吳肖伶， 張記會(huì)， 龔星衡， 邵澤瑞， 張衛(wèi)華

(四川大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院， 成都 610065)

1 引 言

一般意義上的GPS定位通常指偽距定位或者載波相位定位[1]，這種方法需要GPS接收機(jī)在同一時(shí)間能夠觀測到4顆以上的衛(wèi)星，根據(jù)測量GPS接收機(jī)與衛(wèi)星間的距離及從衛(wèi)星導(dǎo)航電文中獲取的衛(wèi)星瞬時(shí)坐標(biāo)，通過距離交匯法解算出GPS接收機(jī)所在的空間坐標(biāo).其中，偽距定位是通過光速與衛(wèi)星發(fā)送的測距碼信號(hào)到達(dá)GPS接收機(jī)經(jīng)過的時(shí)間相乘，測量衛(wèi)星與GPS接收機(jī)的偽距；而載波相位定位則是通過載波信號(hào)從衛(wèi)星到達(dá)GPS接收機(jī)時(shí)的相位差與載波波長的相乘來計(jì)算衛(wèi)星與GPS接收機(jī)間的距離，相較偽距定位，載波相位定位具有更高的定位精度，理論上能夠達(dá)到毫米級(jí)精度，但其測量與偽距定位一樣易受電離層、多路徑、天氣等誤差源的干擾，通常達(dá)不到其理論精度.

為了降低電離層、天氣等環(huán)境因素對(duì)定位的影響，美國Trimble公司提出了一種實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)載波相位差分(Real-Time kinematic, RTK)定位技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了在移動(dòng)中全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System，GNSS)數(shù)據(jù)的瞬時(shí)更新，同時(shí)擁有較高的定位精度.RTK是一種基于載波相位觀測值的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位技術(shù)，與GPS定位不同的是，RTK定位采用了差分定位的技術(shù)，通過架設(shè)基準(zhǔn)站并將基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)與流動(dòng)站數(shù)據(jù)進(jìn)行差分解算獲取流動(dòng)站的精確位置，當(dāng)流動(dòng)站處于基準(zhǔn)站周圍一定范圍內(nèi)時(shí)，流動(dòng)站可視作與基準(zhǔn)站處于相同定位環(huán)境下，由于基準(zhǔn)站坐標(biāo)已知，即可降低環(huán)境因素對(duì)定位帶來的誤差，達(dá)到比GPS定位更為精確的結(jié)果[2].

針對(duì)傳統(tǒng)RTK定位方案成本頗高的問題，本文提出了一種邊緣計(jì)算環(huán)境下的RTK實(shí)現(xiàn)方案E-RTK(Edge Real-Time Kinematic)，通過將流動(dòng)站的解算工作移至邊緣設(shè)備，降低流動(dòng)站對(duì)算力的要求，使得流動(dòng)站能夠使用更低性能的處理機(jī)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，以降低定位的硬件成本.在此基礎(chǔ)上，本文對(duì)上述E-RTK方案進(jìn)行了樣機(jī)實(shí)現(xiàn)，并在該樣機(jī)上使用GPS+BEIDOU衛(wèi)星數(shù)據(jù)與GPS+GLONASS衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行了兩組定位對(duì)照實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文提出的E-RTK定位方案能夠達(dá)到厘米級(jí)精度，與傳統(tǒng)RTK定位精度相當(dāng)；除此之外，在當(dāng)前的軟硬件條件下，采用GPS+BEIDOU數(shù)據(jù)進(jìn)行E-RTK定位具有更大優(yōu)勢.

