RTK終端實時動態(tài)檢測技術研究

毛 琪，潘樹國，劉 華平 ，高 旺

（1．東南大學 儀器科學與工程學院，江蘇 南京210096；2.湖南省國土資源規(guī)劃院，湖南 長沙 410007；3.東南大學 交通學院，江蘇 南京210096）

基于CORS（連續(xù)運行參考站）系統(tǒng)的實時動態(tài)定位（RTK）是工程測量中一種廣泛使用的實時相對定位技術［1］。

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

基于以上結(jié)論，本文提出一種RTK終端實時動態(tài)檢測技術，其中包括車載硬件平臺系統(tǒng)設計、動態(tài)檢測軟件設計以及實際數(shù)據(jù)測試的實驗驗證。

1 車載硬件平臺系統(tǒng)設計

本文設計了一臺具有供電系統(tǒng)、計算機系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、衛(wèi)星導航系統(tǒng)、衛(wèi)星收轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)、野外辦公平臺等多功能集一體的作業(yè)車輛［2－3］。該車輛可裝載標準的衛(wèi)星導航基準設備、待檢測RTK設備以及全頻段衛(wèi)星信號接收天線。系統(tǒng)工作原理是在檢測車運動情況下，所有車載設備都工作在RTK模式下，并通過衛(wèi)星信號收集轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)獲取實時的衛(wèi)星信號，做相關定位解算，并將解算所得的GGA信息通過通訊系統(tǒng)傳到CORS中心。同時，計算機系統(tǒng)中的車載檢測軟件通過3G網(wǎng)卡同樣登陸CORS中心，獲取車載設備實時上傳的GGA定位信息。根據(jù)這些信息，軟件實時計算顯示車載設備速度、加速度、三維坐標、固定狀態(tài)、可用衛(wèi)星、DOP值等技術指標，供實時檢測比對。另一方面，本文所采用的衛(wèi)星導航基準設備工作在RTK模式的同時可做事后數(shù)據(jù)存儲。由于同一觀測情況下事后數(shù)據(jù)解算處理的定位精度要優(yōu)于實時解算的精度，因此車載檢測軟件可對事后數(shù)據(jù)作解算處理，再通過歷元時間匹配來檢測RTK設備的定位精度。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

車載計算機上安裝有動態(tài)檢測軟件，它是整個系統(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)絡實現(xiàn)與CORS中心的實時通信和通過串口／網(wǎng)口實現(xiàn)事后數(shù)據(jù)的存儲。數(shù)據(jù)處理模塊從CORS中心獲得的車載設備的相關信息，然后進行數(shù)據(jù)的處理分析，與基準設備進行指標對比，判定待檢設備性能，將得到的結(jié)果進行實時顯示，并根據(jù)用戶的信息形成相關檢測定制報表。

