基于低成本GNSS接收機的多天線RTK定位研究

黃會寶，高 強

（1.國電大渡河公司庫壩管理中心，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、實時、連續(xù)的定位、導(dǎo)航和授時服務(wù)[1]。實時動態(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、實時性等優(yōu)點，使其在工程測量領(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]；然而其易受移動通信網(wǎng)的限制，在某些場景中無法獲得較好的解算結(jié)果，且大部分商用接收機都為雙頻多系統(tǒng)接收機[4-5]，雖增加了多余觀測值、縮短了模糊度的固定時間、提高了定位精度和工作效率，但該類接收機一般價格較高。

在工程測量領(lǐng)域，通常作業(yè)范圍較小、基準站與移動站的距離不遠，因此可采用自主架設(shè)基準站的方式，對收費的移動通信網(wǎng)絡(luò)沒有要求。工程測量嚴格控制項目成本，從站點布設(shè)密度、項目周期、人力資本等方面考慮，宜采用低成本GNSS接收機[6-7]。低成本接收機的最大特色是其成本僅為高成本接收機的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，并實現(xiàn)了特定場景下厘米級精度的RTK定位[8-10]。然而，由于信道衰落和多路徑效應(yīng)的影響，單頻低成本接收機在某些時刻可能只能得到浮點模糊度，沒有固定解，定位精度大大降低，因此可采用天線分集的思想，利用多個天線應(yīng)對個別天線的模糊度失鎖情況，從而提升固定解的時間，確保定位精度。

1 低成本GNSS接收機設(shè)計

在滿足工程精度、施工效率等要求的條件下，成本問題是工程應(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、價格低廉的芯片是設(shè)計GNSS接收機的重點[11]。如何根據(jù)具體的測量目的、測量對象以及測量環(huán)境選擇合適的硬件設(shè)備，是在進行接收機實時定位硬件設(shè)計中首要解決的問題。根據(jù)測量任務(wù)和硬件系統(tǒng)設(shè)計的特點和要求，低成本GNSS接收機系統(tǒng)需要兼顧以下方面；①接收機收發(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)計接收機時選用的基準站模塊、移動站模塊和無線通信模塊為；

1）基準站模塊。基準站模塊選用瑞士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，授時精度能達到30 ns，測速精度可實現(xiàn)0.05 m/s，支持有源或無源天線，平面內(nèi)單點定位的精度可達2.5 m圓概率誤差（CEP），平面內(nèi)RTK的定位精度可達0.025m+1ppm CEP。

2）移動站模塊。移動站模塊選用武漢夢芯科技公司出品的MXT906芯片。該芯片是一款集成RTK算法的厘米級高精度定位導(dǎo)航模塊，可針對不同應(yīng)用需求，支持多個系統(tǒng)不同頻點組合的定位，也支持A-GNSS達到快速定位，封裝尺寸兼容市場上主流導(dǎo)航定位模塊，具有高靈敏度、抗干擾、高性能等特點；具備工業(yè)級標準，適用于高精度位置信息服務(wù)，尤其是汽車無人駕駛、無人機、測繪與地理信息、安全工程、精準農(nóng)業(yè)等對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）無線通信模塊。無線通信模塊需要完成兩處數(shù)據(jù)傳輸；①將基準站的差分定位信息傳遞給移動站；②移動站將差分定位結(jié)果發(fā)送給計算機終端進行最終處理。根據(jù)一般項目的作業(yè)范圍，采用AS32-TTL-100無線數(shù)傳模塊向移動站進行RTCM V3.2格式差分定位信息的廣播[12]，移動站接收到基準站播發(fā)的RTCM報文的差分定位信息后進行雙差定位處理，然后采用U-WIFI-B2無線WiFi模塊以NMEA-0183格式將結(jié)果上傳至計算機終端進行數(shù)據(jù)處理實現(xiàn)實時定位[13]。兩種無線通信模塊的具體參數(shù)如表2所示。

表2 無線通信模塊參數(shù)信息

2 多天線RTK定位

樹木遮擋、多路徑效應(yīng)等影響將造成單個移動站RTK失鎖，從而導(dǎo)致定位結(jié)果無法獲得固定解，限制了其在工程測量中的廣泛應(yīng)用。利用多天線RTK技術(shù)（經(jīng)濟成本較低），在一定距離范圍內(nèi)均勻分布，通過多點歸心改正擬合得到圓心，再利用圓心坐標反映整體RTK的固定率和穩(wěn)定性，能有效規(guī)避上述問題。低成本GNSS接收機的多天線RTK定位技術(shù)的具體流程為；①自主架設(shè)基準站，播發(fā)RTCM差分信息；②利用相對位置固定的多個移動站進行接收，利用移動站芯片內(nèi)部集成的定位引擎進行雙差處理；③利用WiFi模塊通過NMEA協(xié)議進行移動站與計算機終端的多對一通信；④計算機終端利用接收到的多個移動站的結(jié)果進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

需對計算機終端接收的多天線數(shù)據(jù)進行處理，得到最終的定位坐標，才能進一步分析其定位精度。移動站接收機中的RTK芯片進入固定解之后才能達到高精度，即定位結(jié)果可用，若定位結(jié)果是浮點解等其他解，則沒有意義。本文在移動站結(jié)果為固定解的情況下進行圓擬合。設(shè)移動站測量的離散點是固定解，且滿足圓曲線方程，即

