GPS+BDS双差分RTK在遥控车载地理信息采集系统中的应用

郝国欣,罗旻

(中国电波传播研究所,山东 青岛 266107)

0 引 言

随着时代进步和技术发展,实时动态差分(RTK)方法作为一种测量技术发展的新突破广泛应用于地理环境感知、地形测绘、地质勘查[1]等方面。早期的RTK技术是在GPS 基础上发展起来的,在基准站定位精确的前提下,能够实时提供移动站在指定坐标系中的多维定位结果,并在一定范围内达到厘米级精度的一种新的GPS 定位技术,因此也称为GPS-RTK。

在我国,传统的GPS-RTK只能接收GPS、GLONASS 的导航卫星信号,同时由于受GPS卫星空间组成和信号强度等原因,导致了某些时段和某些位置的“盲区”现象。为摆脱GPS的技术束缚,国内北斗卫星导航系统(BDS)近年来迅猛发展,为BDS与GPS组合系统下的RTK技术共用/共享/共发展提供了一条良好的技术融合途径。

1 RTK技术的基本原理

1.1 基本原理

早期差分GPS技术有三种,位置差分、伪距差分和相位差分。差分方式都是由基准站发送改正数,由移动站接收并对其测量结果进行改正,以获得精确的定位结果如图1所示[2]。所不同的是发送改正数的具体内容不一样,其差分定位精度也不同。位置差分和伪距差分带来的定位误差相关性会随基准站与移动站的空间距离的增加而导致定位精度迅速降低。RTK技术是基于相位差分的一种方法,同时它还被称为载波相位实时动态差分定位,其能够在非常短的时隙内固定模糊度,为用户提供厘米级的定位精度。

GPS-RTK测量系统一般由三部分组成:GPS接收设备、无线数据传输设备、配套计算软件。工作原理是将一台接收机置于基准站上,该接收机为参考站,另一台接收机置于移动站上。基准站和移动站对卫星进行连续观测,同时接收同一时间相同GPS卫星发射的信号。

基准站所获得的观测值与已知位置信息进行比较,得到GPS 差分修正值。然后将这个修正值及时地通过无线数据传输设备发送给移动站以精化其GPS 观测值。移动站GPS接收机在接收GPS卫星信号的同时,通过无线通信设备,接收基准站传输的数据,然后利用计算机技术,通过其内部的处理器和相应的软件计算算法,自动实时解算出移动站所处位置的三维坐标(即移动站所处点的平面坐标X、Y和海拔高H),这样经差分修正后移动站的实时位置准确度进一步提高。在整个GPS-RTK测量过程中,移动站也可以是静止的。

1.2 GPS+BDS混合RTK

BDS-RTK 是基于北斗卫星导航系统的RTK 技术,可视卫星多,卫星高度角大,观测卫星的几何图形强度更强以及多余观测量更多,能够长时间以低空间位置精度因子(PDOP) 值进行工作,使得整个卫星定位系统的可靠性和可用性提高很多,尤其是对于单一系统卫星数量比较少或遮挡比较严重的情况,保证高标准定位的定位精度,而且能够兼容和自由切换GPS、GNSS定位系统。

在GPS+BDS-RTK 组合条件下[3],RTK双差分技术可以包括:只在同一类系统观测值之间组成星站间差分(称标准双差);仅选择某个系统的卫星为参考星,对不同系统的观测值组成星站间差分(称混合双差)。

单一使用GPS或BDS系统时,接收同一系统下不同卫星信号时,接收路径中带来的一切时延偏差(如卫星钟差、大气误差和接收机钟差等)均可以通过标准双差抵消掉。但当使用GPS+BDS组合系统时,即混合双差时,接收机接收到的卫星信号就存在很大的差异性,而导致数据的相关性大大降低,这主要是由于两个系统的频率和系统时延偏差不一样的原因。对于这些系统间偏差,由于采用的混合双差增加了卫星观测方程的个数和多余观测量,引入了系统误差特性计算,完全可以事先分析得出修正值并进一步精化。

1.3 混合RTK数学模型

在单GPS系统中,卫星q任意时刻的相位φ、伪距p的非差观测方程可以表示为

E(φ)=ρ+c[dtr+δGPS(q)-τGPS(q)]-

c[dts+δs]+α+λGPS(q)Nq,

(1)

E(p)=ρ+c[dtr+dGPS(q)-τGPS(q)]-

c[dts+ds]+a,

(2)

其中:E为数学期望;ρ为站星间的几何距离;c为真空中的光速常数；dtr为接收机的钟差；δGPS(q)为接收机相位的时延偏差；τGPS(q)为卫星系统与接收机参考时间系统之间的差异；dts为卫星的钟差；δs为卫星相位的时延偏差；α为相位大气时延；λGPS(q)为对应频率的波长；Nq为非差模糊度；dGPS(q)为接收机的伪距；ds为卫星的伪距；a为伪距偏差。

定义基准站b,移动站m,定义参考星r.对双差分后的相位和伪距符号定义为和

由此可以得到标准差分后的双差观测方程:

E(Δδ+

(3)

E(Δd,

(4)

式中,ΔN为单差模糊度。

针对单BDS系统,只需要把式(1)～(4)中的‘GPS’标示更换为‘BDS’即可。

在GPS+BDS混合双差分时,即卫星r和q属于不同系统的卫星时,由于GPS和BDS的频率不一样,式(3)就可以变化为

E(

(5)