1．2 多模多頻基準設備

多模多頻基準設備采用高性能、數(shù)據(jù)質(zhì)量優(yōu)良的接收機產(chǎn)品。本基準設備采用康帕斯公司自主研制的S6536B接收機，該設備采用美國天寶高性能的BD970板卡，兼容BDS／GPS／GLONASS三系統(tǒng)6頻點，融合最新的整機嵌入技術，具有數(shù)據(jù)質(zhì)量好、定位精度高、兼容性強、自主化管理、本地超大存儲空間等特點［4］。在硬件層面上，該設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)存儲模塊等有機集成。GNSS定位模塊采用美國天寶BD970高性能板卡，主要對衛(wèi)星信號進行接收并產(chǎn)生高精度原始觀測數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)通訊模塊完成衛(wèi)星導航系統(tǒng)、車載檢測系統(tǒng)、GNSS定位模塊間的數(shù)據(jù)通訊。數(shù)據(jù)存儲模塊主要由SDRA M和Flash存儲器構(gòu)成，具有存儲穩(wěn)定、傳輸速度快、低功耗的特點，且可完成大容量的本地文件系統(tǒng)、應用程序和實時數(shù)據(jù)的存儲。以上優(yōu)良的硬件條件保證基準設備數(shù)據(jù)質(zhì)量的完好性和高精度的定位結(jié)果。多模多頻基準設備設計結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 多模多頻基準設備設計結(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RTK設備和車載基準設備提供統(tǒng)一的實時衛(wèi)星信號數(shù)據(jù)源，實現(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)星信號接收天線、衛(wèi)星信號控制器、衛(wèi)星信號轉(zhuǎn)發(fā)天線、功分器、電磁屏蔽黑箱等。它通過衛(wèi)星信號接收天線接收GPS L1／L2、GLONASS L1／L2、BDS B1／B2信號，然后通過衛(wèi)星信號控制器將同一信號分為多路相同的信號，通過衛(wèi)星天線轉(zhuǎn)發(fā)到電子屏蔽黑箱內(nèi)，供待檢測RTK設備接收。而衛(wèi)星導航基準設備直接通過饋線與衛(wèi)星信號控制器連接獲取信號。如此使衛(wèi)星導航系統(tǒng)和被測設備接收到GPS L1／L2、GLONASS L1／L2、BDS B1／B2／B3衛(wèi)星信號保持一致性，把不同時段、不同干擾對定位精度的誤差降為零。同時為了抑制衛(wèi)星信號在箱體內(nèi)壁反射所造成的多路徑效應，在箱壁上貼附有對電磁波具有較好吸收能力的屏蔽材料，進一步消除誤差，凈化測試環(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軟件、衛(wèi)星導航基準設備和待檢測RTK設備與CORS中心的數(shù)據(jù)交互。車載設備安裝SI M卡通過2／3G網(wǎng)絡實現(xiàn)與CORS中心的無線通信，上發(fā)自己的GGA信息和接收差分改正數(shù)據(jù)來完成流動站解算。車載設備都是安裝在設備機柜內(nèi)部，2／3G信號質(zhì)量較差。手機信號增強器實現(xiàn)將室外良好的2 3 G信號引入到機柜內(nèi)部，保證無線信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性。手機信號增強系統(tǒng)由三部分組成：室外天線固定在車頂接收2／3G信號；手機信號增強器完成信號的放大增強；室內(nèi)天線實現(xiàn)信號的轉(zhuǎn)發(fā)。

2 動態(tài)檢測軟件設計

2．1 軟件流程

動態(tài)檢測軟件是系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理中心完成的功能，主要包括基準設備觀測數(shù)據(jù)解析和星空圖顯示、偽距單點定位獲得近似坐標、CORS系統(tǒng)登陸獲取車載設備的定位信息、GGA信息分析比對以及最終的實時檢測報表生成與輸出。具體流程：軟件初始化完成后，先通過本地網(wǎng)口或串口獲取基準設備的原始觀測數(shù)據(jù)，對其進行解碼得到觀測文件和導航文件用于單點定位解算獲得近似坐標，同時從導航文件可計算衛(wèi)星高度角和方位角；待車載設備完成定位初始化后，動態(tài)檢測軟件中用戶模式通過無線網(wǎng)絡登陸CORS系統(tǒng)獲取車載設備的GGA定位信息，并實時對GGA信息進行分析，得到車載設備更高精度的定位信息和相關輔助信息［5］。最后，將解析所得基準設備和待檢測設備的定位信息做比對分析，分析結(jié)果寫入Excel表格，并可實時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 主要模塊設計

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設備輸出的原始觀測數(shù)據(jù)獲得導航文件和觀測文件。定義的結(jié)構(gòu)體Nav Data用于存放導航文件中相關數(shù)據(jù)，而結(jié)構(gòu)體DataFor VRS用于存放觀測文件中所需的載波和偽距等觀測值。根據(jù)導航文件和觀測文件即可進行觀測點衛(wèi)星信息解算、星空圖顯示以及后續(xù)算法處理。模塊支持多種原始觀測數(shù)據(jù)類型解析，包括：RT27，RTCM31，OEM，Benix等。檢測軟件星空如圖4所示。

圖4 檢測軟件星空

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時需要設置IP地址、用戶名、密碼以及掛載點，同時還有發(fā)送請求和響應信息。這些工作均由接入模塊來完成。

2．2．3 GGA 信息解析模塊

該模塊處理實時獲得的車載設備上傳的GGA定位信息，模塊主要提取其中的經(jīng)緯度和高程信息，并實時的進行坐標轉(zhuǎn)換得到相應的空間直角坐標和平面坐標，供定位精度分析使用。同時GGA語句中還包括UTC時間、定位狀態(tài)等定位輔助信息。車載檢測軟件會對實時解析的GGA信息作界面顯示，供用戶直觀比對查看。GGA信息顯示界面如圖5所示。