2 研究現(xiàn)狀

RTK本質(zhì)上是對(duì)傳統(tǒng)衛(wèi)星定位技術(shù)的一種拓展與優(yōu)化，它通過相位差分降低了環(huán)境因素對(duì)傳統(tǒng)衛(wèi)星定位的影響，將定位精度提升了一個(gè)層次，擴(kuò)大了衛(wèi)星定位技術(shù)的使用范圍.該技術(shù)于20世紀(jì)90年代一經(jīng)問世便迅速成為衛(wèi)星定位相關(guān)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，其成果被廣泛應(yīng)用于測量、工程及自動(dòng)化等各個(gè)行業(yè). 文獻(xiàn)[3]將RTK應(yīng)用于實(shí)時(shí)工程測量，根據(jù)工程測量放樣和定位，提出了GPS-RTK在實(shí)時(shí)工程測量中的應(yīng)用方法，并對(duì)其進(jìn)行了程序?qū)崿F(xiàn)；文獻(xiàn)[4]將RTK應(yīng)用于移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航及其測量數(shù)據(jù)的地理信息處理，提出了一種新的移動(dòng)機(jī)器人區(qū)域路徑點(diǎn)導(dǎo)航方法，該方法較為簡單，且具有不錯(cuò)的魯棒性; 文獻(xiàn)[5]將RTKLIB(一項(xiàng)開源RTK定位源代碼)移植到樹莓派開發(fā)板上，并通過NTRIP協(xié)議與基準(zhǔn)站進(jìn)行通信，提出了一種RTK定位的低成本實(shí)現(xiàn)，并將其用于無人機(jī)導(dǎo)航；2018年，文獻(xiàn)[6]針對(duì)城市等狹窄區(qū)域的RTK定位通常存在的多路徑及衛(wèi)星信號(hào)斷續(xù)問題，將RTK定位與INS慣性導(dǎo)航結(jié)合，提出了一種緊耦合的RTK/INS算法，該算法能夠在城市等區(qū)域提供更加準(zhǔn)確可靠的定位結(jié)果；2019年，丁曦等人通過冰面地形內(nèi)插及測線交叉點(diǎn)比對(duì)兩種方式對(duì)2013～2015年三期RTK數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，將RTK-GPS應(yīng)用與北極冰川高度研究，取得了不錯(cuò)成果[7].

近年來，隨著中國北斗導(dǎo)航衛(wèi)星(BEIDOU Navigation Satellite System, BDS)的日漸成熟，各類基于BEIDOU+GPS衛(wèi)星數(shù)據(jù)的RTK定位研究開始浮現(xiàn).Teunissen等人的研究表明使在用GPS與北斗導(dǎo)航衛(wèi)星結(jié)合進(jìn)行RTK定位時(shí)，由于具有更多的衛(wèi)星可用，使得其具有更大的截止仰角，能夠顯著提高GNSS在城市及低海拔多路徑受限條件下的適用性[8];2016年，Odolinski等人將GPS與BEIDOU結(jié)合進(jìn)行單頻雙系統(tǒng)RTK定位，并將其與雙頻單系統(tǒng)GPS-RTK進(jìn)行了比較，其實(shí)驗(yàn)證明，使用BEIDOU結(jié)合GPS進(jìn)行RTK定位將比雙頻單系統(tǒng)具有更大的截止仰角，同時(shí)由于使用了更便宜的單頻Ublox接收機(jī)，該系統(tǒng)能夠以更低的成本進(jìn)行實(shí)現(xiàn)[9]；2018年，Nobuaki Kubo等建立了一種混合GPS+BEIDOU的RTK定位模式，并通過芯片級(jí)原子鐘輔助估計(jì)接收機(jī)的時(shí)鐘誤差，以達(dá)到更高的定位精度，其實(shí)驗(yàn)表明混合定位模式比普通RTK-GNSS系統(tǒng)的定位Fix率高10%左右[10].

在RTK相關(guān)技術(shù)的日趨成熟的同時(shí)，其制造成本卻成了RTK定位技術(shù)發(fā)展的一大阻礙.這一方面是因?yàn)槎ㄎ惶炀€等配件的成本限制；另一方面則是因?yàn)樵趥鹘y(tǒng)RTK定位中，計(jì)算任務(wù)分散在基準(zhǔn)站與流動(dòng)站中，導(dǎo)致兩者都需要較高的算力，從而間接增大了成本.本文對(duì)某電商平臺(tái)的RTK設(shè)備價(jià)格區(qū)間進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，具體結(jié)果如1所示.

圖1 某電商平臺(tái)不同價(jià)格區(qū)間RTK設(shè)備的占比

而另一方面，而隨著5G網(wǎng)絡(luò)等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，邊緣計(jì)算逐漸成為近年的研究熱點(diǎn)，且各界對(duì)于結(jié)合RTK與邊緣計(jì)算的研究還處于起始階段.基于以上情況，本文為解決RTK定位的成本問題，提出了一種基于邊緣計(jì)算的RTK定位，將計(jì)算任務(wù)集中在基準(zhǔn)站，降低了流動(dòng)站的硬件需求，從而達(dá)到降低成本的目的.

