基于嵌入式的網絡RTK定位系統設計

曹界宇 王偉 葛男男

【摘要】? ? 為解決傳統RTK作業距離受限，定位精度、可靠性不高的問題，本文設計了一種基于嵌入式的網絡RTK定位系統。該系統以STM32F405作為系統核心處理單元，系統主要通過獲取CORS系統差分修正數據信息，并將數據信息發送給流動站，RTK板卡定位解算后，系統便可獲得高精度定位信息。經過實驗測試表明，本系統具備厘米級高精度定位功能，并且作業覆蓋范圍廣闊。

【關鍵詞】? ? 嵌入式? ? 網絡RTK? ? ?RTK板卡? ? CORS系統

引言

隨著衛星導航定位技術的快速發展和廣泛應用，RTK技術很好地解決了人們對高精度定位的需求[1]。傳統RTK主要以固定基準站、數據鏈路通信系統、流動站構成，其中流動站連續觀測衛星定位數據，并通過無線通信系統將基準站上差分修正數據信息發送給流動站。而流動站通過通信系統同時接收衛星信號和基準站發送過來的數據，通過差分數據解算以實現高精度定位。

隨著RTK技術不斷的成熟，傳統的RTK 定位技術的弊端也顯現地較明顯。傳統的RTK每次作業前都需要人力架設基準站，并且必須選取空曠的地方架設基準站，同時傳統RTK技術會受到通信鏈路距離的影響，其作業范圍有一定限制，并且隨著流動站和基站距離的增加，GNSS數據信息在空間傳播時受到電離層和對流層的折射因素，其誤差會越來越大。這會極大影響RTK定位精度[2]。而網絡RTK 定位技術指的是連續運行參考站系統（CORS系統），CORS系統以網絡分布系統為基礎，基于適當密度的參考站網絡，建立精準的差分數據計算模型，利用數據通信鏈路播發差分修正數據，來消除定位過程中受到的各種誤差影響，從而實時地獲得觀測站點高精度、可靠的定位數據信息，較常規 RTK定位技術優勢明顯，網絡RTK技術已被廣泛運用于無人機電力巡檢、智能交通等行業領域[3]。因此研究并設計基于嵌入式的網絡RTK定位系統具有重要意義。

一、系統總體方案設計

該系統的系統框圖如下圖1所示，該系統主要由核心處理單元（MCU）、RTK板卡、CORS系統、文件日志、手機APP部分組成。其中系統處理單元采用的是STM32F405芯片，CORS系統部分主要功能是為系統提供CORS系統差分修正數據信息;RTK板卡部分主要功能是觀測單點絕對定位GGA數據信息和差分定位解算;文件日志部分主要功能是保存SD卡RTK數據信息;手機APP部分主要功能是監控系統上傳的RTK數據信息。

二、系統硬件設計

2.1 核心處理器

核心處理器采用ST公司的STM32F405系列芯片，該處理器是ARM的Cortex-M4 系列內核，該處理器最高工作頻率可達168 MHz，其工作電壓在 2.0-3.6V。該芯片具有 192KB SRAM、512KB FLASH，該系列處理器擁有高性價比、低功耗等特點。

2.2 電源管理模塊

本系統采用TPS65321系列穩壓芯片，如下圖2所示，該芯片最高支持36V的輸入電壓，可提供3.3V和3.8V的直流電壓，輸出電流可高達3.2A，該系列芯片在安全上也具備過流保護、過熱保護單元。

2.3 RTK板卡

如下圖3所示，本系統RTK板卡采用諾瓦泰OEM718D多頻單側板卡，支持全系統多頻測向和定位解算，同時支持雙天線輸入。該板卡板載串口，系統可通過串口和RTK板卡數據通信。

2.3 CORS系統

CORS系統主要采用的是千尋在全國范圍內布設的基站網絡。CORS 系統主要由數據處理中心、固定參考站、數據通訊和用戶中心四個部分組成[4]。

該系統工作流程主要是RTK板卡將觀測數據實時傳送給數據處理中心，處理中心利用基準站觀測數據計算基線誤差，通過網絡插值算法計算出虛擬觀測值，最終生成差分數據并播發給流動站[5]。本系統主要是通過4G網絡實現和CORS系統數據鏈路通信。

2.4 4G模塊

本系統4G模塊采用的是SIMCom公司SIM7600CE-L系列模組，該系列模組采用SMT封裝，該模組支持LTE-LDD/LTE-FDD/GSM/GPRS/EDGE等頻段。公網版支持TDD-LTB38/B39/B40/B41，LETCAT4下理論可支持50Mbps最大上行速率，150Mbps最大下行速率。SIM7600CE-L模組支持串口AT指令配置4G信息。

