(diǎn)定位過(guò)程中持續(xù)工作數(shù)小時(shí)甚至幾天，且布網(wǎng)范圍較大導(dǎo)致無(wú)線傳輸模塊的功率高，即使使用短波傳輸，其功耗也在十瓦級(jí)，一般達(dá)到幾十瓦以上，大功耗對(duì)應(yīng)的高耗電使得因?yàn)閳?zhí)行監(jiān)測(cè)任務(wù)而需要長(zhǎng)時(shí)間工作的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)由于電量問(wèn)題無(wú)法實(shí)現(xiàn)小體積，另一方面，傳統(tǒng)事后RTK無(wú)法為傳感節(jié)點(diǎn)提供同步時(shí)鐘，從而采集的物理場(chǎng)數(shù)據(jù)無(wú)法具備時(shí)間有效性，并且傳統(tǒng)的事后RTK定位速度慢[4]，而根據(jù)本文設(shè)計(jì)，較快地獲取高精度節(jié)點(diǎn)位置信息，有利于進(jìn)一步降低定位模塊的功耗。

針對(duì)上述問(wèn)題，考慮到無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的定位屬于靜態(tài)高精度定位，節(jié)點(diǎn)采集的物理信息需要時(shí)鐘統(tǒng)一，定位精度要求達(dá)到毫米級(jí)并對(duì)功耗要求盡可能低的特點(diǎn)，本文提出在事后RTK的基礎(chǔ)上，使用定位模塊輸出的PPS秒脈沖進(jìn)行時(shí)鐘同步，使定位模塊工作10～15 min，將觀測(cè)數(shù)據(jù)和星歷文件保存到存儲(chǔ)設(shè)備，任務(wù)結(jié)束后將數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)控制中心，進(jìn)行RTK定位解算[5]，從而獲取高精度節(jié)點(diǎn)位置與時(shí)間零點(diǎn)，通過(guò)卡爾曼濾波算法提高定位速度,從而確保使用較短時(shí)間輸出的觀測(cè)數(shù)據(jù)即可完成高精度定位，達(dá)到降低節(jié)點(diǎn)功耗的目的，同時(shí)還能保證節(jié)點(diǎn)的定位精度達(dá)到毫米級(jí)。

1 RTK定位原理與優(yōu)勢(shì)

1.1 普通GNSS定位方法

普通GNSS定位使用的是碼測(cè)量法，使用單個(gè)GNSS接收機(jī)即能實(shí)現(xiàn)定位，但定位精度為米級(jí)[6]，這種方法是通過(guò)GNSS接收機(jī)對(duì)接收到的C/A碼與接收機(jī)產(chǎn)生的復(fù)現(xiàn)碼進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，得到信號(hào)從衛(wèi)星發(fā)射到達(dá)接收機(jī)的時(shí)間，結(jié)合無(wú)線電波的傳播速度就得到了接收機(jī)與該衛(wèi)星的距離[7]，但由于距離的測(cè)量受到時(shí)鐘差、電離層、對(duì)流層等干擾，碼測(cè)量得到的距離與實(shí)際距離有偏差，將計(jì)算得出的距離稱為偽距，其表達(dá)式為:

ρ=r+c(tu-δt)=c(Tu-Ts)

(1)

當(dāng)接收機(jī)能與四個(gè)衛(wèi)星(未知量除接收機(jī)的位置變量xd、yd、zd坐標(biāo)外還有時(shí)鐘差)建立穩(wěn)定通信后，即可通過(guò)如式(2)所示偽距與位置的關(guān)系式構(gòu)建的方程組，求解出接收機(jī)的坐標(biāo)以及接收機(jī)與衛(wèi)星的時(shí)鐘差[8]。

(2)

即偽距的測(cè)量精度決定了碼測(cè)量法的定位精度[9]，但由于碼測(cè)量法得到的偽距測(cè)量值與實(shí)際值有較大差距，碼測(cè)量法的定位誤差往往會(huì)達(dá)到3～5 m[10]，不能滿足大地測(cè)量中測(cè)量節(jié)點(diǎn)高精度定位的要求。

