黃會(huì)寶，高 強(qiáng)

（1.國(guó)電大渡河公司庫(kù)壩管理中心，四川 成都 614900）

現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展促使全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS）不斷發(fā)展和完善，目前GNSS已成功為用戶提供高精度、實(shí)時(shí)、連續(xù)的定位、導(dǎo)航和授時(shí)服務(wù)[1]。實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位（RTK）技術(shù)是GNSS空間定位技術(shù)中重大的突破，具有里程碑式的意義。RTK技術(shù)的精度高、效率高、實(shí)時(shí)性等優(yōu)點(diǎn)，使其在工程測(cè)量領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[2]。常規(guī)RTK技術(shù)的局限性促使網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，網(wǎng)絡(luò)RTK理論上能獲得更好的定位結(jié)果[3]；然而其易受移動(dòng)通信網(wǎng)的限制，在某些場(chǎng)景中無(wú)法獲得較好的解算結(jié)果，且大部分商用接收機(jī)都為雙頻多系統(tǒng)接收機(jī)[4-5]，雖增加了多余觀測(cè)值、縮短了模糊度的固定時(shí)間、提高了定位精度和工作效率，但該類接收機(jī)一般價(jià)格較高。

在工程測(cè)量領(lǐng)域，通常作業(yè)范圍較小、基準(zhǔn)站與移動(dòng)站的距離不遠(yuǎn)，因此可采用自主架設(shè)基準(zhǔn)站的方式，對(duì)收費(fèi)的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)沒(méi)有要求。工程測(cè)量嚴(yán)格控制項(xiàng)目成本，從站點(diǎn)布設(shè)密度、項(xiàng)目周期、人力資本等方面考慮，宜采用低成本GNSS接收機(jī)[6-7]。低成本接收機(jī)的最大特色是其成本僅為高成本接收機(jī)的1/10，目前已有專家學(xué)者研究了基于GPS/BDS雙系統(tǒng)的單頻低成本接收機(jī)，并實(shí)現(xiàn)了特定場(chǎng)景下厘米級(jí)精度的RTK定位[8-10]。然而，由于信道衰落和多路徑效應(yīng)的影響，單頻低成本接收機(jī)在某些時(shí)刻可能只能得到浮點(diǎn)模糊度，沒(méi)有固定解，定位精度大大降低，因此可采用天線分集的思想，利用多個(gè)天線應(yīng)對(duì)個(gè)別天線的模糊度失鎖情況，從而提升固定解的時(shí)間，確保定位精度。

1 低成本GNSS接收機(jī)設(shè)計(jì)

在滿足工程精度、施工效率等要求的條件下，成本問(wèn)題是工程應(yīng)用中需要考慮的重要因素，在保證工程需求的情況下選擇能耗低、性能好、價(jià)格低廉的芯片是設(shè)計(jì)GNSS接收機(jī)的重點(diǎn)[11]。如何根據(jù)具體的測(cè)量目的、測(cè)量對(duì)象以及測(cè)量環(huán)境選擇合適的硬件設(shè)備，是在進(jìn)行接收機(jī)實(shí)時(shí)定位硬件設(shè)計(jì)中首要解決的問(wèn)題。根據(jù)測(cè)量任務(wù)和硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)和要求，低成本GNSS接收機(jī)系統(tǒng)需要兼顧以下方面；①接收機(jī)收發(fā)數(shù)據(jù)的范圍與定位精度；②數(shù)據(jù)通信協(xié)議與方式；③設(shè)備生命周期內(nèi)的消耗；④工程施工范圍與通信覆蓋區(qū)域范圍；⑤設(shè)備安裝位置與部署密度。據(jù)此，本文設(shè)計(jì)接收機(jī)時(shí)選用的基準(zhǔn)站模塊、移動(dòng)站模塊和無(wú)線通信模塊為；

