面向城市測量的低成本高精度GNSS靜態(tài)測量系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

楊銳波

摘 要：隨著科學技術的發(fā)展，測量工具和測量手段也發(fā)生了變化，其中測量型GNSS呈現(xiàn)價格降低、體積縮小的趨勢。目前市場上一整套商用GNSS測量系統(tǒng)的價格從幾萬到幾十萬不等，且地面基站和移動站體積大、攜帶不方便等原因，使得商用GNSS測量系統(tǒng)的使用人群僅限于部分專業(yè)測量人員，難以在大眾市場普及。當今眾多領域如無人機、機器制導、精密農(nóng)業(yè)等對高精度定位需求的增加，又促使GNSS測量系統(tǒng)向低成本、高精度、小型化、輕型化發(fā)展。該文對U-BLOX的LEA-6T和NEO-M8T兩款低成本OEM型GNSS接收機進行不同基線、不同時段下的靜態(tài)觀測，測試結果和精度分析表明這兩臺低成本GNSS測量系統(tǒng)能夠達到厘米級定位精度，滿足測量工作和GIS應用的需求。試驗證明使用此低成本測量系統(tǒng)能降低測量任務的經(jīng)濟成本，是測量級GNSS接收機中經(jīng)濟適用的選擇。

關鍵詞：GNSS 低成本 GNSS接收機 靜態(tài)測量系統(tǒng) 差分GNSS

中圖分類號：P224 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）03（a）-0014-03

目前，全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）的定位精度從米級提升到厘米級，且受時間和天氣因素的影響較小。GNSS較強的定位能力、高質量的定位精度促使其越來越廣泛地被應用于民用和軍事上。GNSS定位方式有兩種：單點定位和差分定位。單點定位是根據(jù)接收機的觀測數(shù)據(jù)確定接收機位置的定位方式。因其只能采用偽距測量，導致單點定位方式主要適用于對精度要求不高的工作。為了滿足更高精度的需求，測量級GNSS接收機新增加了載波相位測量值從而進行差分定位。然而測量級GNSS接收機相對比較昂貴，價格一般在幾萬到幾十萬元之間。

近幾年，OEM型低成本GNSS接收機（板）已經(jīng)被廣泛應用于實際生活中。這種板卡能夠輸出載波相位，是測量型接收機的良好選擇，且這種低成本單頻接收機價格低，成本僅幾百元，能被普通用戶所接受。在靜態(tài)測量和動態(tài)測量中，國內(nèi)外學者已利用這種板卡進行了大量的實驗并且取得了一系列成果。

該文的研究目的是測試成熟的低成本載波相位GNSS定位系統(tǒng)在實際應用中的可能性。主要研究對象是U-BLOX的2種不同型號的OEM型GNSS接收機：LEA-6T和NEO-M8T。測試過程中基站架設于廣州市華南師范大學校園內(nèi)，移動站分別位于廣州大學、中山大學、暨南大學南校區(qū)內(nèi)，對應的基線長度分別為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的OEM GNSS接收機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)將具體展開對該定位系統(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，分別是實時時鐘、PPS時間輸出、非易失性存儲器、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。這種單頻接收機擁有12條平行通道接收來自衛(wèi)星的信號，更新速率達到1 Hz。接收機芯片的尺寸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)的個人電腦。因為接收機本身沒有記憶和存儲功能，LEA-6T模塊必須通過串口連接到數(shù)據(jù)采集器（一般為個人電腦）。因此裝有數(shù)據(jù)獲取軟件的個人電腦通過串口連接到LEA-6T板卡上才能獲取實時的原始數(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。這個軟件可以上傳年歷、位置、時間信息，下載年歷和相位信息。U-center接收的數(shù)據(jù)有自己的格式，必須轉換成通用的RINEX格式才能被其他GNSS數(shù)據(jù)處理軟件所識別。RTKCOVN作為U-BLOX的一款數(shù)據(jù)轉換軟件，通過在Windows系統(tǒng)的個人電腦上運行，選擇輸入文件和輸出路徑，完成數(shù)據(jù)格式的轉換。圖1中的④是雙頻或單頻測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模塊上有兩個串口數(shù)據(jù)輸出端口。一個輸出相位信息，另一個輸出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

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

圖2是用NEO-M8T進行觀測時的一些實時數(shù)據(jù)信息（衛(wèi)星數(shù)量及狀態(tài)）。同時記錄原始觀測數(shù)據(jù)（偽距和相位數(shù)據(jù)）。

