实时动态载波测量系统智能技术研究与发展现状

2014-01-10鲍志雄李前斌黄俊铭

导航定位学报 2014年1期

鲍志雄，李前斌，黄俊铭

（广州中海达卫星导航技术股份有限公司，广州 511400）

1 引言

“智能化”的浪潮扑面而来，如智能手机、智能汽车、智能电视、智能家居等概念早已为人们所熟知。“智能化”正深刻改变了众多传统领域，智能化指利用现代通讯技术、网络技术、微处理器技术、传感器技术扩展原有产品的涵盖面，使得产品使用更加方便、更加智能、交互性更加友好。实时动态差分法（real－time kinematic，RTK）测量系统作为当前最主流的卫星导航技术在测量中的应用产品，也逐渐朝向智能化迈进。

2 智能技术在测量系统的应用现状

2.1 微处理器技术在测量系统的应用

2003年开始至今，RTK测量系统已经形成了相对固定的一套配备模式，一台一体化接收机涵盖全球卫星导航系统（global navigation satellite system，GNSS）天线单元、GNSS定位单元、通用分组无线服务技术（general packet radio service，GPRS）网络单元、第三代移动通信技术（3rd－generation，3G）网络单元、蓝牙单元、电台单元、电源、存储及控制电路，一台内置测量软件的手持设备，其中接收机的控制核心是微处理芯片，相当于计算机内的中央处理器（central processing unit，CPU），微处理芯片的主要作用是控制各功能单元和数据处理，是测量系统接收机的核心部分。微处理器技术的发展从根本上促使了测量系统发展［1］，最早的接收机使用8位单片机，实现了简单的RTK定位单元及电台单元控制、小容量测量数据记录功能等功能；近几年，测量系统制造厂商应用ARM7／Cortex－M3微处理器平台实现实用型测量系统，其功能扩展到GPRS网络单元应用、数据U盘形式存储及下载、发光二极管（light emitting diode，LED）及语音向导等更先进化和人性化测量系统；发展到如今，国内国外的测量系统制造厂商都应用主频在400 MHz以上、低功耗、工业级的先进 ARM9／ARM11／Cortex－A8级别微处理器，实现复杂的数据处理、多功能、智能型测量系统。多功能智能型测量系统接收机中与微处理器连接的主要功能框图如图1所示。

图1 RTK接收机内部功能框图

为实现更加复杂的数据处理、多功能、智能型的测量系统，通常在测量系统的微处理器中搭建运行Linux操作系统，Linux操作系统是一个开放、自由、开源的操作系统，功能强大而稳定，配置要求低廉。由于上述特点，Linux常常被应用于嵌入式系统，例如机顶盒、路由器及交换机、手机等。由于Linux系统本身具有的强大功能以及可扩展性，基于Linux系统的RTK测量系统具有了无限的扩展功能［2］。通过融合先进的微处理器与嵌入式Linux操作系统、GNSS定位单元、3G移动通讯技术（兼容GPRS）、蓝牙／WiFi单元、传感器单元、语音单元等技术于一体，颠覆性地变革了传统GNSS测量系统作业模式、服务模式，使得测量作业进入了智能时代，完美诠释了GNSS测量系统接收机未来发展方向和理念。这其中具有代表性的产品是美国Magglen公司的ProMark 500，美国天宝公司的R8，中海达公司的iRTK。

2.2 传感器技术在测量系统的应用

提高测量成果的精度、作业效率和可靠性是广大测量作业人员孜孜不倦追求的目标，传统RTK测量作业过程中，仪器水平状态一般通过对中杆上的水准气泡来衡量，而数据采集操作多是通过手持设备的应用程序进行。这样，用户在移动采集作业过程中，需要同时兼顾水准气泡与软件操作，此时会有两个问题，首先采集操作需要时间，因此需要用户较长时间保持对中杆水平状态，其次手持设备采集时，可能无法兼顾对中状态，导致位置产生偏移误差。随着新型传感器——电子气泡（加速度传感器）在测量系统中的应用，可以有效解决以上两个问题。加速度传感器［3］通过测量由于重力引起的加速度变化，计算出设备相对于水平面的倾斜角度，由此可以获取物体的水平状态，代替传统水准气泡，因此也称电子气泡。测量过程中，电子气泡状态数据通过蓝牙或WiFi实时传递至手持设备端，可以将传统作业过程中的两个视线焦点减少为一个，用户只通过手持设备即可实时关注仪器水平状态及数据质量，可以直接进行软件自动采集，缩短作业时间，减少了用户作业负担，保证了测量精度。目前，天宝公司的新产品R10已经加入加速度传感器［4］，提高测量精度和生产效率（如图2）。

图2 天宝Access软件电子气泡使用截图

2.3 网络通讯技术在测量系统的应用

在网络通讯技术之前，RTK测量系统是使用电台进行基准站和移动站间的差分数据传输，在城市中经常受建筑物的遮挡而使得作用距离受到限制（一般5～15km），另外，大功率的电台需要配备厚重的铅酸电瓶，增加了作业人员的负担。国内最早出现利用手机无线网络应用于RTK测量系统是在深圳连续运行参考站（continuously operating reference stations，CORS）系统上［5］，通过网络发送差分数据，通过手机的全球移动通信系统（global system for mobile communications，GSM）模块接收差分数据再传送给接收机［6］，代替了原有的电台通讯方式，但是CORS系统在当时还未成为主流的测量作业方式，需要依赖已经建成的CORS参考站系统，产品也主要是国外进口的天宝、徕卡等少数国外品牌具有。2005年，中海达率先推出了内置GSM模块的一体化RTK HD5800，并且在广州专门建设了RTK网络差分服务器，通过服务器实现了利用网络进行差分转发的透明传输模式。这种作业模式极大提高了作业人员的工作范围，减轻了劳动强度，深受客户欢迎，各个国内厂商也争相跟进，目前已经取代电台成为客户的首选作业模式。2012年，中海达又在此基础上率先提出了新的网络应用模式，不仅仅把网络作为差分数据的传输手段，通过现有的3G网络实现了手持设备与接收机的网络传输，这样就可以实现对接收机的远程监控，提供包括信息接收、接收机控制、软件升级等多种多样的对接收机的远程服务，极大的扩展了网络通讯技术在测量系统的应用范围和影响。

