基于車輛位置監(jiān)控的高精度RTK定位實(shí)驗(yàn)教學(xué)裝置設(shè)計(jì)

周命端， 馬祎瑋， 趙成思， 李 荷， 王 堅(jiān)

（北京建筑大學(xué)a.測(cè)繪與城市空間信息學(xué)院；b.土木與交通工程學(xué)院，北京 102616）

0 引 言

“GNSS原理及其應(yīng)用”是普通高校測(cè)繪類專業(yè)教學(xué)的主干專業(yè)基礎(chǔ)課程，基于載波相位觀測(cè)值差分高精度實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)（Real-time Kinematics，RTK）定位實(shí)驗(yàn)是該課程教學(xué)中必不可少的實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)［1-2］。學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)以及動(dòng)手操作可以更深刻地理解和驗(yàn)證全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）的基本概念和定位原理，同時(shí)能培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手及解決實(shí)際復(fù)雜工程問(wèn)題的能力。近年來(lái)，GNSS RTK定位在數(shù)字測(cè)圖、精密農(nóng)業(yè)、變形監(jiān)測(cè)、智能駕駛等領(lǐng)域得到極廣泛應(yīng)用［3-4］，推動(dòng)著衛(wèi)星導(dǎo)航定位產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。在高校測(cè)繪類專業(yè)本科教學(xué)計(jì)劃中，RTK定位實(shí)驗(yàn)也成為“GNSS 原理及其應(yīng)用”課程教學(xué)大綱中的重要內(nèi)容和教學(xué)難點(diǎn)。當(dāng)前諸多高校測(cè)繪類專業(yè)開(kāi)設(shè)RTK 定位實(shí)驗(yàn)一般采用演示性教學(xué)模式，即采用國(guó)內(nèi)外某廠商RTK 成套產(chǎn)品裝備，按操作流程“架設(shè)基準(zhǔn)站、配置并啟動(dòng)基準(zhǔn)站、架設(shè)流動(dòng)站、配置并啟動(dòng)流動(dòng)站、點(diǎn)校正、碎步點(diǎn)測(cè)量”進(jìn)行RTK數(shù)據(jù)采集與定位實(shí)驗(yàn)［5］。這種教學(xué)模式存在產(chǎn)品裝備封閉性、儀器操作機(jī)械性、定位模型封裝性、核心算法不透明等諸多弊端，不利于學(xué)生深刻理解和驗(yàn)證RTK定位模型與關(guān)鍵算法原理，也難以培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)遷移及自主創(chuàng)新能力。隨著GNSS在智能駕駛領(lǐng)域中的不斷深入與拓展，目前最主流定位車輛位置的方式是運(yùn)用GNSS導(dǎo)航模塊實(shí)現(xiàn)車輛位置監(jiān)控。夏廣浩等［6］采用BD2 B1/GPS L1 雙模衛(wèi)星導(dǎo)航模塊，組建GPRS 網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)車輛位置實(shí)時(shí)監(jiān)控，定位誤差約為8 m；繆彩兵等［7］集成應(yīng)用GPS、GPRS和GIS技術(shù)構(gòu)建了車載監(jiān)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)；郭晶等［8］研究和實(shí)現(xiàn)了基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的高精度定位車道級(jí)導(dǎo)航系統(tǒng)，定位精度為亞米級(jí)。所述方式因定位精度低下而難以滿足智能交通車輛位置高精度監(jiān)控精度的應(yīng)用需求。

本文研制一種基于車輛位置監(jiān)控的高精度RTK定位實(shí)驗(yàn)教學(xué)裝置系統(tǒng)（GNSS_ITMS），應(yīng)用于RTK定位實(shí)驗(yàn)教學(xué)，有利于學(xué)生理解和掌握高精度RTK定位模型與關(guān)鍵算法，為衛(wèi)星導(dǎo)航定位相關(guān)課程教學(xué)提供一種自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，具有重要的創(chuàng)新性和實(shí)用性。

