北斗三號RTK定位教學實踐

姚佶 李厚樸 余德熒

[摘 要] 針對“衛星導航原理及應用”課程教學需求，引入BDS-3/GNSS接收機作為RTK基準站與流動站，對課程中涉及的差分定位進行教學，展示了生動的衛星分布場景和動態數據變化，使抽象、枯燥的教學內容以形象、直觀的方式展示出來。引入了零基線評定動態定位精度的方法，使學員對定位結果印象更加深刻。教學實踐表明，實踐教學極大地提高了學員的自主學習能力、團隊協作能力，以及數據處理、統計分析的能力，并取得了良好的教學效果。

[關鍵詞] 衛星導航;教學實踐;差分定位;零基線測量

[基金項目] 2017年度國家自然科學基金資助項目“空間地圖投影計算機代數精密分析研究”（41771487）;2019年度國家自然科學基金資助項目“海上劃界和北極航線專用海圖及其法理應用研究”（41971416）;2019年度湖北省杰出青年科學基金資助項目“地圖海圖投影計算機代數精密分析研究”（2019CFA086）

[作者簡介] 姚 佶（1999—），男，湖北鄂州人，海軍工程大學電氣工程學院2017級導航工程專業本科生，研究方向為衛星導航;李厚樸（1985—），男，山東鄆城人，博士，海軍工程大學電氣工程學院副教授（通信作者），碩士生導師，主要從事衛星導航研究;余德熒（1998—），男，廣東潮州人，海軍工程大學電氣工程學院2020級控制科學與工程專業碩士研究生，研究方向為衛星導航。

[中圖分類號] G642.0? ?[文獻標識碼] A? ?[文章編號] 1674-9324（2021）33-0045-04? ? [收稿日期] 2021-04-15

一、引言

衛星導航技術已經滲透到我們生活的方方面面，同時是關系國家安全、經濟發展的國之重器。在衛星定位中，與普通的單點定位相比，RTK（Real-time Kinematic，實時動態）載波相位差分技術是一種目前應用廣泛的衛星定位測量方法，可以在野外實時地獲取定位信息，精度達到厘米級。它極大地提高了工程放樣、地形測圖，以及各種控制測量的作業效率。其通過建立差分模型，削弱了衛星鐘差、電離層延遲、對流層延遲和衛星軌道誤差的影響，從而獲得移動站的精確位置[1，2]。

北斗三號于2020年7月31日正式開通運行，由于時間較短，早期的北斗數據涉及保密問題難以獲取，而模擬仿真數據又不能完全符合實際，所以對于北斗三號系統的RTK技術研究還不透徹，應用還不廣泛，這不利于我國北斗系統的發展。實測是評估北斗三號RTK定位性能不可或缺的環節。以往的教學實踐基于北斗二號系統，對于動態定位的精度評定以對比為主，沒有進行定量評定，學員理解起來比較困難。課程組基于BDS-3/GNSS組合系統衛星導航接收機設備，采用零基線測量對動態精度進行評定，設置翻轉課堂，請學員上臺講解，對于學員儀器的操作、測試方案的設計、評估方式的論證、數據處理的方法、對統計結果的分析和口頭表達等能力進行了充分的鍛煉，這些能力是日后學員建功海疆的依靠和憑證[3-6]。

二、教學思路

1.基本思路。本著“引導入門，自主思考”的原則，通過教員講解差分系統構成，現有儀器裝備構建差分系統的原理、儀器裝備的操作使用、實驗方案的設計思路、數據處理及性能評定的方法、實驗注意事項等，引導學員對北斗RTK定位實踐產生系統的認識。限于設備數量，將學員進行分組，交代實驗內容要點完畢后，由學員自己協商分工，培養其分工協作的能力。在采集數據階段，主要講解實驗過程與誤差的關系，講清實驗的嚴謹性與數據可靠性的關系，培養學員嚴謹求實的作風，克服懶惰隨意的“差不多”思想，樹立誠實認真的道德觀念。在數據處理階段，主要講解使用RMS誤差評定靜態定位精度、使用零基線法評定動態精度、通過Excel導出可見衛星數和PDOP值數據并繪圖、通過Matlab擬合動態軌跡的方法。數據處理完畢并得出結論后，要求學員簡要撰寫報告并制作PPT，下次課程開始時進行答辯，培養學員的邏輯思維和口頭表達能力，同時培養學員提出問題、切入本質的思維方式，讓學員在激烈的答辯中收獲知識、內化知識。

2.實驗原理。實驗的基本原理是根據RTK差分原理，利用TCP協議，依托互聯網建立數據鏈路，將基準站和流動站連接起來。實驗流程如圖1所示。

在靜態定位性能測試中，提前選取四個固定點進行長時間的測量，取平均值作為真值。在學員實驗階段，對四個靜態點進行半小時測量，觀測值與真值作差求均方根誤差來評定靜態定位的精度;在動態定位性能測試中，將兩臺不同精度的接收機組成零基線測量的模式，依托小車沿直線來回行進10分鐘，兩臺接收機測得數據進行時刻對準后，依據零基線法直接作差，取均方根直接作為精度。數據質量則使用靜態和動態實驗中采集的GPGGA和GPGSA報文中的可見星數及PDOP值，依據DOP值等級表進行評定[7]，如表1所示。

三、教學實施

1.實驗儀器及配置。UR4B0-D是針對北斗地基增強系統建設而設計的一款高性能GNSS接收機，內置Linux操作系統，完全自主知識產權開發，接口豐富，通信方式多樣，支持外部頻標輸入、事件輸入及大容量數據存儲，支持多種傳感器輸入。UB4B0是北斗星通公司基于新一代Nebulas-II高性能SoC芯片開發的首款全系統GNSS高精度板卡，支持BDS、GPS、GLONASS、Galileo和QZSS等多個衛星導航系統和三頻RTK技術，主要面向高精度定位、導航和測繪等應用。實驗儀器包括UR4B0-D高性能GNSS接收機兩臺、UB4B0全系統GNSS高精度板卡一塊、測量天線兩根、功率分配器一個，實物如圖2所示。

設置好接收機的有線連接模式，使用計算機的主機登錄頁面，對UR4B0-D接收機進行配置。將其中一臺接收機配置為基準站，主要輸入基準站的精確坐標、差分數據、衛星報文輸出格式和TCP協議內容。將另一臺接收機配置為流動站，主要進行TCP協議配置和數據下載。此處是培養學員對儀器設備的使用能力。