3 邊緣RTK定位

傳統(tǒng)RTK定位是于流動(dòng)站接收GNSS數(shù)據(jù)，并結(jié)合從基準(zhǔn)站傳輸而來的基準(zhǔn)站GNSS數(shù)據(jù)，在流動(dòng)站進(jìn)行解算得到流動(dòng)站的精確坐標(biāo)信息，其整體結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖2 傳統(tǒng)RTK的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)RTK定位系統(tǒng)一般由RTK流動(dòng)站和RTK基準(zhǔn)站組成.其中，RTK基準(zhǔn)站通常由一個(gè)GNSS天線、一個(gè)GNSS接收機(jī)以及一個(gè)處理機(jī)組成，其通常位于一個(gè)坐標(biāo)已知點(diǎn)，并通過GNSS天線及GNSS接收機(jī)接收來自衛(wèi)星的GNSS數(shù)據(jù)，經(jīng)處理機(jī)處理后將其分發(fā)給流動(dòng)站；流動(dòng)站的硬件構(gòu)成與基準(zhǔn)站相似，不同之處在于，流動(dòng)站除了通過GNSS天線及GNSS接收機(jī)接收來自衛(wèi)星的GNNS數(shù)據(jù)外，其處理機(jī)同時(shí)會(huì)接收來自基準(zhǔn)站的參考GNSS數(shù)據(jù).通過對(duì)這兩組GNSS數(shù)據(jù)進(jìn)行差分解算，流動(dòng)站即可得到其本身所處位置的精準(zhǔn)坐標(biāo)數(shù)據(jù).圖3展示了傳統(tǒng)RTK的大致定位流程.

圖3 傳統(tǒng)RTK定位流程

本文提出了一種基于邊緣計(jì)算的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)載波相位差分定位方法E-RTK(Edge Real-Time Kinematic).其總體結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)RTK相似，但在基準(zhǔn)站處將處理機(jī)替換成了算力更強(qiáng)的邊緣設(shè)備.圖4展示了E-RTK的具體結(jié)構(gòu).

圖4 E-RTK的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

與傳統(tǒng)RTK定位的流動(dòng)站解算不同，E-RTK的解算任務(wù)在邊緣設(shè)備進(jìn)行.通過在邊緣設(shè)備上安裝GNSS天線及GNSS接收機(jī)，使其在充當(dāng)計(jì)算節(jié)點(diǎn)的同時(shí)，也具備RTK基準(zhǔn)站的功能.而流動(dòng)站只需要進(jìn)行簡單的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的工作，降低了其對(duì)硬件性能的需求.從系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)上來看，數(shù)據(jù)的流向由從基準(zhǔn)站到流動(dòng)站變?yōu)榱藦牧鲃?dòng)站到基準(zhǔn)站，但數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程并沒有變復(fù)雜，仍然是單向單次傳輸.因此，邊緣計(jì)算并不會(huì)給E-RTK帶來更多的數(shù)據(jù)傳輸延遲，也不會(huì)因此造成解算性能的下降.其大致的定位流程如圖5所示.

圖5 E-RTK的定位流程

E-RTK實(shí)現(xiàn)了計(jì)算任務(wù)的集中化，使流動(dòng)站能夠使用更加低性能、廉價(jià)的處理機(jī)進(jìn)行制造.而邊緣設(shè)備對(duì)算力的需求將會(huì)增加，但由于其能夠同時(shí)為多個(gè)流動(dòng)站提供解算服務(wù)，綜合成本將會(huì)比傳統(tǒng)RTK更低.同時(shí)，邊緣設(shè)備的電源環(huán)境優(yōu)于流動(dòng)站電源環(huán)境，能夠使系統(tǒng)硬件性能得到充分發(fā)揮，且能夠較大程度的提高流動(dòng)站的續(xù)航能力.除此之外，E-RTK可降低流動(dòng)站損壞、遺失造成的損失，在一定程度上減小了RTK定位網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展成本，有利于RTK定位在工農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域的普及.

4 實(shí)驗(yàn)與分析

為了驗(yàn)證上述E-RTK的可行性及實(shí)際性能，同時(shí)探究該E-RTK的最佳運(yùn)行參數(shù)及配置，本文對(duì)上述E-RTK進(jìn)行了樣機(jī)實(shí)現(xiàn)，并采用GPS+GLONASS與GPS+BEIDOU兩種衛(wèi)星系統(tǒng)組合來對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了定位實(shí)驗(yàn).