1 RTK定位實(shí)驗(yàn)教學(xué)裝置設(shè)計(jì)原理

基于車輛位置監(jiān)控的RTK 定位實(shí)驗(yàn)教學(xué)裝置模式對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理如圖1 所示。其中，1 臺(tái)GNSS接收機(jī)作為基準(zhǔn)站，自主架設(shè)于視野開(kāi)闊的車輛位置監(jiān)控實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)場(chǎng)；另1 臺(tái)GNSS 接收機(jī)作為監(jiān)控站固定安裝于車輛頂部中心位置，用于實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控車輛位置參數(shù)信息（主要包括三維坐標(biāo)參數(shù)、位置分量精度信息及PDOP值）。

圖1 RTK定位實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

1.1 RTK定位與精度評(píng)定模型

由圖1 所示，針對(duì)衛(wèi)星截止高度角（一般設(shè)置為15°）以上的衛(wèi)星信號(hào)觀測(cè)窗口，假設(shè)基準(zhǔn)站和監(jiān)控站（用下標(biāo)S表示）在某一觀測(cè)歷元同步觀測(cè)的GNSS衛(wèi)星數(shù)為nd，且以同步觀測(cè)的GNSS 衛(wèi)星高度角最大的衛(wèi)星d作為基準(zhǔn)衛(wèi)星，則針對(duì)車輛位置監(jiān)控實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)場(chǎng)短基線（監(jiān)控站與基準(zhǔn)站之間形成的基線長(zhǎng)度不超過(guò)10 ～15 km）情況下，可以列出nd－ 1 個(gè)雙差載波相位觀測(cè)方程，其所對(duì)應(yīng)的誤差方程用矩陣形式表示為［9］

式中：

V ＝［v1v2…vnd－1］T為觀測(cè)值改正數(shù)矩陣；δXS＝［δxSδySδzS］T為監(jiān)控站單歷元定位的坐標(biāo)參數(shù)改正數(shù)矩陣；ΔΔL ＝［ΔΔL1ΔΔL2…ΔΔLn－1］T為雙差觀測(cè)值常數(shù)項(xiàng)矩陣；A和B為系數(shù)矩陣，

為雙差整周模糊度參數(shù)矩陣，若ΔΔN快速確定為已知值，則由最小二乘參數(shù)估計(jì)器VTPV ＝min可以解算監(jiān)控站的位置參數(shù)信息。建立的高精度RTK 定位與精度評(píng)定模型為：

為雙差載波相位觀測(cè)值的權(quán)矩陣；σ20為載波相位觀測(cè)值的驗(yàn)前單位權(quán)方差因子（本文σ20＝1）；和為監(jiān)控站單歷元監(jiān)測(cè)的位置參數(shù)改正數(shù)及其對(duì)應(yīng)的協(xié)因數(shù)陣，

q為GNSS空間坐標(biāo)系下相應(yīng)的協(xié)因數(shù)陣元素。

對(duì)于監(jiān)控站的位置精度衰減因子（Position Dilution of Precision，PDOP），可以由位置參數(shù)改正數(shù)協(xié)因數(shù)陣中對(duì)角元素計(jì)算為

若采用站心坐標(biāo)系中的表達(dá)形式衡量監(jiān)控站位置分量精度，針對(duì)站心坐標(biāo)系下監(jiān)控站點(diǎn)位坐標(biāo)的協(xié)因數(shù)矩陣用QM表示，對(duì)應(yīng)的協(xié)因數(shù)陣元素用p 表示，則由方差-協(xié)方差傳播律可得：