2013年，美国天宝R10产品以及日本拓普康公司的Hiper SR产品第一次将WiFi技术引入RTK测量系统［6］，WiFi技术的特点是技术通用性强，相比蓝牙而言传输速率高、作用距离远，拓普康的Hiper SR通过WiFi技术实现基准站与移动站的近距离通讯（800～1 200m），天宝R10产品可以实现通过手机WiFi访问及控制接收机。从GPRS到3G再到WiFi，网络通讯技术使得RTK测量系统更加轻便、距离更远、兼容性更强、功能更加强大，也为未来的增值服务提供了技术基础。

3 智能技术在测量系统的发展趋势

3.1 基于安卓系统带触摸交互的接收机

安卓（Android）系统是新一代智能操作系统的代表，开放的生态环境及各种智能功能的底层集成将大大方便系统开发。未来的RTK接收机很有可能是基于Andorid系统带触摸操作的接收机。通过一块触摸屏，可以实现丰富的信息显示和简便操作的完美融合，接收机的基本信息查看、工作模式转换、简单参数设定都可以通过触摸屏直接完成，同时，基于Andorid系统的硬件平台可以完全取代当前大多数的硬件平台，并且对大容量存储、网络通讯、WiFi、蓝牙支持更好。基于Andorid系统的接收机控制应用程序也功能更加强大而简单。韩国三星公司于2013－09－07在IFA 2013大会上发布首款基于Andorid系统的智能手表，如图3所示，手表都可以智能化了，RTK还有什么不可以？

图3 三星智能手表Galaxy Gear

3.2 基于安卓系统的测量软件

基于Android系统的测量软件，能方便实现许多以前所不具备的特色应用。Android系统下，电容屏代替了传统手持设备的电阻屏。电容屏支持多点触摸，软件能实现各种手势操作，诸如拖动、放大、缩小、旋转等，提供了良好的软件交互。同时，Android系统具有良好的网络支持，移动网络应用更简单方便。通过WiFi及3G支持，轻松实现自动升级，软件更新更快捷方便；完善的分享机制及邮件支持，轻松实现成果数据实时提交。相比传统移动设备操作系统，消息推送机制［7］是Android的一大特色，通过该功能，可使测量软件从单独应用扩展至更多服务，新技术、新功能、新资讯及时传达，拉近厂商与用户距离。针对很多客户提出的中文输入，Android系统也给出了完美解决方案，开放的应用市场，丰富的第三方输入法支持，解决了传统平台缺乏良好中文输入法的难题，拼音输入、全屏手写、语音输入等多重输入方式可选，满足不同用户习惯。最后，Android系统标配各式传感器［8］，并形成统一的操作接口，一次开发，兼容所有，其中通过电子罗盘，提供实时行进方向，在放样作业时，能得到更清晰的导航指示。

目前，国外Calson公司已经开发基于Andorid系统的GIS 360GIS数据采集软件，中海达已开发出Android系统下RTK测量应用软件 Hi－Survey（如图4）。基于Andorid系统的软件及硬件手持设备将取代传统的WinCE／Mobile设备成为测量用户的首选。

图4 Hi－Survey软件截图

4 智能技术在应用中需克服的问题

可以看到，智能技术的发展当前深刻的影响到传统测量测绘技术装备的发展，与此同时，智能技术在发展中也暴露出一些存在的问题，主要表现在三个方面：功耗、安全性及兼容性。

智能技术的发展当前最主要的应用领域和需求来源于手机市场，手机市场的客户需要高速的ARM微处理器、专用图形处理芯片、大容量内存、高分辨率的屏幕显示，过多的强调运算性能的双核，多核CPU造成了功耗增大，当前手机ARM系统的功耗相比于传统的ARM7系统的功耗增长了50%，从0.2W增加到了0.3W，虽然在整个测量系统4W左右的功耗中的只占10%，影响不是太大，但同样是RTK测量系统中要克服和解决的问题，RTK小型轻便化的发展趋势要求产品在更小的电池容量下依旧能够保证客户足够的野外作业时间。

安全性方面，随着嵌入式操作系统升级为智能系统，网络功能在RTK测量系统的大量应用，当前在其他领域已经存在的一些问题也同样会出现在RTK测量系统中，比如病毒、黑客等，这些值得警惕，在选择智能技术的同时解决安全性的问题。

最后，智能系统发展的兼容性技术同样需要去克服，从WinCE系统到Andorid系统的发展，对于厂商而言，是完全不同的两种技术体系，开发语言从C＋＋，C＃转换为Java，从系统定制和应用开发上，都带来了新的挑战。Android从2.0版本进展到今天的4.3版本，仅仅经历了4a不到的时间，当前阶段发展较混乱，发展前景并不明朗。同时，Android系统的高功耗也是大家无法回避的问题，发展趋势将要求在保证足够续航能力的前提下，提供轻便的手持采集器。在续航能力和轻便性中间取平衡，将是Android采集设备首要考虑的问题。