1.2 RTK定位原理

RTK定位為載波相位差分定位法，需要使用兩個(gè)GNSS接收機(jī)，在待定位節(jié)點(diǎn)處和基站處安裝GNSS定位模塊，兩處同時(shí)輸出原始觀測(cè)數(shù)據(jù)和星歷文件，將基站與節(jié)點(diǎn)的GNSS定位模塊輸出的觀測(cè)數(shù)據(jù)中的載波相位進(jìn)行差分，結(jié)合基站的位置信息，通過(guò)相位差分得到基線向量，這樣得到的向量終點(diǎn)即為節(jié)點(diǎn)位置。這種定位模式示意圖如圖1[11]。

通過(guò)計(jì)算節(jié)點(diǎn)處衛(wèi)星接收機(jī)與基站處接收機(jī)的觀測(cè)數(shù)據(jù)中載波相位的差值進(jìn)而求出基線向量，當(dāng)A為基站，B為節(jié)點(diǎn)，AB兩處接收機(jī)同時(shí)觀測(cè)j，k衛(wèi)星時(shí)符合關(guān)系式為[11-12]：

(3)

l=λ(n0-Δφ)

(4)

若衛(wèi)星信號(hào)從衛(wèi)星上發(fā)射時(shí)載波相位為φ0，到達(dá)接收機(jī)的載波相位為φ1，則式(4)中n0為(φ1-φ0)的整周期數(shù)，Δφ為(φ1-φ0)結(jié)果中不足一周期的小數(shù)部分，Δφ可以由接收機(jī)中的載波跟蹤環(huán)準(zhǔn)確測(cè)得，但n0不能直接測(cè)得，只能通過(guò)間接辦法進(jìn)行估計(jì)，因此也稱之為整周模糊度，由此可以看出，RTK測(cè)量精度的關(guān)鍵在于整周模糊度估計(jì)值與實(shí)際值的誤差[12]，當(dāng)整周模糊度確定后，載波相位測(cè)量法測(cè)距精度與所測(cè)信號(hào)波長(zhǎng)有關(guān)，波長(zhǎng)越小，測(cè)距精度越高，且不超過(guò)波長(zhǎng)[13]。因此從信號(hào)本身的精度上看，相位測(cè)量法的精度就優(yōu)于碼測(cè)量法，同時(shí)作為差分測(cè)量法，基站處的GNSS接收機(jī)還能為節(jié)點(diǎn)接收機(jī)提供誤差補(bǔ)償信息，如多普勒頻移、電離層延遲等數(shù)據(jù)[13]，通過(guò)事后對(duì)基站接收的載波相位與節(jié)點(diǎn)接受的載波相位進(jìn)行差分，得到基站與節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的基線向量，并使用已知位置的基站作為向量起點(diǎn)，補(bǔ)償了誤差，使得其影響被削弱到最小。載波相位測(cè)量法的精度在誤差源影響較小情況下，其定位精度為載波波長(zhǎng)的1/100，以GPS載波信號(hào)為例，其衛(wèi)星信號(hào)民用的常用頻點(diǎn)為L(zhǎng)1—1 575.42 MHz以及L2—1 228 MHz[14]，無(wú)線電波以光速在真空介質(zhì)中傳播，根據(jù)式(5)計(jì)算，可得出GPS衛(wèi)星信號(hào)載波波長(zhǎng)為0.19 m，因此一般情況下定位精度能達(dá)到0.001 9 m即實(shí)現(xiàn)毫米級(jí)定位。

λ=c/f

(5)

因此RTK的定位精度可以達(dá)到毫米級(jí)，滿足廣域測(cè)量網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的定位精度要求[15]。