式中，

B0和L0分別為監(jiān)控站點(diǎn)位置對(duì)應(yīng)的大地緯度和大地經(jīng)度。

針對(duì)高精度RTK定位與精度評(píng)定模型中ΔΔN 快速確定關(guān)鍵算法的研究，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者提出了諸多典型算法，如LAMBDA算法、DUFCOM算法、DC算法、FARSE算法等［10-13］，各個(gè)算法各有優(yōu)勢(shì)。本文基于FARSE算法原理，運(yùn)用一種GNSS 單歷元快速確定整周模糊度算法（GNSS Fast Ambiguity Resolution for Single Epoch Scheme，GFARSE）解算ΔΔN參數(shù)［14-16］，對(duì)應(yīng)的GFARSE算法流程如圖2 所示。其中，篩選衛(wèi)星分級(jí)處理策略步驟包括：①將衛(wèi)星高度角最大的衛(wèi)星確定為基準(zhǔn)衛(wèi)星；②針對(duì)基準(zhǔn)衛(wèi)星之外的衛(wèi)星，按照兩兩相鄰衛(wèi)星進(jìn)行衛(wèi)星方位角差比較，得到衛(wèi)星方位角差最小的兩顆衛(wèi)星，保留這兩顆衛(wèi)星中衛(wèi)星高度角小的衛(wèi)星，然后重復(fù)，最終篩選出預(yù)定數(shù)量（即空間幾何分布最佳的6 ～8 顆）衛(wèi)星確定為I類衛(wèi)星（若存在某衛(wèi)星的雙差整周模糊度檢核不通過(guò)，則刪除對(duì)應(yīng)的衛(wèi)星并重復(fù)步驟②）；③將剩余衛(wèi)星確定為II類衛(wèi)星。

圖2 GFARSE算法流程

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置云端系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

根據(jù)本文給出的高精度RTK 定位與精度評(píng)定模型以及組裝鏈路系統(tǒng)硬件裝置，研制實(shí)驗(yàn)裝置云端系統(tǒng)（GNSS_ITMS），其框架設(shè)計(jì)原理如下：由1 臺(tái)GNSS接收機(jī)作為基準(zhǔn)站和1 臺(tái)GNSS接收機(jī)作為監(jiān)控站構(gòu)成高精度RTK定位實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)采集裝置；由2 個(gè)4G/5G無(wú)線通信模塊（DTU）構(gòu)成數(shù)據(jù)傳輸裝置，用于實(shí)時(shí)傳輸車輛位置監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)至具有固定IP 的云計(jì)算服務(wù)器平臺(tái)（本文選用騰訊云服務(wù)器，對(duì)應(yīng)的固定IP 地址為：49.232.57.24）；在云計(jì)算服務(wù)器平臺(tái)安裝結(jié)構(gòu)化查詢語(yǔ)言（Structured Query Language，SQL）數(shù)據(jù)庫(kù)和高精度RTK定位實(shí)驗(yàn)軟件（即RTK云端軟件）作為云端系統(tǒng)服務(wù)器端，建立車輛位置監(jiān)控的數(shù)據(jù)處理單元和監(jiān)控分析單元，由數(shù)據(jù)處理單元向監(jiān)控分析單元提供高精度位置服務(wù)，由SQL數(shù)據(jù)庫(kù)管理監(jiān)控站的高精度位置信息（主要包括三維坐標(biāo)參數(shù)、位置分量精度及PDOP值）；最后由監(jiān)控分析單元將高精度位置信息實(shí)時(shí)播發(fā)至車輛位置監(jiān)控客戶終端（即RTK客戶端軟件），實(shí)現(xiàn)監(jiān)控站高精度位置信息在服務(wù)器端和客戶終端同步顯繪監(jiān)控。GNSS_ITMS 裝置系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)原理如圖3 所示。