式中,q代表了BDS的所有卫星,可见所有BDS卫星都包括系数为光速的偏差参数和模糊度偏差参数。

GPS和BDS在信号体制结构方面采用的都是码分多址技术(CDMA),使得两者在数据处理模型方面非常接近,有利于进行双系统组合定位。利用该模型分析GPS+BDS组合RTK的定位性能,通过短基线实测数据分析表明[4]:GPS+BDS组合系统采取混合双差处理算法相比于单一系统,明显提高了定位的稳定性和精度,改善了模糊度固定的正确率,并降低了模糊度的错误拒绝率。

2 双差分RTK在车载平台上的实现

2.1 设计思路

车载机动平台行进于复杂路面上,定位导航是引导载运平台在远程遥控条件下完成地理信息采集的最基本控制手段。

利用BDS与GPS两种类型定位导航系统构成组合导航体系,借鉴混合双差数学模型(式(5)),把RTK技术应用在遥控车载平台上,依赖其高精度定位、高可靠导航信息等优点,确保车载平台沿着既定路线的轨迹行进,从而精确得到目标区域的地理信息。

该设计应用一方面将遥控车载平台的经度、纬度、速度等信息, 经车载无线数据传输链路实时地发送至后方控制端,另一方面通过后方控制端(基准站)时刻对遥控车载端(移动站)的导航定位信息进行校正精化,确保了既定路线的“轨迹执行”要求。

2.2 GPS+BDS设备选取

在本远程遥控车载地理信息采集系统应用中,选用的RTK设备为基于GPS/BDS/GLONASS三星七频板卡为核心组件的定位定向接收机，如图2所示。

该板卡可以同时接收BDS-B1、B2、B3,GPS-L1、L2和GLONASS-L1、L2总共七种频点的卫星信号,授时精度可以达到50 ns和30 ns两种状态。接收机内部集成该型板卡,并独立使用两个外接天线,通过内嵌的双天线定向解算算法引擎,利用RTK技术能够精确解算出两个天线位置信息和两个天线相位中心连线与真北之间的夹角从而进一步实现高精度的定位定向,在选用GPS+BDS双系统混合RTK条件下,利用基准站的无线差分数据,可使定位精度达到2 cm.RTK数据接口采取串口协议形式与上位机进行通信。

2.3 无线数据传输设备

系统中选用的无线数据传输设备为iNET900数传电台。该电台传输距离远,传输速率高,在条件允许的情况下,iNET900可提供可靠的通信距离达50 km.电台参数如下:①工作频率:902～928 MHz;②传输速率:1 Mbps(网口)/1 200 — 115 200 bps(COM口);③扩频模式:跳频扩频;④发射功率:最大15W;⑤接收机灵敏度:-97 dBm @ 512 kbps<1×10-6BER;-92 dBm @ 1 Mbps<1×10-6BER.

由于iNET900数传电台具有双网关模式,可以同时支持串口设备和以太网设备连接。为把车载移动站设计成为一个可移动的无线访问网络,在系统设计过程中将远端以太网或串口网络的数据直接传输到基于IP的网络中。这样,在保证占用一个串口进行双差分RTK数据传输的同时,另外的网口完全可以去执行基准站和移动站之间的其他设备遥控指令数据的双向传输。如图3所示。

2.4 应用注意事项

1) RTK定位的数据处理主要是采取基准站和移动站间的单基线处理,而基准站和移动站的观测数据质量及无线通信链路的传播质量对定位精度的影响极大。因此,把基准站设立在要进行RTK测量区域的地势高点上,尽可能提高基准站和移动站天线的架设高度。

2) 图3中,基于IP网络的RTK技术应用,要注意RTK数据量和IP数据量的比较,避免RTK数据占用数传电台的串口带宽“拥塞”其他设备的网口带宽。

3) 数据算法处理选择合适的坐标系,减少坐标系统转换带来的误差。

3 结束语

针对遥控车载地理信息采集系统中使用的GPS+BDS混合双差分RTK技术,利用混合双差分RTK数学模型,解决了不同系统观测值之间的时延偏差不一致、观测频率不一致问题,使得卫星观测信息利用得更加充分,大大提高了RTK技术中模糊度固定的成功率,有效提高了定位精度,使得系统在实际应用过程中的地理信息采集更加准确、有效,减低了人力投入,提高了工作效率。

若系统中GPS或BDS定位接收设备采用“组合惯导”方式, GPS+BDS混合双差分RTK技术则可以推广至人工智能控制领域,对无人机[5]、无人车平台的轨迹路径规划过程中的高精度导航控制起着至关重要的作用,如图4所示。

[1] 黄建学.GPS-RTK测量技术在地质勘查中的应用[J].测绘与空间地理信息,2014,37(11):132-134.

[2] 余小龙,胡学奎.GPS RTK 技术的优缺点及发展前景[J]. 测绘通报,2007(10):39-44.

[3] 满小三,孙付平,潘国富,等.BDS/GPS组合RTK定位性能分析[J].测绘工程,2016,25(12):16-20.

[4] 张小红,丁乐乐,何俊.双卫星导航系统短基线动态定位实验与对比分析[J].导航定位学报,2014,2(2):26-30.

[5] 周国栋,胡延霖,于克振.基于GIS和GPS的某小型无人机监控及导航系统设计与实现[J].航空兵器,2006(2):13-16.