實時動態載波測量系統智能技術研究與發展現狀

鮑志雄，李前斌，黃俊銘

（廣州中海達衛星導航技術股份有限公司，廣州 511400）

1 引言

“智能化”的浪潮撲面而來，如智能手機、智能汽車、智能電視、智能家居等概念早已為人們所熟知。“智能化”正深刻改變了眾多傳統領域，智能化指利用現代通訊技術、網絡技術、微處理器技術、傳感器技術擴展原有產品的涵蓋面，使得產品使用更加方便、更加智能、交互性更加友好。實時動態差分法（real－time kinematic，RTK）測量系統作為當前最主流的衛星導航技術在測量中的應用產品，也逐漸朝向智能化邁進。

2 智能技術在測量系統的應用現狀

2.1 微處理器技術在測量系統的應用

2003年開始至今，RTK測量系統已經形成了相對固定的一套配備模式，一臺一體化接收機涵蓋全球衛星導航系統（global navigation satellite system，GNSS）天線單元、GNSS定位單元、通用分組無線服務技術（general packet radio service，GPRS）網絡單元、第三代移動通信技術（3rd－generation，3G）網絡單元、藍牙單元、電臺單元、電源、存儲及控制電路，一臺內置測量軟件的手持設備，其中接收機的控制核心是微處理芯片，相當于計算機內的中央處理器（central processing unit，CPU），微處理芯片的主要作用是控制各功能單元和數據處理，是測量系統接收機的核心部分。微處理器技術的發展從根本上促使了測量系統發展［1］，最早的接收機使用8位單片機，實現了簡單的RTK定位單元及電臺單元控制、小容量測量數據記錄功能等功能；近幾年，測量系統制造廠商應用ARM7／Cortex－M3微處理器平臺實現實用型測量系統，其功能擴展到GPRS網絡單元應用、數據U盤形式存儲及下載、發光二極管（light emitting diode，LED）及語音向導等更先進化和人性化測量系統；發展到如今，國內國外的測量系統制造廠商都應用主頻在400 MHz以上、低功耗、工業級的先進 ARM9／ARM11／Cortex－A8級別微處理器，實現復雜的數據處理、多功能、智能型測量系統。多功能智能型測量系統接收機中與微處理器連接的主要功能框圖如圖1所示。

圖1 RTK接收機內部功能框圖

為實現更加復雜的數據處理、多功能、智能型的測量系統，通常在測量系統的微處理器中搭建運行Linux操作系統，Linux操作系統是一個開放、自由、開源的操作系統，功能強大而穩定，配置要求低廉。由于上述特點，Linux常常被應用于嵌入式系統，例如機頂盒、路由器及交換機、手機等。由于Linux系統本身具有的強大功能以及可擴展性，基于Linux系統的RTK測量系統具有了無限的擴展功能［2］。通過融合先進的微處理器與嵌入式Linux操作系統、GNSS定位單元、3G移動通訊技術（兼容GPRS）、藍牙／WiFi單元、傳感器單元、語音單元等技術于一體，顛覆性地變革了傳統GNSS測量系統作業模式、服務模式，使得測量作業進入了智能時代，完美詮釋了GNSS測量系統接收機未來發展方向和理念。這其中具有代表性的產品是美國Magglen公司的ProMark 500，美國天寶公司的R8，中海達公司的iRTK。