式（2）只有3個未知數(shù)，需要列3個方程求解。然而，為了提高精度，一般會存在多余觀測值，利用多余觀測值進行平差，將多個誤差方程組進行聯(lián)合，即

根據(jù)最小二乘的原理可得；

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

3 實驗分析

3.1 低成本GNSS接收機檢驗

對于一臺接收機，其質(zhì)量的好壞決定了市場的需求量，為檢驗設(shè)計的低成本GNSS接收機的質(zhì)量，本文分別進行了零基線、短基線、1 km基線實驗[14]。

1）零基線實驗。零基線測量是指利用功分器將來自于同一個天線的信號分給兩臺接收機，兩臺接收機進行雙差定位，其真值為零，通過比較測量值與真值，可對接收機的質(zhì)量性能做出一定的評價。實驗利用功分器將設(shè)計的基準站和移動站接收機接入同一個天線中，數(shù)據(jù)采集時長為30 min，再進行定位性能的分析。分析采集的數(shù)據(jù)可知，該時段內(nèi)接收機完全固定，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，點位基本在1 cm以內(nèi)波動，達到毫米級；而在高程U方向上波動較大。零基線檢驗結(jié)果表明，本文設(shè)計的低成本GNSS接收機性能良好，符合一般工程厘米級精度要求。

表3 零基線E、U、N方向的定位精度統(tǒng)計/mm

2）短基線實驗。短基線可檢驗天線連同主機在內(nèi)整個GNSS接收機的作業(yè)性能。短基線實驗采用兩個相同的天線作為基準站和移動站，基線長度只有幾米，采集30 min數(shù)據(jù)，時間段內(nèi)接收機的固定率為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較零基線稍大，但二者的均方差基本相同，因此本文設(shè)計的低成本GNSS接收機作業(yè)性能良好。

表4 短基線E、U、N方向的定位精度統(tǒng)計/mm

3）1 km基線實驗。在工程測量領(lǐng)域，一般測量范圍在幾千米之內(nèi)，因此選取長度約為1 km的基線對低成本GNSS接收機進行檢測。在相距約1 km的兩個觀測墩分別架設(shè)基準站和移動站，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，說明本文設(shè)計的低成本GNSS接收機質(zhì)量良好，整體作業(yè)性能良好，能達到厘米級精度，實現(xiàn)實時厘米級定位。

表5 1 km基線E、U、N方向的定位精度統(tǒng)計/mm

3.2 多天線RTK定位測試

為測試多天線RTK定位應(yīng)對單接收機失鎖無法獲得固定解的情況，本文進行了實際測試。如圖2所示，在小推車上固定4臺移動站接收機模擬多天線條件，同時確保4臺移動站接收機位于同一個圓上，便于后期多點圓擬合。測試環(huán)境為半開闊的道路，兩邊樹木環(huán)繞對衛(wèi)星高度角造成一定影響，由于周圍樹木等物體遮擋導(dǎo)致接收機在某個時刻衛(wèi)星模糊度變成浮點解，4臺接收機將在固定與不固定兩種情況中頻繁變換。

圖2 多天線RTK模擬與測試環(huán)境

實驗思路為在附近合適的位置架設(shè)基準站進行差分數(shù)據(jù)信息的廣播，實現(xiàn)一對四的多天線實時定位；計算機端同時接收這4套移動站設(shè)備的定位信息，并分別對同一時刻的數(shù)據(jù)進行處理，得到對應(yīng)的坐標信息，再進行多點擬合，得到圓心三維坐標。準備工作完成后，啟動基準站位置處的低成本GNSS接收機，檢查移動站位置處的4臺低成本接收機與基準站的數(shù)據(jù)通信鏈路是否完好；確認通信鏈路完好后，勻速推動小推車進行實驗數(shù)據(jù)的采集。

實驗數(shù)據(jù)采集時段內(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

實驗過程中每臺接收機和擬合圓心在每個歷元下對應(yīng)的固定情況軌跡如圖4所示，其中紅色代表浮點解，藍色代表固定解；當(dāng)有3個或3個以上的接收機進入固定解時，即該歷元時刻對應(yīng)有3個或3個以上的藍色點，多天線擬合算法得到的圓心坐標才是固定解，否則擬合的圓心坐標為浮點解，偏差較大。該環(huán)境下各接收機的固定率如表6所示，可以看出，4臺接收機的固定率均不超過90%，整體固定率為73.0%，而多天線擬合算法擬合的圓心坐標固定率高達93.7%，直觀地驗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)計表

圖4 實時動態(tài)擬合軌跡分析圖

4 結(jié) 語

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)計了低成本GNSS接收機用于RTK定位。對于單個接收機失鎖的問題，本文采用多天線擬合圓心的方式來確保移動站的整體定位精度。通過零基線、短基線和1 km基線實驗驗證了本文設(shè)計的低成本GNSS接收機能滿足一般工程測量任務(wù)的精度需求。多天線RTK測試顯示，通過多天線擬合圓心的方式能有效提高固定解的時間，從而確保定位精度。