面向城市測(cè)量的低成本高精度GNSS靜態(tài)測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

楊銳波

摘 要：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，測(cè)量工具和測(cè)量手段也發(fā)生了變化，其中測(cè)量型GNSS呈現(xiàn)價(jià)格降低、體積縮小的趨勢(shì)。目前市場(chǎng)上一整套商用GNSS測(cè)量系統(tǒng)的價(jià)格從幾萬(wàn)到幾十萬(wàn)不等，且地面基站和移動(dòng)站體積大、攜帶不方便等原因，使得商用GNSS測(cè)量系統(tǒng)的使用人群僅限于部分專(zhuān)業(yè)測(cè)量人員，難以在大眾市場(chǎng)普及。當(dāng)今眾多領(lǐng)域如無(wú)人機(jī)、機(jī)器制導(dǎo)、精密農(nóng)業(yè)等對(duì)高精度定位需求的增加，又促使GNSS測(cè)量系統(tǒng)向低成本、高精度、小型化、輕型化發(fā)展。該文對(duì)U-BLOX的LEA-6T和NEO-M8T兩款低成本OEM型GNSS接收機(jī)進(jìn)行不同基線、不同時(shí)段下的靜態(tài)觀測(cè)，測(cè)試結(jié)果和精度分析表明這兩臺(tái)低成本GNSS測(cè)量系統(tǒng)能夠達(dá)到厘米級(jí)定位精度，滿(mǎn)足測(cè)量工作和GIS應(yīng)用的需求。試驗(yàn)證明使用此低成本測(cè)量系統(tǒng)能降低測(cè)量任務(wù)的經(jīng)濟(jì)成本，是測(cè)量級(jí)GNSS接收機(jī)中經(jīng)濟(jì)適用的選擇。

關(guān)鍵詞：GNSS 低成本 GNSS接收機(jī) 靜態(tài)測(cè)量系統(tǒng) 差分GNSS

中圖分類(lèi)號(hào)：P224 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2017）03（a）-0014-03

目前，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）的定位精度從米級(jí)提升到厘米級(jí)，且受時(shí)間和天氣因素的影響較小。GNSS較強(qiáng)的定位能力、高質(zhì)量的定位精度促使其越來(lái)越廣泛地被應(yīng)用于民用和軍事上。GNSS定位方式有兩種：?jiǎn)吸c(diǎn)定位和差分定位。單點(diǎn)定位是根據(jù)接收機(jī)的觀測(cè)數(shù)據(jù)確定接收機(jī)位置的定位方式。因其只能采用偽距測(cè)量，導(dǎo)致單點(diǎn)定位方式主要適用于對(duì)精度要求不高的工作。為了滿(mǎn)足更高精度的需求，測(cè)量級(jí)GNSS接收機(jī)新增加了載波相位測(cè)量值從而進(jìn)行差分定位。然而測(cè)量級(jí)GNSS接收機(jī)相對(duì)比較昂貴，價(jià)格一般在幾萬(wàn)到幾十萬(wàn)元之間。

近幾年，OEM型低成本GNSS接收機(jī)（板）已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于實(shí)際生活中。這種板卡能夠輸出載波相位，是測(cè)量型接收機(jī)的良好選擇，且這種低成本單頻接收機(jī)價(jià)格低，成本僅幾百元，能被普通用戶(hù)所接受。在靜態(tài)測(cè)量和動(dòng)態(tài)測(cè)量中，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已利用這種板卡進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)并且取得了一系列成果。

該文的研究目的是測(cè)試成熟的低成本載波相位GNSS定位系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中的可能性。主要研究對(duì)象是U-BLOX的2種不同型號(hào)的OEM型GNSS接收機(jī)：LEA-6T和NEO-M8T。測(cè)試過(guò)程中基站架設(shè)于廣州市華南師范大學(xué)校園內(nèi)，移動(dòng)站分別位于廣州大學(xué)、中山大學(xué)、暨南大學(xué)南校區(qū)內(nèi)，對(duì)應(yīng)的基線長(zhǎng)度分別為5 km、10 km和50 km。

1 低成本定位系統(tǒng)

該次研究中使用的不同型號(hào)的OEM GNSS接收機(jī)LEA-6T和NEO-M8T是目前使用較廣泛的低成本高精度定位系統(tǒng)。下面的章節(jié)將具體展開(kāi)對(duì)該定位系統(tǒng)的介紹。