2 無(wú)線傳感測(cè)量網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成

廣域無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)主要由數(shù)據(jù)控制中心、無(wú)線通信中繼站、GNSS基站以及傳感節(jié)點(diǎn)等構(gòu)成[16]。其中數(shù)據(jù)控制中心控制網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)以及對(duì)節(jié)點(diǎn)所采集數(shù)據(jù)的處理，節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)其安裝區(qū)域的物理信息采集，GNSS基站為節(jié)點(diǎn)RTK定位提供基點(diǎn)信息，而無(wú)線通信中繼站則保證了系統(tǒng)大范圍測(cè)量時(shí)，數(shù)據(jù)控制中心與各節(jié)點(diǎn)能夠成功通訊，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

因此節(jié)點(diǎn)作為整個(gè)系統(tǒng)的“感知單元”，其信息獲取的準(zhǔn)確性決定了系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確完成監(jiān)測(cè)任務(wù)。無(wú)線傳感測(cè)試節(jié)點(diǎn)硬件構(gòu)成框圖如圖3。

通過(guò)傳感模塊采集指定的物理場(chǎng)，GNSS定位模塊為節(jié)點(diǎn)提供位置信息以及為傳感網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)提供統(tǒng)一時(shí)鐘，并將這物理場(chǎng)采集數(shù)據(jù)和位置數(shù)據(jù)處理后存入存儲(chǔ)模塊，定位模塊工作10 min后進(jìn)入待機(jī)模式，僅提供同步時(shí)鐘，從而在保證傳統(tǒng)事后RTK所具備的高精度和較實(shí)時(shí)RTK低功耗基礎(chǔ)上，進(jìn)一步降低了功耗還保證了傳感網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)采集的物理場(chǎng)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步，而無(wú)線通訊模塊用于接收數(shù)據(jù)控制中心的控制指令，只在測(cè)試開(kāi)始和結(jié)束時(shí)工作。節(jié)點(diǎn)的模塊構(gòu)成中，MCU處理、供電、信號(hào)調(diào)理、信號(hào)采集等模塊不是本文重點(diǎn)，不在此進(jìn)行詳細(xì)描述，重點(diǎn)展開(kāi)對(duì)實(shí)現(xiàn)事后RTK相關(guān)的硬件電路模塊，即GNSS模塊和存儲(chǔ)模塊的詳細(xì)說(shuō)明。

2.1 GNSS模塊硬件設(shè)計(jì)

GNSS定位模塊是實(shí)現(xiàn)事后RTK并在其基礎(chǔ)上為傳感網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)提供統(tǒng)一時(shí)鐘的硬件模塊，因此需要選擇一款能夠輸出觀測(cè)數(shù)據(jù)和星歷文件(事后RTK使用)和高精度PPS秒脈沖的衛(wèi)星信號(hào)接收芯片作為模塊核心，經(jīng)過(guò)查找相關(guān)芯片選擇符合上述要求的Ublox NEO_M8T作為模塊的GNSS接收芯片，該芯片需要穩(wěn)定的5 V電壓供電，因此模塊硬件電路還需包含5 V穩(wěn)壓芯片以及相關(guān)外圍的阻容，構(gòu)成RC濾波網(wǎng)絡(luò)，以保證供電電壓的穩(wěn)定，再配合必需的衛(wèi)星信號(hào)接收天線接口及衛(wèi)星信號(hào)輸入線，這樣就構(gòu)成了如圖4所示的測(cè)試節(jié)點(diǎn)定位模塊結(jié)構(gòu)框圖。