圖3 GNSS_ITMS裝置系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)原理

由圖3 可見(jiàn)，GNSS_ITMS 裝置系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)由系統(tǒng)硬件裝備組裝和系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)兩部分組成。系統(tǒng)硬件，主要由5 種硬件裝置構(gòu)成，分別為：①數(shù)據(jù)采集裝置，如圖4（a）所示，由固定安置于基準(zhǔn)站和監(jiān)控站的2 臺(tái)GNSS接收機(jī)組成，每臺(tái)GNSS接收機(jī)主要包括天線、主機(jī)、電池和數(shù)據(jù)鏈路，天線與主機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)鏈路連接，主機(jī)與電池通過(guò)電源線連接，基準(zhǔn)站采用測(cè)繪三腳架自主建站方式架設(shè)于衛(wèi)星觀測(cè)視域良好的車輛位置監(jiān)控實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)，監(jiān)控站采用磁鐵基座強(qiáng)吸附于車輛頂部中心位置。②數(shù)據(jù)傳輸裝置，如圖4（b）所示，由2 個(gè)4G/5G無(wú)線通信模塊（DTU）構(gòu)成，將基準(zhǔn)站和監(jiān)控站的GNSS接收機(jī)采集的衛(wèi)星定位監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)實(shí)時(shí)無(wú)線傳輸至具有固定IP的云端系統(tǒng)裝置。③云端系統(tǒng)裝置，如圖4（c）所示，由具有固定IP的騰訊云服務(wù)器、SQL數(shù)據(jù)庫(kù)、Internet網(wǎng)絡(luò)以及RTK 云端軟件構(gòu)成，其主要任務(wù)是為車輛位置監(jiān)控的數(shù)據(jù)處理和監(jiān)控分析提供在線云端計(jì)算平臺(tái)。④WiFi裝置，如圖4（d）所示，采用華為隨行WiFi 便攜式上網(wǎng)設(shè)備（內(nèi)置移動(dòng)流動(dòng)卡），可以為云端系統(tǒng)裝置提供Internet 網(wǎng)絡(luò)，也可以為客戶終端提供車載移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)。⑤客戶終端，如圖4（e）所示，由微型計(jì)算機(jī)、IPDA 或手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備構(gòu)成，用于為用戶提供車輛位置監(jiān)控信息，主要包括三維坐標(biāo)參數(shù)、位置分量精度及PDOP 值。針對(duì)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)部分，主要包括：RTK 云端軟件和RTK客戶端軟件。RTK 云端軟件由監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)IO 單元、數(shù)據(jù)處理單元和監(jiān)控分析單元三個(gè)功能模塊組成，RTK客戶端軟件用于同步顯繪車輛位置監(jiān)控信息，主要包括三維坐標(biāo)參數(shù)、位置分量精度及PDOP值。

圖4 系統(tǒng)硬件裝備組成

根據(jù)圖5 所示的GNSS_ITMS 裝置系統(tǒng)的功能模塊設(shè)計(jì)原理，本文基于Visual Studio 2010 開(kāi)發(fā)平臺(tái)，運(yùn)用C＃編程語(yǔ)言，設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)一種基于高精度RTK 定位與精度評(píng)定模型的車輛位置監(jiān)控軟件（即高精度RTK定位實(shí)驗(yàn)軟件），并無(wú)縫嵌入騰訊云服務(wù)器（固定IP地址為：49.232.57.24），進(jìn)而研制一種基于車輛位置監(jiān)控的高精度RTK 定位實(shí)驗(yàn)教學(xué)裝置云端系統(tǒng)（GNSS_ITMS）。

圖5 功能模塊設(shè)計(jì)原理

如圖6 所示，GNSS_ITMS 裝置系統(tǒng)主界面設(shè)計(jì)由菜單窗口、站點(diǎn)信息窗口、站點(diǎn)登錄監(jiān)測(cè)窗口和在線監(jiān)測(cè)顯示窗口構(gòu)成。其中，菜單窗口設(shè)計(jì)了工程、視圖、設(shè)置、管理、運(yùn)行、工具等菜單項(xiàng)；站點(diǎn)信息窗口設(shè)計(jì)了設(shè)備用戶列表（基準(zhǔn)站、監(jiān)控站和客戶端）；站點(diǎn)登錄監(jiān)測(cè)窗口設(shè)計(jì)了站點(diǎn)用戶名、用戶類型、登錄日期、登錄時(shí)間和登錄狀態(tài)等信息欄；在線監(jiān)測(cè)顯示窗口設(shè)計(jì)了站點(diǎn)跟蹤、衛(wèi)星狀況、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)、監(jiān)控分析、實(shí)時(shí)監(jiān)控等標(biāo)簽窗口，其中，站點(diǎn)跟蹤設(shè)置了一種基于BaiduMap的車輛位置監(jiān)控軌跡跟蹤顯繪窗口。