4.1 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)

樣機(jī)實(shí)現(xiàn)的重點(diǎn)在于相關(guān)硬件的選擇以及編寫程序?qū)崿F(xiàn)RTK計(jì)算任務(wù)的邊緣化.

組成E-RTK設(shè)備的硬件必須具備在保證其定位性能的情況下使成本盡可能降低的特點(diǎn).因此，本文在基準(zhǔn)站方面使用ASUSRT-ACRH17開源路由器作邊緣設(shè)備，該路由器在硬件配置上擁有四核ARMCortex A7處理器、128 MB Flash及256 MBRAM.除此之外，該基準(zhǔn)站還配備一只u-blox neo m8tGNSS接收器及一顆三系統(tǒng)單頻天線，該天線的接收頻率范圍為：GPSL1 1575.42 MHz、GLONASSL1 1602 MHz、BEIDOU B1 1561 MHz、GALILEOE1 1575.42 MHz.流動(dòng)站使用的GNSS接收器及天線與基準(zhǔn)站相同，其處理機(jī)則是一塊Wemos D1 mini pro開發(fā)板，該開發(fā)板集成了32位Tensilica L106處理器，CPU時(shí)鐘頻率為80 MHz/160 MHz，且具備16 MB Flash.上述各個(gè)硬件設(shè)備的購買單價(jià)如表1所示.

表1 樣機(jī)各配件價(jià)格

在軟件方面，E-RTK的基站邊緣設(shè)備運(yùn)行Openwrt開源路由器系統(tǒng)，同時(shí)使用編譯自開源項(xiàng)目RTKLIB的RTKRCV程序充當(dāng)基礎(chǔ)解算工具[11].同時(shí)，對(duì)于流動(dòng)站，本文使用C/C++對(duì)開發(fā)板進(jìn)行編程定制，實(shí)現(xiàn)基準(zhǔn)站連接及保持、定位模塊初始化及GNSS數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)等功能.

圖6 常見RTK設(shè)備價(jià)格對(duì)比

本文對(duì)上述E-RTK及常見的部分傳統(tǒng)RTK的基準(zhǔn)站和流動(dòng)站價(jià)格進(jìn)行如圖6所示的對(duì)比.可以發(fā)現(xiàn)，E-RTK成本遠(yuǎn)低于常見的傳統(tǒng)RTK.除此之外，對(duì)于傳統(tǒng)RTK設(shè)備，流動(dòng)站與基準(zhǔn)站價(jià)格相同，E-RTK的流動(dòng)站單價(jià)明顯低于基準(zhǔn)站，而對(duì)于RTK應(yīng)用來說，流動(dòng)站的數(shù)量是明顯多于基準(zhǔn)站的，因此E-RTK更有利于RTK定位網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展.

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文采用靜態(tài)測試的方式來對(duì)上述E-RTK定位樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn).在每個(gè)實(shí)驗(yàn)中均使用兩組衛(wèi)星數(shù)據(jù)組合進(jìn)行對(duì)比測試，一組采用GPS+GLONASS，另一組采用GPS+BEIDOU，采樣率均為5 Hz.

4.2.1 精度測試 本文首先對(duì)上述E-RTK的定位精度進(jìn)行測試，測試方法為在基準(zhǔn)站與流動(dòng)站均靜止不動(dòng)的情況下，待定位收斂為Fix狀態(tài)后，觀察每組測試中定位位置的偏移范圍，具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示.

(a) GPS+GLONASS

由圖7可以看出，兩組實(shí)驗(yàn)的定位精度均在1 cm以內(nèi).其中GPS+GLONASS組的定位位置偏移范圍大約為0.9 cm，GPS+BEIDOU組定位位置偏移范圍在0.7 cm左右.圖8展示了定位在East-West、North-South及Up-Down三個(gè)方向的偏移范圍.

由圖8觀察可以發(fā)現(xiàn)，該E-RTK定位系統(tǒng)在水平方向上的定位精度明顯高于其在垂直方向上的定位精度，除此之外，相較于GPS+GLONASS組的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，GPS+BEIDOU組在3個(gè)方向的定位上均具備更好的精度.

4.2.2 Fix速度測試 RTK定位結(jié)果一般具備兩種狀態(tài)，即Float狀態(tài)與Fix狀態(tài)，F(xiàn)loat狀態(tài)下的結(jié)果位置波動(dòng)較大，可靠性相對(duì)較低，而Fix狀態(tài)下的定位結(jié)果為穩(wěn)定結(jié)果，位置波動(dòng)較小，可靠性更高.因此，能否更快的到達(dá)Fix狀態(tài)是衡量RTK定位系統(tǒng)性能的重要因素，該因素通常被稱作Fix速度.