通過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時顯示GPS衛(wèi)星基本信息，包括實時精度、接收機位置、具象的演示水平和垂直方向速度、高度、概率經(jīng)度緯度、UTC時間，DGPS狀態(tài)，用于定位的可見星數(shù)量，HDOP、VDOP、PDOP、TDOP。“天空圖”窗口顯示衛(wèi)星信號強度和各星座之間關系的具體信息。此外，軟件還有一個終端程序指令輸入窗口，這個開放式的窗口可以把用戶預先設定的信息發(fā)送給接收機，也可以調(diào)整個人設置，問題反饋等。

2 靜態(tài)定位試驗

以華南師范大學校園為中心，用兩個不同型號的低成本高精度GNSS測量系統(tǒng)展開3組靜態(tài)測量。為了驗證測試系統(tǒng)的定位精度和性能，我們對不同長度的基線分別進行不同時間的觀測。

（1）第一組基線長度為5 km，基準站位于學校南門，記為1號點。移動站位于中山大學院內(nèi)，基準站天線和移動站天線均架設在坐標已知的控制點上，且四周開闊無遮擋。兩組靜態(tài)觀測時間分別為30 min和2 h。

結果顯示該GNSS測量系統(tǒng)收斂速度快，固定所需時間短。固定率達到99.8%，同時得到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。進一步將移動站天線位置坐標解算結果與已知坐標進行比較。

解算結果如表1。

解算結果表明在基線距離5 km條件下，定位精度優(yōu)于2 cm。

（2）第二組基線長度10 km，基準站位于華南師范大學北訓練場內(nèi)，記為2號點，坐標已知。移動站位于測繪學院。對兩組接收機分別進行30 min和2 h的靜態(tài)觀測。

在基線距離為10 km的情況下，整體定位精度仍能達到2 cm，收斂時間稍有延長但是仍能快速固定。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。各觀測時段的解算結果如表2。

對比發(fā)現(xiàn)，X、Y方向的定位精度在3 cm以內(nèi)，高程精度在5 cm以內(nèi)。

（3）第三組基線長度50 km，基準站位于校園南門1號控制點，坐標已知。移動站位于暨南大學圖書館前，坐標已知。

當基線長度擴大到50 km，收斂時間增加到5 min，固定之后的精度范圍在5 cm以內(nèi)。總體固定率為89.2%，E-W、N-S、U-D三個方向的RMS值分別為3.2 cm、9.3 cm、13.3 cm。移動站定位結果如表3。

當基線達到50 km，X、Y、Z3個方向的定位精度仍能達到5cm，能滿足工程測量的要求。

3 結論與展望

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接收機并且詳細說明了該系統(tǒng)在測量中的可用性。為了評估該系統(tǒng)在靜態(tài)測量時的定位精度，進行了一系列的試驗。通過對多組試驗數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)該定位系統(tǒng)可以達到厘米級的定位精度。在實際測量中基線長度一般不會要求太長，這種低成本的GNSS定位系統(tǒng)也正適用于短基線的測量定位任務。試驗證明這種低成本GNSS定位測量系統(tǒng)完全能勝任一般的測量任務以及GIS相關應用。同時試驗表明該定位系統(tǒng)確實大大降低了測量任務的成本。因此，可將該模塊作為經(jīng)濟適用且高精度的大地測量型GPS接收機。

通過大量實驗發(fā)現(xiàn)，這種低成本高精度GNSS測量系統(tǒng)在短基線測量中能達到較高的精度，這些實驗只是基于靜態(tài)測量和差分后處理的情況下進行的。要想有更廣闊的應用前景，必須進行實時定位和動態(tài)定位。比如無人駕駛智能系統(tǒng)、機器制導、精細農(nóng)業(yè)、無人機導航與測圖等領域。然而這種動態(tài)實時定位無疑又給這種低成本的測量系統(tǒng)帶來了很大的挑戰(zhàn)，如要解決數(shù)據(jù)實時傳輸問題、實時解算速度問題以及高動態(tài)高頻率震動狀態(tài)下的衛(wèi)星失鎖等問題。此外還可以考慮與IMU構成組合導航系統(tǒng)來實現(xiàn)高動態(tài)下的導航與定位。

參考文獻

[1] 周鋒，秦臻.GPS-RTK技術在礦山高精度沉陷監(jiān)測的應用研究[J].全球定位系統(tǒng)，2011（6）：68-72.

[2] 黃杰云.RTK測量技術在城市測量中的應用與優(yōu)勢分析[J]. 測繪與空間地理信息，2011（3）：130-132.

[3] 徐啟炳，張立新，蒙艷松.GNSS導航信號體制兼容性分析[J].空間電子技術，2011（2）：1-4.

[4] 許其鳳.現(xiàn)代GPS相對定位的精度[J].測繪通報，2003（5）：6-8.