圖6 GNSS_ITMS裝置系統(tǒng)主界面設(shè)計(jì)

2 裝置系統(tǒng)應(yīng)用試驗(yàn)與分析

2.1 應(yīng)用試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

為驗(yàn)證與分析基于車輛位置監(jiān)控的高精度RTK定位實(shí)驗(yàn)教學(xué)裝置系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可用性和正確性，以及定量評(píng)估GNSS_ITMS 裝置系統(tǒng)用于車輛位置監(jiān)控的精度情況，筆者于北京市某實(shí)驗(yàn)教學(xué)基地進(jìn)行初步應(yīng)用試驗(yàn)驗(yàn)證與分析工作。應(yīng)用試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)如下：在手動(dòng)擋汽車頂部安裝1 臺(tái)某品牌的GNSS接收機(jī)作為監(jiān)控站，并于某實(shí)驗(yàn)教學(xué)基地內(nèi)架設(shè)1 臺(tái)相同品牌的GNSS接收機(jī)作為基準(zhǔn)站，兩臺(tái)GNSS 接收機(jī)的采樣間隔均設(shè)置為1 s，衛(wèi)星截止高度角均設(shè)置為15°，手動(dòng)擋汽車駕駛處于1 或2 檔位，車速控制在30 km/h以內(nèi)。本次應(yīng)用試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析不妨選取GPS 系統(tǒng)的700 個(gè)觀測(cè)歷元進(jìn)行RTK定位結(jié)果的數(shù)值統(tǒng)計(jì)與精度評(píng)定。其中，第1 ～323 個(gè)觀測(cè)歷元為車輛逆時(shí)針繞樓運(yùn)動(dòng)第1 個(gè)小圈；第324 ～663 個(gè)觀測(cè)歷元為車輛逆時(shí)針繞樓運(yùn)動(dòng)第2 個(gè)大圈；第664 ～700 個(gè)觀測(cè)歷元為車輛沿道路朝北運(yùn)動(dòng)。監(jiān)控站與基準(zhǔn)站之間形成的單基線空間長(zhǎng)度在5.5 ～233.0 m，其中監(jiān)控站與基準(zhǔn)站之間的基線長(zhǎng)度分析如圖7 所示。

圖7 監(jiān)控站與基準(zhǔn)站之間基線長(zhǎng)度分析

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)穩(wěn)定性分析

為實(shí)地檢驗(yàn)與分析GNSS_ITMS 裝置系統(tǒng)在線運(yùn)行的穩(wěn)定性狀態(tài)情況，根據(jù)本文給出的高精度RTK定位實(shí)驗(yàn)教學(xué)裝置設(shè)計(jì)原理，對(duì)GNSS_ITMS裝置系統(tǒng)的軟硬件進(jìn)行組裝、聯(lián)調(diào)與測(cè)試工作。其中，基準(zhǔn)站為BJD，監(jiān)控站為JC02，云計(jì)算服務(wù)器采用騰訊云服務(wù)器（見(jiàn)圖8），數(shù)據(jù)傳輸模塊（DTU）采用驛唐品牌內(nèi)置4G/5G移動(dòng)流量卡。通過(guò)GNSS_ITMS 裝置系統(tǒng)的硬件組裝、通信鏈路聯(lián)調(diào)以及RTK定位實(shí)驗(yàn)軟件安裝與測(cè)試分析，獲得了GNSS_ITMS裝置系統(tǒng)在線運(yùn)行的穩(wěn)定性狀態(tài)如圖9 所示。