1.1 低成本定位系統(tǒng)——LEA-6T

使用LEA-6T模塊作為接收機(jī)的定位系統(tǒng)主要組成部件如圖1所示。其中圖1中的①是LEA-6T OEM板。LEA-6T有幾大特點(diǎn)，分別是實(shí)時(shí)時(shí)鐘、PPS時(shí)間輸出、非易失性存儲(chǔ)器、差分GPS功能、偽距和相位原始數(shù)據(jù)輸出、L1碼相位和載波相位等。這種單頻接收機(jī)擁有12條平行通道接收來(lái)自衛(wèi)星的信號(hào)，更新速率達(dá)到1 Hz。接收機(jī)芯片的尺寸17.0 mm×22.4 mm×24 mm，重2.6 g。圖1中的②③是數(shù)據(jù)接收軟件和用于采集數(shù)據(jù)的個(gè)人電腦。因?yàn)榻邮諜C(jī)本身沒(méi)有記憶和存儲(chǔ)功能，LEA-6T模塊必須通過(guò)串口連接到數(shù)據(jù)采集器（一般為個(gè)人電腦）。因此裝有數(shù)據(jù)獲取軟件的個(gè)人電腦通過(guò)串口連接到LEA-6T板卡上才能獲取實(shí)時(shí)的原始數(shù)據(jù)（包括偽距和載波相位數(shù)據(jù)）輸出。要用到的數(shù)據(jù)采集軟件就是U-center。這個(gè)軟件可以上傳年歷、位置、時(shí)間信息，下載年歷和相位信息。U-center接收的數(shù)據(jù)有自己的格式，必須轉(zhuǎn)換成通用的RINEX格式才能被其他GNSS數(shù)據(jù)處理軟件所識(shí)別。RTKCOVN作為U-BLOX的一款數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換軟件，通過(guò)在Windows系統(tǒng)的個(gè)人電腦上運(yùn)行，選擇輸入文件和輸出路徑，完成數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換。圖1中的④是雙頻或單頻測(cè)量型天線或低成本普通天線。圖1中的⑤是電源。各部件完成連接之后如果想用openlog來(lái)記錄數(shù)據(jù)，必須提供5 V電源圖1中的⑥是電源/數(shù)據(jù)傳輸接口。在GPS模塊上有兩個(gè)串口數(shù)據(jù)輸出端口。一個(gè)輸出相位信息，另一個(gè)輸出NMEA協(xié)議格式的數(shù)據(jù)，波特率可以選擇1 200、2 400、4 800、9 600、19 200、38 400、57 600、115 200等。

1.2 低成本定位系統(tǒng)——NEO-M8T

在該次試驗(yàn)中，另一款OEM型GPS接收機(jī)NEO-M8T是U-BLOX新一代的產(chǎn)品，不僅搜星快，可見(jiàn)衛(wèi)星多，而且支持北斗、GLONASS、GPS多星座。

圖2是用NEO-M8T進(jìn)行觀測(cè)時(shí)的一些實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息（衛(wèi)星數(shù)量及狀態(tài)）。同時(shí)記錄原始觀測(cè)數(shù)據(jù)（偽距和相位數(shù)據(jù)）。

通過(guò)U-center軟件我們可以看到很多信息。例如：位置信息窗口以圖表的形式實(shí)時(shí)顯示GPS衛(wèi)星基本信息，包括實(shí)時(shí)精度、接收機(jī)位置、具象的演示水平和垂直方向速度、高度、概率經(jīng)度緯度、UTC時(shí)間，DGPS狀態(tài)，用于定位的可見(jiàn)星數(shù)量，HDOP、VDOP、PDOP、TDOP。“天空?qǐng)D”窗口顯示衛(wèi)星信號(hào)強(qiáng)度和各星座之間關(guān)系的具體信息。此外，軟件還有一個(gè)終端程序指令輸入窗口，這個(gè)開(kāi)放式的窗口可以把用戶(hù)預(yù)先設(shè)定的信息發(fā)送給接收機(jī)，也可以調(diào)整個(gè)人設(shè)置，問(wèn)題反饋等。

2 靜態(tài)定位試驗(yàn)

以華南師范大學(xué)校園為中心，用兩個(gè)不同型號(hào)的低成本高精度GNSS測(cè)量系統(tǒng)展開(kāi)3組靜態(tài)測(cè)量。為了驗(yàn)證測(cè)試系統(tǒng)的定位精度和性能，我們對(duì)不同長(zhǎng)度的基線分別進(jìn)行不同時(shí)間的觀測(cè)。

（1）第一組基線長(zhǎng)度為5 km，基準(zhǔn)站位于學(xué)校南門(mén)，記為1號(hào)點(diǎn)。移動(dòng)站位于中山大學(xué)院內(nèi)，基準(zhǔn)站天線和移動(dòng)站天線均架設(shè)在坐標(biāo)已知的控制點(diǎn)上，且四周開(kāi)闊無(wú)遮擋。兩組靜態(tài)觀測(cè)時(shí)間分別為30 min和2 h。