1）基準(zhǔn)站模塊?；鶞?zhǔn)站模塊選用瑞士U-blox公司生產(chǎn)的NEO-M8P-2模塊，可支持的GNSS系統(tǒng)包括GPS、BDS、GLONASS、QZSS，授時(shí)精度能達(dá)到30 ns，測(cè)速精度可實(shí)現(xiàn)0.05 m/s，支持有源或無(wú)源天線，平面內(nèi)單點(diǎn)定位的精度可達(dá)2.5 m圓概率誤差（CEP），平面內(nèi)RTK的定位精度可達(dá)0.025m+1ppm CEP。

2）移動(dòng)站模塊。移動(dòng)站模塊選用武漢夢(mèng)芯科技公司出品的MXT906芯片。該芯片是一款集成RTK算法的厘米級(jí)高精度定位導(dǎo)航模塊，可針對(duì)不同應(yīng)用需求，支持多個(gè)系統(tǒng)不同頻點(diǎn)組合的定位，也支持A-GNSS達(dá)到快速定位，封裝尺寸兼容市場(chǎng)上主流導(dǎo)航定位模塊，具有高靈敏度、抗干擾、高性能等特點(diǎn)；具備工業(yè)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，適用于高精度位置信息服務(wù)，尤其是汽車無(wú)人駕駛、無(wú)人機(jī)、測(cè)繪與地理信息、安全工程、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)等對(duì)精度要求較高的特定應(yīng)用。芯片具體參數(shù)如表1所示。

表1 MXT 906芯片參數(shù)

3）無(wú)線通信模塊。無(wú)線通信模塊需要完成兩處數(shù)據(jù)傳輸；①將基準(zhǔn)站的差分定位信息傳遞給移動(dòng)站；②移動(dòng)站將差分定位結(jié)果發(fā)送給計(jì)算機(jī)終端進(jìn)行最終處理。根據(jù)一般項(xiàng)目的作業(yè)范圍，采用AS32-TTL-100無(wú)線數(shù)傳模塊向移動(dòng)站進(jìn)行RTCM V3.2格式差分定位信息的廣播[12]，移動(dòng)站接收到基準(zhǔn)站播發(fā)的RTCM報(bào)文的差分定位信息后進(jìn)行雙差定位處理，然后采用U-WIFI-B2無(wú)線WiFi模塊以NMEA-0183格式將結(jié)果上傳至計(jì)算機(jī)終端進(jìn)行數(shù)據(jù)處理實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)定位[13]。兩種無(wú)線通信模塊的具體參數(shù)如表2所示。

表2 無(wú)線通信模塊參數(shù)信息

2 多天線RTK定位

樹木遮擋、多路徑效應(yīng)等影響將造成單個(gè)移動(dòng)站RTK失鎖，從而導(dǎo)致定位結(jié)果無(wú)法獲得固定解，限制了其在工程測(cè)量中的廣泛應(yīng)用。利用多天線RTK技術(shù)（經(jīng)濟(jì)成本較低），在一定距離范圍內(nèi)均勻分布，通過(guò)多點(diǎn)歸心改正擬合得到圓心，再利用圓心坐標(biāo)反映整體RTK的固定率和穩(wěn)定性，能有效規(guī)避上述問(wèn)題。低成本GNSS接收機(jī)的多天線RTK定位技術(shù)的具體流程為；①自主架設(shè)基準(zhǔn)站，播發(fā)RTCM差分信息；②利用相對(duì)位置固定的多個(gè)移動(dòng)站進(jìn)行接收，利用移動(dòng)站芯片內(nèi)部集成的定位引擎進(jìn)行雙差處理；③利用WiFi模塊通過(guò)NMEA協(xié)議進(jìn)行移動(dòng)站與計(jì)算機(jī)終端的多對(duì)一通信；④計(jì)算機(jī)終端利用接收到的多個(gè)移動(dòng)站的結(jié)果進(jìn)行多天線擬合處理得到最后的定位結(jié)果，如圖1所示。

圖1 多天線RTK定位整體流程圖

需對(duì)計(jì)算機(jī)終端接收的多天線數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到最終的定位坐標(biāo)，才能進(jìn)一步分析其定位精度。移動(dòng)站接收機(jī)中的RTK芯片進(jìn)入固定解之后才能達(dá)到高精度，即定位結(jié)果可用，若定位結(jié)果是浮點(diǎn)解等其他解，則沒(méi)有意義。本文在移動(dòng)站結(jié)果為固定解的情況下進(jìn)行圓擬合。設(shè)移動(dòng)站測(cè)量的離散點(diǎn)是固定解，且滿足圓曲線方程，即