定位模塊通過(guò)串口進(jìn)行數(shù)據(jù)的輸出與輸入，輸入的內(nèi)容主要是控制指令，用于配置NEO_M8T的相關(guān)工作狀態(tài)以及部分附加功能的開(kāi)啟或關(guān)閉，在進(jìn)行配置時(shí)，考慮到數(shù)據(jù)可存儲(chǔ)性以及后期處理的便捷，將模塊輸出數(shù)據(jù)(觀測(cè)數(shù)據(jù)和星歷文件)格式配置為十六進(jìn)制的UBX文件，由于傳統(tǒng)的事后RTK僅作為一項(xiàng)較實(shí)時(shí)RTK低功耗的高精度定位技術(shù)使用，而沒(méi)用充分使用其具有授時(shí)功能的PPS秒脈沖，尤其在物理場(chǎng)采集或監(jiān)測(cè)工程中，物理場(chǎng)隨時(shí)間變化，傳感網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘統(tǒng)一十分必要，因此，在事后RTK基礎(chǔ)上利用芯片能輸出高精度PPS秒脈沖，其時(shí)鐘精度≤20 ns，將其配置供節(jié)點(diǎn)內(nèi)物理場(chǎng)采集模塊的高精度ADC使用的8 MHz時(shí)鐘信號(hào)，并將PPS秒脈沖輸出引腳與ADC的時(shí)鐘輸入引腳相連，在讀取模塊輸出的時(shí)間信息，即可實(shí)現(xiàn)各傳感節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)時(shí)間同步，而前面配置的UBX格式的觀測(cè)數(shù)據(jù)和星歷文件則通過(guò)串口保存到存儲(chǔ)設(shè)備中。天線接口選用常見(jiàn)的MCX接口，特征阻抗為50 Ω，因此在進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)時(shí)需要注意衛(wèi)星信號(hào)線的阻抗匹配問(wèn)題。

2.2 存儲(chǔ)模塊硬件設(shè)計(jì)

當(dāng)定位模塊設(shè)計(jì)完成并能夠工作后，定位模塊即可通過(guò)串口輸出RTK所需的數(shù)據(jù)信息，這些數(shù)據(jù)通過(guò)串口存儲(chǔ)模塊保存至TF卡等存儲(chǔ)設(shè)備中，事后將存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)導(dǎo)入電腦進(jìn)行RTK處理，串口存儲(chǔ)模塊原理框圖如圖5。

通過(guò)定位模塊和串口存儲(chǔ)模塊的硬件設(shè)計(jì)，將串口存儲(chǔ)模塊的串口與定位模塊的串口對(duì)應(yīng)線相連，即可實(shí)現(xiàn)將定位模塊輸出的RTK所需數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至存儲(chǔ)設(shè)備中的功能。

2.3 低功耗定位方案設(shè)計(jì)

無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)體積小，且由電池獨(dú)立供電，因此在長(zhǎng)達(dá)數(shù)小時(shí)甚至幾天的物理場(chǎng)采集或目標(biāo)區(qū)域物理場(chǎng)監(jiān)測(cè)等任務(wù)中，低功耗尤為重要。即便是在實(shí)時(shí)RTK基礎(chǔ)上通過(guò)減少無(wú)線鏈路通訊時(shí)間降低了功耗的事后RTK在如此長(zhǎng)時(shí)間工作情況下，功耗仍然太高，這也是目前主流的物理場(chǎng)測(cè)量工程中，傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)不使用衛(wèi)星定位的主要原因。因此針對(duì)工程特征，傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在安裝完畢后靜止，屬于靜態(tài)定位，因此一旦獲取其高精度位置結(jié)果后，定位模塊可以進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，不在解算衛(wèi)星信號(hào)以降低功耗，即通過(guò)控制定位模塊的工作時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)降低節(jié)點(diǎn)的平均功耗，具體方案流程如圖6所示。

在工程開(kāi)始時(shí)，首先進(jìn)行模塊自檢，由于希望盡可能地減少使用無(wú)線通訊的時(shí)間，因此使定位模塊在正常工作狀態(tài)運(yùn)行，并通過(guò)無(wú)線通訊模塊接收1～2 min由定位模塊輸出的數(shù)據(jù)，通過(guò)查看數(shù)據(jù)幀是否完整有效，判斷定位模塊是否工作正常，在確定定位模塊正常工作后，模塊輸出數(shù)據(jù)存入存儲(chǔ)卡中并保持工作狀態(tài)15 min(經(jīng)過(guò)測(cè)試15 min輸出的數(shù)據(jù)可得到高精度定位結(jié)果)，隨后定位模塊進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，僅為隨后進(jìn)行物理場(chǎng)采集工作的傳感網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)的傳感采集模塊提供統(tǒng)一的時(shí)鐘信號(hào)即可，由此，在長(zhǎng)達(dá)數(shù)小時(shí)甚至數(shù)天的物理場(chǎng)采集、監(jiān)測(cè)任務(wù)中，傳感網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)的定位模塊的正常工作時(shí)間僅不到20 min，因此大大降低了由定位模塊產(chǎn)生的耗電，即在事后RTK的基礎(chǔ)上進(jìn)一步降低了功耗。