2.2 傳感器技術在測量系統的應用

提高測量成果的精度、作業效率和可靠性是廣大測量作業人員孜孜不倦追求的目標，傳統RTK測量作業過程中，儀器水平狀態一般通過對中桿上的水準氣泡來衡量，而數據采集操作多是通過手持設備的應用程序進行。這樣，用戶在移動采集作業過程中，需要同時兼顧水準氣泡與軟件操作，此時會有兩個問題，首先采集操作需要時間，因此需要用戶較長時間保持對中桿水平狀態，其次手持設備采集時，可能無法兼顧對中狀態，導致位置產生偏移誤差。隨著新型傳感器——電子氣泡（加速度傳感器）在測量系統中的應用，可以有效解決以上兩個問題。加速度傳感器［3］通過測量由于重力引起的加速度變化，計算出設備相對于水平面的傾斜角度，由此可以獲取物體的水平狀態，代替傳統水準氣泡，因此也稱電子氣泡。測量過程中，電子氣泡狀態數據通過藍牙或WiFi實時傳遞至手持設備端，可以將傳統作業過程中的兩個視線焦點減少為一個，用戶只通過手持設備即可實時關注儀器水平狀態及數據質量，可以直接進行軟件自動采集，縮短作業時間，減少了用戶作業負擔，保證了測量精度。目前，天寶公司的新產品R10已經加入加速度傳感器［4］，提高測量精度和生產效率（如圖2）。

圖2 天寶Access軟件電子氣泡使用截圖

2.3 網絡通訊技術在測量系統的應用

在網絡通訊技術之前，RTK測量系統是使用電臺進行基準站和移動站間的差分數據傳輸，在城市中經常受建筑物的遮擋而使得作用距離受到限制（一般5～15km），另外，大功率的電臺需要配備厚重的鉛酸電瓶，增加了作業人員的負擔。國內最早出現利用手機無線網絡應用于RTK測量系統是在深圳連續運行參考站（continuously operating reference stations，CORS）系統上［5］，通過網絡發送差分數據，通過手機的全球移動通信系統（global system for mobile communications，GSM）模塊接收差分數據再傳送給接收機［6］，代替了原有的電臺通訊方式，但是CORS系統在當時還未成為主流的測量作業方式，需要依賴已經建成的CORS參考站系統，產品也主要是國外進口的天寶、徠卡等少數國外品牌具有。2005年，中海達率先推出了內置GSM模塊的一體化RTK HD5800，并且在廣州專門建設了RTK網絡差分服務器，通過服務器實現了利用網絡進行差分轉發的透明傳輸模式。這種作業模式極大提高了作業人員的工作范圍，減輕了勞動強度，深受客戶歡迎，各個國內廠商也爭相跟進，目前已經取代電臺成為客戶的首選作業模式。2012年，中海達又在此基礎上率先提出了新的網絡應用模式，不僅僅把網絡作為差分數據的傳輸手段，通過現有的3G網絡實現了手持設備與接收機的網絡傳輸，這樣就可以實現對接收機的遠程監控，提供包括信息接收、接收機控制、軟件升級 等多種多樣的對接收機的遠程服務，極大的擴展了網絡通訊技術在測量系統的應用范圍和影響。

2013年，美國天寶R10產品以及日本拓普康公司的Hiper SR產品第一次將WiFi技術引入RTK測量系統［6］，WiFi技術的特點是技術通用性強，相比藍牙而言傳輸速率高、作用距離遠，拓普康的Hiper SR通過WiFi技術實現基準站與移動站的近距離通訊（800～1 200m），天寶R10產品可以實現通過手機WiFi訪問及控制接收機。從GPRS到3G再到WiFi，網絡通訊技術使得RTK測量系統更加輕便、距離更遠、兼容性更強、功能更加強大，也為未來的增值服務提供了技術基礎。

3 智能技術在測量系統的發展趨勢

3.1 基于安卓系統帶觸摸交互的接收機

安卓（Android）系統是新一代智能操作系統的代表，開放的生態環境及各種智能功能的底層集成將大大方便系統開發。未來的RTK接收機很有可能是基于Andorid系統帶觸摸操作的接收機。通過一塊觸摸屏，可以實現豐富的信息顯示和簡便操作的完美融合，接收機的基本信息查看、工作模式轉換、簡單參數設定都可以通過觸摸屏直接完成，同時，基于Andorid系統的硬件平臺可以完全取代當前大多數的硬件平臺，并且對大容量存儲、網絡通訊、WiFi、藍牙支持更好。基于Andorid系統的接收機控制應用程序也功能更加強大而簡單。韓國三星公司于2013－09－07在IFA 2013大會上發布首款基于Andorid系統的智能手表，如圖3所示，手表都可以智能化了，RTK還有什么不可以？