式（2）只有3個(gè)未知數(shù)，需要列3個(gè)方程求解。然而，為了提高精度，一般會(huì)存在多余觀測(cè)值，利用多余觀測(cè)值進(jìn)行平差，將多個(gè)誤差方程組進(jìn)行聯(lián)合，即

根據(jù)最小二乘的原理可得；

擬合得到3個(gè)參數(shù)后，進(jìn)而可得到擬合圓的圓心坐標(biāo)，即最終多天線RTK的定位結(jié)果。

3 實(shí)驗(yàn)分析

3.1 低成本GNSS接收機(jī)檢驗(yàn)

對(duì)于一臺(tái)接收機(jī)，其質(zhì)量的好壞決定了市場(chǎng)的需求量，為檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的低成本GNSS接收機(jī)的質(zhì)量，本文分別進(jìn)行了零基線、短基線、1 km基線實(shí)驗(yàn)[14]。

1）零基線實(shí)驗(yàn)。零基線測(cè)量是指利用功分器將來(lái)自于同一個(gè)天線的信號(hào)分給兩臺(tái)接收機(jī)，兩臺(tái)接收機(jī)進(jìn)行雙差定位，其真值為零，通過(guò)比較測(cè)量值與真值，可對(duì)接收機(jī)的質(zhì)量性能做出一定的評(píng)價(jià)。實(shí)驗(yàn)利用功分器將設(shè)計(jì)的基準(zhǔn)站和移動(dòng)站接收機(jī)接入同一個(gè)天線中，數(shù)據(jù)采集時(shí)長(zhǎng)為30 min，再進(jìn)行定位性能的分析。分析采集的數(shù)據(jù)可知，該時(shí)段內(nèi)接收機(jī)完全固定，固定率為100%。零基線情況下采集的數(shù)據(jù)在E、N、U方向的定位精度如表3所示，可以看出，在平面E和N方向上，點(diǎn)位基本在1 cm以內(nèi)波動(dòng)，達(dá)到毫米級(jí)；而在高程U方向上波動(dòng)較大。零基線檢驗(yàn)結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的低成本GNSS接收機(jī)性能良好，符合一般工程厘米級(jí)精度要求。

表3 零基線E、U、N方向的定位精度統(tǒng)計(jì)/mm

2）短基線實(shí)驗(yàn)。短基線可檢驗(yàn)天線連同主機(jī)在內(nèi)整個(gè)GNSS接收機(jī)的作業(yè)性能。短基線實(shí)驗(yàn)采用兩個(gè)相同的天線作為基準(zhǔn)站和移動(dòng)站，基線長(zhǎng)度只有幾米，采集30 min數(shù)據(jù)，時(shí)間段內(nèi)接收機(jī)的固定率為98.3%，比零基線固定率略低。短基線情況下采集數(shù)據(jù)的定位精度如表4所示，可以看出，盡管平面方向和高程方向短基線波動(dòng)較零基線稍大，但二者的均方差基本相同，因此本文設(shè)計(jì)的低成本GNSS接收機(jī)作業(yè)性能良好。

表4 短基線E、U、N方向的定位精度統(tǒng)計(jì)/mm

3）1 km基線實(shí)驗(yàn)。在工程測(cè)量領(lǐng)域，一般測(cè)量范圍在幾千米之內(nèi)，因此選取長(zhǎng)度約為1 km的基線對(duì)低成本GNSS接收機(jī)進(jìn)行檢測(cè)。在相距約1 km的兩個(gè)觀測(cè)墩分別架設(shè)基準(zhǔn)站和移動(dòng)站，采集數(shù)據(jù)約30 min，采集數(shù)據(jù)的定位精度如表5所示，可以看出，各方向的定位均方差都在厘米級(jí)，說(shuō)明本文設(shè)計(jì)的低成本GNSS接收機(jī)質(zhì)量良好，整體作業(yè)性能良好，能達(dá)到厘米級(jí)精度，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)厘米級(jí)定位。