圖8 騰訊云服務(wù)器登錄界面

圖9 GNSS_ITMS裝置系統(tǒng)在線運(yùn)行狀態(tài)圖

由圖8 可見(jiàn)，騰訊云服務(wù)器登錄用戶名為學(xué)f406，其實(shí)例屬性配置為：ID名稱ins-h0048ejl （activity-cvm-2020-07-25），標(biāo)準(zhǔn)型SA2，系統(tǒng)配置1 核2 GB 1 Mb/s高性能云硬盤，主IPv4 地址49.232.57.24（公網(wǎng)）、172.21.0.9（內(nèi)網(wǎng)）。

從圖9 可以看出，在站點(diǎn)信息窗口中，基準(zhǔn)站（BJD）和監(jiān)控站（JC02）均已站點(diǎn)上線成功（即BJD和JC02 圖標(biāo)顏色顯示從灰色變?yōu)辄S色）；在站點(diǎn)登錄監(jiān)測(cè)窗口中，獲得了騰訊云服務(wù)器CVM 的固定IP 地址為172.21.0.9（內(nèi)網(wǎng)），對(duì)應(yīng)的端口號(hào)為9901；在在線監(jiān)測(cè)顯示窗口的衛(wèi)星狀態(tài)標(biāo)簽窗口中，顯繪了監(jiān)控站（JC02）所跟蹤的GNSS 多系統(tǒng)（GPS/BDS/GLONASS）衛(wèi)星數(shù)量、衛(wèi)星幾何分布及天空?qǐng)D狀態(tài)信息。這說(shuō)明，GNSS_ITMS裝置系統(tǒng)在線運(yùn)行的穩(wěn)定性良好。

2.3 位置分量精度分析

為定量評(píng)估與分析GNSS_ITMS 裝置系統(tǒng)的車輛位置監(jiān)控精度，針對(duì)所選取的GPS 系統(tǒng)連續(xù)700 個(gè)觀測(cè)歷元進(jìn)行位置分量監(jiān)控精度的數(shù)值統(tǒng)計(jì)與定量評(píng)估。

首先，分析監(jiān)控站跟蹤GPS 衛(wèi)星數(shù)和PDOP 值隨觀測(cè)歷元時(shí)刻變化趨勢(shì)情況，獲得了對(duì)應(yīng)的時(shí)間序列分析結(jié)果如圖10 所示。

圖10 GPS衛(wèi)星數(shù)和PDOP值的時(shí)間序列分析結(jié)果

從圖10 可以看出，針對(duì)選取的GPS系統(tǒng)連續(xù)700個(gè)觀測(cè)歷元的時(shí)間序列分析結(jié)果，監(jiān)控站跟蹤GPS 衛(wèi)星數(shù)在6 ～11 顆（其中：跟蹤衛(wèi)星8 顆及以上占比97.0%），PDOP 值在4.4 ～6.8 之間（其中：PDOP ＜6［17］的占比為86.1%，平均值為4.9）。這說(shuō)明，本次應(yīng)用試驗(yàn)存在部分觀測(cè)歷元跟蹤個(gè)別GPS 衛(wèi)星信號(hào)時(shí)受到了周邊建筑物或道路風(fēng)景樹(shù)遮擋衛(wèi)星信號(hào)的影響。

其次，針對(duì)選取的GPS 系統(tǒng)連續(xù)700 個(gè)觀測(cè)歷元RTK定位實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行數(shù)值統(tǒng)計(jì)與分析，得到了監(jiān)控站各個(gè)觀測(cè)歷元的平面位置軌跡監(jiān)測(cè)圖（見(jiàn)圖11）及高程軌跡監(jiān)測(cè)圖（見(jiàn)圖12）。