圖3 三星智能手表Galaxy Gear

3.2 基于安卓系統的測量軟件

基于Android系統的測量軟件，能方便實現許多以前所不具備的特色應用。Android系統下，電容屏代替了傳統手持設備的電阻屏。電容屏支持多點觸摸，軟件能實現各種手勢操作，諸如拖動、放大、縮小、旋轉等，提供了良好的軟件交互。同時，Android系統具有良好的網絡支持，移動網絡應用更簡單方便。通過WiFi及3G支持，輕松實現自動升級，軟件更新更快捷方便；完善的分享機制及郵件支持，輕松實現成果數據實時提交。相比傳統移動設備操作系統，消息推送機制［7］是Android的一大特色，通過該功能，可使測量軟件從單獨應用擴展至更多服務，新技術、新功能、新資訊及時傳達，拉近廠商與用戶距離。針對很多客戶提出的中文輸入，Android系統也給出了完美解決方案，開放的應用市場，豐富的第三方輸入法支持，解決了傳統平臺缺乏良好中文輸入法的難題，拼音輸入、全屏手寫、語音輸入等多重輸入方式可選，滿足不同用戶習慣。最后，Android系統標配各式傳感器［8］，并形成統一的操作接口，一次開發，兼容所有，其中通過電子羅盤，提供實時行進方向，在放樣作業時，能得到更清晰的導航指示。

目前，國外Calson公司已經開發基于Andorid系統的GIS 360GIS數據采集軟件，中海達已開發出Android系統下RTK測量應用軟件 Hi－Survey（如圖4）。基于Andorid系統的軟件及硬件手持設備將取代傳統的WinCE／Mobile設備成為測量用戶的首選。

圖4 Hi－Survey軟件截圖

4 智能技術在應用中需克服的問題

可以看到，智能技術的發展當前深刻的影響到傳統測量測繪技術裝備的發展，與此同時，智能技術在發展中也暴露出一些存在的問題，主要表現在三個方面：功耗、安全性及兼容性。

智能技術的發展當前最主要的應用領域和需求來源于手機市場，手機市場的客戶需要高速的ARM微處理器、專用圖形處理芯片、大容量內存、高分辨率的屏幕顯示，過多的強調運算性能的雙核，多核CPU造成了功耗增大，當前手機ARM系統的功耗相比于傳統的ARM7系統的功耗增長了50%，從0.2W增加到了0.3W，雖然在整個測量系統4W左右的功耗中的只占10%，影響不是太大，但同樣是RTK測量系統中要克服和解決的問題，RTK小型輕便化的發展趨勢要求產品在更小的電池容量下依舊能夠保證客戶足夠的野外作業時間。

安全性方面，隨著嵌入式操作系統升級為智能系統，網絡功能在RTK測量系統的大量應用，當前在其他領域已經存在的一些問題也同樣會出現在RTK測量系統中，比如病毒、黑客等，這些值得警惕，在選擇智能技術的同時解決安全性的問題。

最后，智能系統發展的兼容性技術同樣需要去克服，從WinCE系統到Andorid系統的發展，對于廠商而言，是完全不同的兩種技術體系，開發語言從C＋＋，C＃轉換為Java，從系統定制和應用開發上，都帶來了新的挑戰。Android從2.0版本進展到今天的4.3版本，僅僅經歷了4a不到的時間，當前階段發展較混亂，發展前景并不明朗。同時，Android系統的高功耗也是大家無法回避的問題，發展趨勢將要求在保證足夠續航能力的前提下，提供輕便的手持采集器。在續航能力和輕便性中間取平衡，將是Android采集設備首要考慮的問題。

5 結束語

現代的微處理器技術、傳感器技術、網絡技術、Linux操作系統、Andorid操作系統等等智能技術的發展，使得RTK測量系統更加輕便、用戶交互體驗更好、作用距離更遠、擴展的功能更加強大，深刻的改變了現在的RTK測量系統的發展。更輕便、更小巧、更簡單、更智能的RTK測量時代已經來臨。

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