3 定位實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)處理

3.1 定位實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證事后RTK定位精度以及功耗，展開(kāi)了室外GNSS定位實(shí)驗(yàn)，首先將基站與節(jié)點(diǎn)的天線固定在不同位置的支架上，并在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，測(cè)量了基站與節(jié)點(diǎn)的距離為6.85 m，為后期驗(yàn)證定位精度提供對(duì)照，隨后基站與節(jié)點(diǎn)的接收機(jī)同時(shí)上電，接收衛(wèi)星信號(hào)并將星歷文件和觀測(cè)數(shù)據(jù)存入存儲(chǔ)卡中，工作16 min后下電，分別讀取基站與節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)卡，并對(duì)其中數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到最終的定位結(jié)果，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖7。

3.2 數(shù)據(jù)處理

接收機(jī)輸出的數(shù)據(jù)處理是將模塊輸出的UBX數(shù)據(jù)分離并轉(zhuǎn)換為RTK定位所用的RENIX文件最終通過(guò)RENIX文件得到位置信息，其具體流程如圖8所示。

為方便數(shù)據(jù)處理，將接收機(jī)輸出數(shù)據(jù)格式設(shè)置為十六進(jìn)制的UBX協(xié)議，并根據(jù)RTK解算，需要接收機(jī)提供原始觀測(cè)數(shù)據(jù)以及星歷文件，配置模塊僅輸出UBX協(xié)議下的AID-ALM、RXM-SFRBX以及RXM-RAWX三種數(shù)據(jù)幀，其中第一項(xiàng)為星歷文件，第二項(xiàng)為導(dǎo)航數(shù)據(jù)子幀，第三項(xiàng)為觀測(cè)數(shù)據(jù)，這三類信息對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)在定位作業(yè)過(guò)程中不斷輸出，并通過(guò)串口存儲(chǔ)模塊存儲(chǔ)到SD卡中，數(shù)據(jù)輸出的頻率可設(shè)置為1～10 Hz，考慮到數(shù)據(jù)輸出頻率高有利于提高定位精度，將數(shù)據(jù)輸出頻率設(shè)置為10 Hz。在定位作業(yè)結(jié)束后，讀取存儲(chǔ)卡中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)文件—UBX文件，將UBX文件導(dǎo)入到RTKLIB中，即可得到單個(gè)模塊的RENIX格式的O文件和N文件，其中O文件為觀測(cè)文件，主要內(nèi)容為該模塊觀測(cè)到的衛(wèi)星信號(hào)的載波相位、C/A碼偽距、多普勒頻率以及信噪比等內(nèi)容。N文件為導(dǎo)航文件，用于提供該模塊觀測(cè)到的衛(wèi)星的軌道參數(shù)，結(jié)合時(shí)間即可確定衛(wèi)星此時(shí)的具體位置，同時(shí)由于衛(wèi)星軌道變化緩慢，因此還能對(duì)該時(shí)間點(diǎn)以后的一段時(shí)間內(nèi)衛(wèi)星位置進(jìn)行預(yù)測(cè)，通過(guò)模塊輸出的UBX數(shù)據(jù)文件處理后生成的O文件和N文件內(nèi)容如圖9(a)、(b)所示。

因此結(jié)合O文件和N文件內(nèi)容即可獲取接收機(jī)與衛(wèi)星的距離以及對(duì)應(yīng)衛(wèi)星的位置，從而根據(jù)式(2)所示定位原理即可求出接收機(jī)的大致位置，同時(shí)通過(guò)結(jié)合Kalman濾波提高定位精度，其具體流程如圖10所示。