表5 1 km基線E、U、N方向的定位精度統(tǒng)計(jì)/mm

3.2 多天線RTK定位測(cè)試

為測(cè)試多天線RTK定位應(yīng)對(duì)單接收機(jī)失鎖無(wú)法獲得固定解的情況，本文進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試。如圖2所示，在小推車上固定4臺(tái)移動(dòng)站接收機(jī)模擬多天線條件，同時(shí)確保4臺(tái)移動(dòng)站接收機(jī)位于同一個(gè)圓上，便于后期多點(diǎn)圓擬合。測(cè)試環(huán)境為半開闊的道路，兩邊樹木環(huán)繞對(duì)衛(wèi)星高度角造成一定影響，由于周圍樹木等物體遮擋導(dǎo)致接收機(jī)在某個(gè)時(shí)刻衛(wèi)星模糊度變成浮點(diǎn)解，4臺(tái)接收機(jī)將在固定與不固定兩種情況中頻繁變換。

圖2 多天線RTK模擬與測(cè)試環(huán)境

實(shí)驗(yàn)思路為在附近合適的位置架設(shè)基準(zhǔn)站進(jìn)行差分?jǐn)?shù)據(jù)信息的廣播，實(shí)現(xiàn)一對(duì)四的多天線實(shí)時(shí)定位；計(jì)算機(jī)端同時(shí)接收這4套移動(dòng)站設(shè)備的定位信息，并分別對(duì)同一時(shí)刻的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)信息，再進(jìn)行多點(diǎn)擬合，得到圓心三維坐標(biāo)。準(zhǔn)備工作完成后，啟動(dòng)基準(zhǔn)站位置處的低成本GNSS接收機(jī)，檢查移動(dòng)站位置處的4臺(tái)低成本接收機(jī)與基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)通信鏈路是否完好；確認(rèn)通信鏈路完好后，勻速推動(dòng)小推車進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集時(shí)段內(nèi)的衛(wèi)星可見數(shù)和DOP值如圖3所示，可以看出，該時(shí)段內(nèi)衛(wèi)星數(shù)量較多，DOP值較小，可提供較高的定位精度。

圖3 衛(wèi)星可見數(shù)與DOP值

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中每臺(tái)接收機(jī)和擬合圓心在每個(gè)歷元下對(duì)應(yīng)的固定情況軌跡如圖4所示，其中紅色代表浮點(diǎn)解，藍(lán)色代表固定解；當(dāng)有3個(gè)或3個(gè)以上的接收機(jī)進(jìn)入固定解時(shí)，即該歷元時(shí)刻對(duì)應(yīng)有3個(gè)或3個(gè)以上的藍(lán)色點(diǎn)，多天線擬合算法得到的圓心坐標(biāo)才是固定解，否則擬合的圓心坐標(biāo)為浮點(diǎn)解，偏差較大。該環(huán)境下各接收機(jī)的固定率如表6所示，可以看出，4臺(tái)接收機(jī)的固定率均不超過(guò)90%，整體固定率為73.0%，而多天線擬合算法擬合的圓心坐標(biāo)固定率高達(dá)93.7%，直觀地驗(yàn)證了該方法的可行性和適用性。

表6 多天線擬合圓質(zhì)量統(tǒng)計(jì)表

圖4 實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)擬合軌跡分析圖

4 結(jié) 語(yǔ)

本文主要從確保精度、控制成本的思路出發(fā)，采用現(xiàn)成的商業(yè)芯片設(shè)計(jì)了低成本GNSS接收機(jī)用于RTK定位。對(duì)于單個(gè)接收機(jī)失鎖的問(wèn)題，本文采用多天線擬合圓心的方式來(lái)確保移動(dòng)站的整體定位精度。通過(guò)零基線、短基線和1 km基線實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)的低成本GNSS接收機(jī)能滿足一般工程測(cè)量任務(wù)的精度需求。多天線RTK測(cè)試顯示，通過(guò)多天線擬合圓心的方式能有效提高固定解的時(shí)間，從而確保定位精度。