2．2．4 動態(tài)報表生成模塊

車載軟件依托Microsoft Office Excel數(shù)據(jù)鏈接庫，通過軟件得到的數(shù)據(jù)進行解析重組，將需要的時間、位置信息、運動狀態(tài)、定位狀態(tài)信息實時通過該模塊寫入格式固定的數(shù)據(jù)Excel報表中，同時向報表中輸入數(shù)據(jù)統(tǒng)計指標，最終動態(tài)生成數(shù)據(jù)報表。用戶可根據(jù)需求，直接利用數(shù)據(jù)報表或者自行對報表進行相應操作。

圖5 GGA信息顯示界面

3 實驗驗證

為測試整個系統(tǒng)的可用性和穩(wěn)定性，選取東南大學四牌樓校區(qū)作為測試場地。在東南大學儀器科學與工程學院3S研究中心搭建接收機基準站，且書籍該基準站坐標。CORS系統(tǒng)服務軟件采用東南大學3S中心自主研發(fā)的Earth Net 2．0［8］，實現(xiàn)單基站工作模式［9］。待檢測設備選取天寶公司的R4流動站。

3．1 靜態(tài)接入

車在靜止情況下，系統(tǒng)通電后，車載基準設備自動播發(fā)請求信息，登陸CORS系統(tǒng)實時上傳GGA信息。同時，設置R4使其接入CORS服務中心。待兩者穩(wěn)定接入后，車載軟件可通過3 G網(wǎng)絡登陸CORS服務中心獲取所有車載設備的定位信息，并做比對分析。

從圖5分析可知，車載軟件可獲得車載設備的GGA信息：接入CORS的用戶名、當前UTC時間、可用衛(wèi)星數(shù)、DOP值、固定狀態(tài)以及坐標信息。軟件給出車載設備的大地坐標、空間坐標和平面坐標，計算該 UTC時刻的ΔX，ΔY，ΔZ分別為0．029 m、0．053 m、0．037 m。為進一步分析車載設備的定位精度，采用GA MIT解算軟件對基準設備的事后數(shù)據(jù)做靜態(tài)位置解算，將得到的坐標結(jié)果作為真值，并對車載設備的定位結(jié)果進行內(nèi)／外符合精度分析，結(jié)果如圖6所示。

從車載設備的N，E，U三個方向定位偏差圖可以看出車載基準設備S6536B和待檢測設備R4在1 h的測試時間內(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給出了車載設備定位結(jié)果的內(nèi)／外符合精度的統(tǒng)計值，可供檢測比對使用。

圖6 車載設備定位偏差圖

表1 車載設備精度統(tǒng)計值 mm

3．2 動態(tài)接入

動態(tài)定位性能是反映RTK終端設備質(zhì)量的重要方面。在車速40 k m／h左右的情況下，獲取車載設備的RTK定位信息并作出其運動軌跡圖。同時，利用RTKLIB軟件動態(tài)解算車載基準設備事后數(shù)據(jù)獲得同一時段的運動軌跡圖?；鶞试O備事后數(shù)據(jù)解算的頻率為1 s，而待檢測設備R4的采樣率為5 s。為有效的分析兩者之間的誤差，需要對兩者的定位信息進行歷元匹配，得到其軌跡對比圖，并對平面x，y方向的誤差進行統(tǒng)計，誤差分別為0．089 0 m和0．071 1 m。軌跡對比圖如圖7所示，x，y方向的檢測校差如圖8所示。

4 結(jié) 論

本文提出了一種新的RTK流動站終端實時動態(tài)檢測技術。采用車載衛(wèi)星信號收轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)實現(xiàn)衛(wèi)星信號的動態(tài)捕獲與跟蹤，并利用“一天線多接收機”原理保證車載設備的數(shù)據(jù)同源性，消除多變量影響。同時，又結(jié)合CORS技術實現(xiàn)車載設備定位信息的實時上傳和獲取，達到實時檢測的目的。該車載檢測平臺具備一定的創(chuàng)新性和先進性，為驗證系統(tǒng)平臺的可用性，相關測試結(jié)果表明：

1）車載基準設備和待檢測設備均能在車載平臺中完成可靠的靜態(tài)和動態(tài)定位解算，統(tǒng)計可得：靜態(tài)檢測模式下，N，E方向定位精度均優(yōu)于1 c m，U方向優(yōu)于2 c m；動態(tài)檢測模式下，平面方向可達到厘米級的檢測精度，即檢測平臺可用性良好。

圖7 軌跡對比圖

圖8 檢測校差圖

2）車載軟件可以實時分析車載設備的搜星情況，固定狀態(tài)、歷元時間及DOP值等定位信息，并可對待檢測設備和基準設備定位坐標結(jié)果實時的顯示和比對分析。

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