(a) GPS+GLONASS

Fig.8 The offset range of the positioning position in three directions

本文針對(duì)上述E-RTK樣機(jī)使用兩組衛(wèi)星數(shù)據(jù)組合的Fix速度進(jìn)行了測試.實(shí)驗(yàn)方法為在基準(zhǔn)站解算結(jié)果為Fix狀態(tài)后，保持基準(zhǔn)站解算程序運(yùn)行，關(guān)閉流動(dòng)站，等待30 s后重新啟動(dòng)流動(dòng)站，記錄基準(zhǔn)站從重新收到流動(dòng)站GNSS數(shù)據(jù)到基準(zhǔn)站解算結(jié)果達(dá)到Fix狀態(tài)所需要的時(shí)間.實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9所示.

圖9 Fix速度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在10次實(shí)驗(yàn)中，GPS+GLONASS組可用衛(wèi)星數(shù)量為10顆，而GPS+BEIDOU組則有15顆衛(wèi)星可用.在此條件下，GPS+GLONASS組的Fix時(shí)長平均為20.92 s，而GPS+BEIDOU組的平均Fix時(shí)長為14.72 s，較GPS+GLONASS組縮短了29.64%左右.

4.3 實(shí)驗(yàn)分析

針對(duì)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果, 本文進(jìn)行了如下分析：在當(dāng)前軟硬件及參數(shù)條件下，E-RTK使用GPS+GLONASS衛(wèi)星數(shù)據(jù)定位與使用GPS+BEIDOU衛(wèi)星數(shù)據(jù)定位的精度相當(dāng).而在Fix速度上，GPS+BEIDOU組具有一定的優(yōu)勢，其中一部分原因是因?yàn)镚PS與GLONASS頻譜相同，而BEIDOU使用了不同的通信頻段，在組合GPS與BEIDOU進(jìn)行定位時(shí)，由于信號(hào)頻譜不同，多路徑效應(yīng)的影響受到了削弱，同時(shí)對(duì)信號(hào)干擾帶來的影響也有一定的抵制作用.同時(shí)，BEIDOU的多頻特性有利于削弱電離層和對(duì)流層誤差，弱化基準(zhǔn)站距離限制，固定載波相位模糊度，使得首次定位時(shí)間縮短[12]，本實(shí)驗(yàn)雖然只使用了單頻段的BEIDOU信號(hào)，但GPS與BEIDOU兩者共同組成了多頻率定位，使得GPS+BEIDOU的E-RTK定位擁有更短的Fix時(shí)間.除此之外，GPS+BEIDOU方案衛(wèi)星數(shù)量更多，觀測數(shù)據(jù)的冗余度更高，有利于減弱局部環(huán)境的影響，這也是其中一部分原因.

5 結(jié) 論

傳統(tǒng)RTK定位在流動(dòng)站進(jìn)行數(shù)據(jù)解算，對(duì)流動(dòng)站的處理機(jī)有較大的算力需求，不利于定位網(wǎng)絡(luò)的低成本擴(kuò)展.本文將邊緣計(jì)算技術(shù)與RTK定位相結(jié)合，提出了一種基于邊緣計(jì)算的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)載波相位差分定位方法E-RTK，通過將流動(dòng)站解算工作移至邊緣設(shè)備，減小了流動(dòng)站的算力需求，在保證定位性能不變的情況下，降低了定位設(shè)備的綜合硬件成本及定位網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展難度.除此之外，本文基于E-RTK進(jìn)行了定位樣機(jī)實(shí)現(xiàn)，并使用GPS+BEIDOU衛(wèi)星組合以及最常見的GPS+GLONASS衛(wèi)星組合進(jìn)行了相關(guān)的定位性能測試.通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，采用GPS+BEIDOU衛(wèi)星系統(tǒng)的E-RTK能夠在定位精度基本不變的情況下具有更快的Fix速度，在可用性及可靠性上具備更大的優(yōu)勢，如過隧道后定位恢復(fù)更快等.同時(shí)，采用GPS+BEIDOU衛(wèi)星系統(tǒng)有利于促進(jìn)我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的普及化及產(chǎn)業(yè)化.