結(jié)果顯示該GNSS測(cè)量系統(tǒng)收斂速度快，固定所需時(shí)間短。固定率達(dá)到99.8%，同時(shí)得到E-W、N-S、U-D方向的RMS（均方根誤差）值分別為0.62 cm、0.83 cm、0.95 cm。進(jìn)一步將移動(dòng)站天線位置坐標(biāo)解算結(jié)果與已知坐標(biāo)進(jìn)行比較。

解算結(jié)果如表1。

解算結(jié)果表明在基線距離5 km條件下，定位精度優(yōu)于2 cm。

（2）第二組基線長(zhǎng)度10 km，基準(zhǔn)站位于華南師范大學(xué)北訓(xùn)練場(chǎng)內(nèi)，記為2號(hào)點(diǎn)，坐標(biāo)已知。移動(dòng)站位于測(cè)繪學(xué)院。對(duì)兩組接收機(jī)分別進(jìn)行30 min和2 h的靜態(tài)觀測(cè)。

在基線距離為10 km的情況下，整體定位精度仍能達(dá)到2 cm，收斂時(shí)間稍有延長(zhǎng)但是仍能快速固定。固定率為93.4%，E-W方向的RMS值為4.8 cm，N-S方向的RMS值為5.2 cm，U-D方向的RMS值為8.9 cm。各觀測(cè)時(shí)段的解算結(jié)果如表2。

對(duì)比發(fā)現(xiàn)，X、Y方向的定位精度在3 cm以?xún)?nèi)，高程精度在5 cm以?xún)?nèi)。

（3）第三組基線長(zhǎng)度50 km，基準(zhǔn)站位于校園南門(mén)1號(hào)控制點(diǎn)，坐標(biāo)已知。移動(dòng)站位于暨南大學(xué)圖書(shū)館前，坐標(biāo)已知。

當(dāng)基線長(zhǎng)度擴(kuò)大到50 km，收斂時(shí)間增加到5 min，固定之后的精度范圍在5 cm以?xún)?nèi)?？傮w固定率為89.2%，E-W、N-S、U-D三個(gè)方向的RMS值分別為3.2 cm、9.3 cm、13.3 cm。移動(dòng)站定位結(jié)果如表3。

當(dāng)基線達(dá)到50 km，X、Y、Z3個(gè)方向的定位精度仍能達(dá)到5cm，能滿(mǎn)足工程測(cè)量的要求。

3 結(jié)論與展望

在該次研究中，首先介紹了可以輸出載波相位數(shù)據(jù)的低成本OEM型GNSS接收機(jī)并且詳細(xì)說(shuō)明了該系統(tǒng)在測(cè)量中的可用性。為了評(píng)估該系統(tǒng)在靜態(tài)測(cè)量時(shí)的定位精度，進(jìn)行了一系列的試驗(yàn)。通過(guò)對(duì)多組試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)該定位系統(tǒng)可以達(dá)到厘米級(jí)的定位精度。在實(shí)際測(cè)量中基線長(zhǎng)度一般不會(huì)要求太長(zhǎng)，這種低成本的GNSS定位系統(tǒng)也正適用于短基線的測(cè)量定位任務(wù)。試驗(yàn)證明這種低成本GNSS定位測(cè)量系統(tǒng)完全能勝任一般的測(cè)量任務(wù)以及GIS相關(guān)應(yīng)用。同時(shí)試驗(yàn)表明該定位系統(tǒng)確實(shí)大大降低了測(cè)量任務(wù)的成本。因此，可將該模塊作為經(jīng)濟(jì)適用且高精度的大地測(cè)量型GPS接收機(jī)。

通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，這種低成本高精度GNSS測(cè)量系統(tǒng)在短基線測(cè)量中能達(dá)到較高的精度，這些實(shí)驗(yàn)只是基于靜態(tài)測(cè)量和差分后處理的情況下進(jìn)行的。要想有更廣闊的應(yīng)用前景，必須進(jìn)行實(shí)時(shí)定位和動(dòng)態(tài)定位。比如無(wú)人駕駛智能系統(tǒng)、機(jī)器制導(dǎo)、精細(xì)農(nóng)業(yè)、無(wú)人機(jī)導(dǎo)航與測(cè)圖等領(lǐng)域。然而這種動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)定位無(wú)疑又給這種低成本的測(cè)量系統(tǒng)帶來(lái)了很大的挑戰(zhàn)，如要解決數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸問(wèn)題、實(shí)時(shí)解算速度問(wèn)題以及高動(dòng)態(tài)高頻率震動(dòng)狀態(tài)下的衛(wèi)星失鎖等問(wèn)題。此外還可以考慮與IMU構(gòu)成組合導(dǎo)航系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)下的導(dǎo)航與定位。

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