圖11 監(jiān)控站平面位置軌跡監(jiān)測(cè)圖

圖12 監(jiān)控站高程軌跡監(jiān)測(cè)圖

為進(jìn)一步評(píng)估與分析本文給出的高精度RTK 定位與精度評(píng)定模型用于GNSS_ITMS 裝置系統(tǒng)的車輛位置監(jiān)控的位置分量精度，針對(duì)選取的GPS 系統(tǒng)連續(xù)700 個(gè)觀測(cè)歷元的位置分量監(jiān)控精度從北向精度（北向RMS）、東向精度（東向RMS）、高程精度（高程RMS）以及平面精度（平面RMS）和點(diǎn)位精度（點(diǎn)位RMS）等五個(gè)方面進(jìn)行中誤差（RMS）的定量評(píng)估與分析，獲得了監(jiān)控站位置分量精度時(shí)間序列分析結(jié)果如圖13 所示。從圖13 可以看出，針對(duì)選取的GPS系統(tǒng)連續(xù)700個(gè)觀測(cè)歷元的監(jiān)控站位置分量精度進(jìn)行數(shù)值統(tǒng)計(jì)與分析可知：北向精度在9 ～39 mm（其中98.7%的觀測(cè)歷元優(yōu)于2 cm），平均值為12 mm；東向精度為6 ～45 mm（其中97.4%的觀測(cè)歷元優(yōu)于2 cm），平均值為9 mm；

圖13 監(jiān)控站位置分量精度時(shí)間序列分析結(jié)果

高程精度為24 ～54 mm（其中99.0%的觀測(cè)歷元優(yōu)于4 cm），平均值為30 mm；平面精度為9 ～60 mm（其中99.6%的觀測(cè)歷元優(yōu)于3 cm），平均值為15 mm；點(diǎn)位精度為26 ～72 mm（其中99.3%的觀測(cè)歷元優(yōu)于5 cm），平均值為33 mm。這說(shuō)明，GNSS_ITMS裝置系統(tǒng)用于車輛位置監(jiān)控的RTK 定位模型精度處于厘米級(jí)水平，其中97%以上觀測(cè)歷元的北向監(jiān)控精度優(yōu)于2 cm，東向監(jiān)控精度優(yōu)于2 cm，高程監(jiān)控精度優(yōu)于4 cm，平面監(jiān)控精度優(yōu)于3 cm，點(diǎn)位監(jiān)控精度優(yōu)于5 cm。

3 結(jié) 語(yǔ)

RTK定位實(shí)驗(yàn)是“GNSS原理及其應(yīng)用”課程教學(xué)中必不可少的實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)。本文提出一種基于車輛位置監(jiān)控的RTK定位實(shí)驗(yàn)自主創(chuàng)新教學(xué)裝置模式。基于高精度RTK定位模型與精度評(píng)定模型，從系統(tǒng)硬件裝備組裝和系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)兩個(gè)角度，研制了一種基于車輛位置監(jiān)控的高精度RTK 定位實(shí)驗(yàn)教學(xué)裝置系統(tǒng)（GNSS_ITMS）。初步應(yīng)用試驗(yàn)結(jié)果表明：GNSS_ITMS裝置系統(tǒng)在線運(yùn)行的穩(wěn)定性狀態(tài)良好，用于車輛位置監(jiān)控的RTK定位模型精度處于厘米級(jí)水平，其中97%以上觀測(cè)歷元的北向監(jiān)控精度優(yōu)于2 cm，東向監(jiān)控精度優(yōu)于2 cm，高程監(jiān)控精度優(yōu)于4 cm，平面監(jiān)控精度優(yōu)于3 cm，點(diǎn)位監(jiān)控精度優(yōu)于5 cm，驗(yàn)證了本文模型與方法及實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是可行且有效的，將該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)用于RTK定位實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，有利于學(xué)生對(duì)RTK定位模型與關(guān)鍵算法的理解與掌握，為衛(wèi)星導(dǎo)航定位相關(guān)課程教學(xué)提供一種自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。本文研制GNSS_ITMS裝置系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)已申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專利（202010599437.7 和202010599281.2）。下一階段將深入研究GNSS_ITMS 裝置系統(tǒng)在衛(wèi)星信號(hào)受遮擋時(shí)基于GNSS 多系統(tǒng)緊組合［18］的定位模型與關(guān)鍵算法研究，并在RTK定位實(shí)驗(yàn)教學(xué)中吸引更多的優(yōu)秀本科生投身于科學(xué)實(shí)驗(yàn)。