圖10流程中最后求得的固定解即為精確定位結(jié)果，而之前的浮點(diǎn)解即表現(xiàn)為一段漂浮的定位散點(diǎn)結(jié)果。

通過(guò)對(duì)固定解進(jìn)行數(shù)據(jù)分析求出，普通定位下X軸標(biāo)準(zhǔn)差為1.304 m，Y軸標(biāo)準(zhǔn)差：1.391 3 m，Z軸標(biāo)準(zhǔn)差：1.987 3 m，顯然普通定位精度達(dá)不到傳感測(cè)試網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的定位精度要求。進(jìn)而探究RTK定位精度，RTK需要節(jié)點(diǎn)與基站兩處接收機(jī)的觀測(cè)文件，以及兩者中任意一個(gè)接收機(jī)輸出的導(dǎo)航文件，從而通過(guò)載波相位差分得到基線向量，再給出基站的位置，基線向量起點(diǎn)為基站位置，即可求出終點(diǎn)，即節(jié)點(diǎn)的精確位置，通過(guò)數(shù)據(jù)分析得出，RTK定位結(jié)果中，X軸標(biāo)準(zhǔn)差：0.002 7 m，Y軸標(biāo)準(zhǔn)差：0.005 1 m，Z軸標(biāo)準(zhǔn)差：0.003 5 m，均到達(dá)毫米級(jí)定位誤差，滿足監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)對(duì)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的定位精度要求。定位結(jié)果散點(diǎn)圖如圖11所示，將兩種定位方法的數(shù)據(jù)分析結(jié)果如表1。

表1 兩種定位方法定位精度

同時(shí)對(duì)PPS同步時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果如圖12，由圖12中可以看出，時(shí)鐘精度可達(dá)納秒級(jí)。

由于傳統(tǒng)WGS84坐標(biāo)系給出的定位結(jié)果為經(jīng)緯高，不方便數(shù)據(jù)分析，因此在ECEF坐標(biāo)系下給出定位結(jié)果并以此進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，而后轉(zhuǎn)換為以基站位置為原點(diǎn)的基站坐標(biāo)系形式給出，計(jì)算基站與節(jié)點(diǎn)距離，求RTK定位結(jié)果的均值并得出RTK解算下節(jié)點(diǎn)與基站距離為6.853 5 m，與實(shí)驗(yàn)前測(cè)量的基站與節(jié)點(diǎn)實(shí)際距離相差3.5 mm，驗(yàn)證了事后RTK定位結(jié)果精度可達(dá)到毫米級(jí)，同時(shí)，單個(gè)節(jié)點(diǎn)的定位模塊僅使用一根無(wú)源GPS天線，并通過(guò)統(tǒng)計(jì)事后RTK硬件所使用的各個(gè)芯片的功耗得出，事后RTK硬件功耗為132 mW，而市面上RTK產(chǎn)品的功耗普遍在5～30 W之間，即事后RTK定位在保證高精度定位結(jié)果的前提下實(shí)現(xiàn)了低功耗。

4 結(jié)論

1) 本文給出了RTK定位符合節(jié)點(diǎn)定位精度要求，但同時(shí)存在功耗大、無(wú)法實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘同步的問(wèn)題。

2) 在硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)及定位方案上創(chuàng)新，使用定位模塊輸出的秒脈沖，使各節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步。

3) 通過(guò)加入卡爾曼濾波提高定位速度，以及運(yùn)行一段時(shí)間定位模塊，當(dāng)數(shù)據(jù)足夠獲取高精度位置信息后使定位模塊待機(jī)，從而在傳統(tǒng)事后RTK基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)高精度定位并有效降低功耗。

4) 通過(guò)定位實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了事后RTK能實(shí)現(xiàn)毫米級(jí)定位，滿足野外物探以及大地測(cè)量對(duì)測(cè)試網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的定位精度要求，且時(shí)鐘同步精度也達(dá)到要求，并且硬件系統(tǒng)功耗低達(dá)132 mW。

5) 這一創(chuàng)新使較小體積的電池能保證節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)工作數(shù)小時(shí)，節(jié)點(diǎn)在小體積基礎(chǔ)上能夠順利完成物理場(chǎng)的采集、監(jiān)測(cè)任務(wù)。