三、系統軟件設計

3.1 FreeRTOS實時操作系統簡介和移植

FreeRTOS是一款可移植的、完全免費的、開放源代碼的迷你操作系統內核。用戶可在其內核的基礎上進行裁剪、移植，同時可以非常方便地移植到自己的硬件平臺。作為一款輕量級系統FreeRTOS提供包括任務管理、信號量、消息隊列、內存管理、時間管理等功能。

FreeRTOS中內核核心實現主要由 list.c、queue.c、croutine.c、 tasks.c這4 個文件組成。list.c文件實現數據鏈表結構體，為系統提供任務管理;queue.c文件實現隊列管理主要包括實現消息隊列管理和信號量控制等功能;croutine.c和task.c文件主要提供任務的創建、刪除和任務調度等功能。croutine.c實現了進程管理功能，各任務共享同一個堆棧，減少對RAM的需求。task.c實現不同任務使用各自的堆棧，支持CPU完全搶占式調度。

FreeRTOS移植主要是包括FreeRTOS_PORTABLE分組下的port.c、heap4.c文件，FreeRTOSConfig.h頭文件，stm32f4xx_it.c文件等。由于本系統采用的是STM32F405芯片，該芯片帶有FPU單元，因此選擇載入ARM_CM4F中的port.c文件;heap4.c是MemMang文件夾中的和內存管理有關，這里本系統采用heap4.c的內存管理方法;FreeRTOSConfig.h頭文件中主要修改MCU頻率、關閉鉤子函數;stm32f4xx_it.c文件中屏蔽PendSV、SVC、Systick中斷服務函數。

3.2 系統軟件功能實現

系統軟件部分主要流程包括以下步驟：

（1）系統初始化，該過程主要包括USB初始化，4G網絡初始化，FATFS文件系統初始化等。USB初始化主要是USB_OTG接口配置;4G網絡初始化主要是通過AT指令配置4G網絡信息;FATFS文件系統初始化主要是初始化SDIO驅動、FATFS文件系統、SD卡掛載等。

（2）系統通過串口和流動站RTK板卡通信，獲取流動站單點絕對定位GGA數據信息。此過程中MCU接收RTK的GGA數據主要通過環形緩存數據結構實現的，該實現流程包括：系統獲取RTK板卡發送的GGA數據，當MCU串口中斷觸發，接收到RTK板卡數據的時候，Push數據至環形緩存;系統主線程持續更新環形緩存中是否有數據，如果有便開始解碼環形緩存數據，進而獲取到GGA數據。

（3）系統通過4G網絡和CORS系統通信，該過程主要包括：通過Ntrip協議完成CORS系統的賬號和密碼認證并登錄到CORS系統數據處理中心，當MCU接收到CORS系統返回的“200 OK”回傳數據的時候，然后系統便可通過NtripClient上傳GNSS單點GGA數據信息給CORS系統。

（4）系統通過NtripClient獲取CORS系統差分修正數據信息，并且此時系統按照MSM格式即消息頭、衛星數據、信號數據這三個部分解碼報文包。此過程系統獲取CORS系統差分修正數據是在步驟3中NtripCaster成功收到GGA數據的時候返回的。

（5）系統通過串口發送CORS系統差分修正數據信息給RTK板卡進行差分定位解算，最終獲取RTK板卡解算的高精度定位數據。

（6）系統在獲得高精度定位數據后通過SDIO接口將數據寫入SD卡中，作為RTK日志文件記錄。

（7）系統通過4G模塊實時發送高精度定位數據信息給手機APP，操作人員可實時觀測RTK定位數據。

四、結束語

針對市場對網絡RTK定位技術的需求，本系統采用了嵌入式的設計方案，設計網絡RTK定位系統。相比于傳統的RTK，本系統能夠提供厘米級高精度定位，并且具備作業覆蓋范圍廣闊、成本低廉、攜帶方便等優點。該系統在無人機電力巡檢領域有較大的市場和應用價值。

參? 考? 文? 獻

[1] 柴大帥. 高頻單歷元GNSS動態差分定位技術研究[D].山東科技大學，2017.

[2] 陳健，岳東杰，朱少林. BDS/GPS組合單歷元相對定位性能分析[J]. 現代測繪， 2017， 40（4）.

[3] 程良濤.嵌入式GPS精密單點定位技術研究[D].東南大學， 2015.

[4] 鄭嘉慧.GNSS網絡RTK高精度定位方法研究與應用[D].哈爾濱工程大學，2018.

[5] 李成鋼.網絡GPS/VRS系統高精度差分改正信息生成與發布研究[D].西南交通大學，2007.