嵌入式网络RTK/RTD接收机的设计方法

邵云涟

(淮阴师范学院 物理与电子电气工程学院, 江苏 淮安 223300)

嵌入式网络RTK/RTD接收机的设计方法

邵云涟

(淮阴师范学院 物理与电子电气工程学院, 江苏 淮安 223300)

介绍了在江苏实行精确农业的可行性,结合江苏省全球导航卫星连续运行参考站综合服务系统(JSCORS),提出了设计嵌入式网络RTK/RTD接收机的方法,并介绍了网络差分接收机软件的编程的注意点．

精确农业; JSCORS; 网络RTK/RTD

0 引言

我国传统的农业讲究的是精耕细作,因此在农业方面占用了大量的劳动力,同时也解决了很多人的就业问题．但近年来随着城镇化的发展步伐加快,特别是东部沿海地区发展的更快,人口越来越向城镇集中,就江苏而言许多地方出现了“万亩良顷”工程,在为精确农业的应用在这一地区的应用带来了有利的条件．所谓的精确农业是由美国明尼苏达大学的土壤学者倡导的环境保护型农业的通称[1],是一种将3S(GPS、GIS、RS)等技术与农学、地理学、生态学、土壤学、植物生理学等基础学科有机结合起来,实现在农业生产全过程中对农作物、土地、土壤从宏观到微观的实时监测,并通过对农作物生长和环境因素的分析研究,来确定经济、合理的投入,高效利用农业资源,从而获得经济、环境等方面最高回报的管理策略和技术体系[2]．这是最初的精确农业的概念．随着科技的发展,精确农业已经发展成为一个复杂的体系．但GPS定位技术在这个系统中的地位并没有被减弱而是被加强了．

精确农业需要高精度的定位,传统的GPS单站定位方法无法满足要求,那就得采用差分GPS定位,其基本原理是在一个基准点(地理位置已知)设置一台GPS接收机,接收卫星信号,根据解算位置与实际位置之差,确定出GPS的实时定位误差,并将这个误差传送到用户接收机．用户根据实时误差信息来修正量测值,可以大大提高定位精度[3]．天宝和徕卡两个著名的GPS设备供应商,它们能够提供各种各样的GPS设备, 但其价格昂贵,一般用户无法承受．随着CORS即连续运行卫星综合服务系统的出现,商业化的基于CORS系统的网络差分GPS设备已经出现．同样它的价格也不便宜．因此，国内许多单位和学者纷纷考虑自己设计基于CORS系统的网络差分GPS接收机,并取得了一些研究成果．但出于对研究成果的保密的目的并未对具体实现过程加以详细的描述．而且他们设计所得的网络差分GPS设备绝大多数都是用于测绘、车辆定位等方面,对于农业应用方面很少涉及．

随着江苏省全球导航卫星连续运行参考站综合服务系统(Jiangsu Continuously Operating Reference Station,简称:JSCORS),在江苏的建成,使得廉价的高精度定位成为可能．从JSCORS系统指标[4]中可知网络RTK水平精度≤1cm;垂直精度≤2cm,网络RTD水平精度≤1m;垂直精度≤2m.因此网络RTK/RTD完全满足精确农业定位的需求．因此想利用JSCORS提供的RTCM信号开发出一种价格比较低廉的适用于农业方面的网络差分GPS接机系统．

1 嵌入式网络差分接收机的设计方法

根据现行的网络RTK通讯协议NTRIP,进行嵌入式网络差分接收机的设计．现行Ntrip版本为2.0．NTRIP是基于HTTP/1.1的一种应用层RTCM差分数据传输协议,该协议的特点是非常方便用户访问数据中心．基于NTRIP协议的系统由3部分组成: NtripServers(服务器)、NtripCaster(播发端)和NtripClients(客户端)．NtripServer将原始观测数据传送到NtripCaster;NtripCaster负责接收和分发差分数据;NtripClients从NtripCaster获取相关数据源的差分数据[5]．其结构如图1所示．

图1 NTRIP协议的组成示意图

软件设计的主要思路是NTRIP客户端向NTRIP播发端发送GPS单点定位数据,NTRIP播发端接收NTRIP客户端发送过来GPS单点定位数据后向NTRIP客户端发送相关数据源的差分数据即RTCM．NTRIP客户端再将接收到的差分数据发送到GPS设备．由GPS设备在内部作差分处理后,GPS设备此时输出的就是差分处理以后的定位信息．结合JSCORS的发展和Ntrip通讯协议的特点设计如图2所示的网络差分接收机系统．本系统接收机部分由嵌入式ARM开发板、GPRS Modem、 GPS OEM接收板组成．GPRS Mode和GPS OEM接收板通过串口接到ARM开发板上,由ARM开发板对它们进行管理．

图2 系统结构示意图

由于GPS OEM接收板I/O接头为20针2mm的斜头,其中含有2个USAT接口．但普通的PCB实验板的孔径都是2.5mm,所以无法将GPS OEM接收板直接连接到实验板上,所以要制作一个根一头插头孔距是2mm另一头插头孔距是2.5mm毫米的连接线．然后就可以通过连接线将GPS OEM接收板和PCB实验板相连,接着其它电路的连接就都可以在实验板完成．如果直接在GPS OEM接收板进行焊接可能会破坏它原来电路的性能;同时连接电路也可能不稳定．要将GPS OEM接收板和ARM开发板进行连接,还要设计一个将TTL电平转成RS232电平的串口电路．其原理图如3所示．

图3 RS 232接口转换电路

2 嵌入式网络RTK/RTD接收机的软件编程

在电脑上利用EVC4.0开发出适应于ARM开发板的网络差分数据接收端软件,同时在开发的过程中需要考虑读入、输出RTCM数据时是否需要滚动．然后将开发好的程序移植到ARM开发板上,在WinCE系统下通过GPRS Modem拨号连接到网络实现移动终端与JSCORS的通讯．GPS OEM板通过串口与ARM开发板相连,并且使用它的默认波特率9600bps,ARM开发板通过串口将GPS定位信息读入,然后进行相关数据的处理．

由于NTRIP客户端在NRTIP协议框架是为HTTP客户端,所以它是接入NTRIP播发器主要采用HTTP命令的方式进行[5]．其中还用有无用户名和密码、用无NMEA请求语句之分．由于JSCORS要求有用户名、密码、有NMEA请求语句,现将其请求语句介绍如下:

GETHTTP/1.0

User-Agent:NTRIP(LF>

Authorization: Basic

Authorization: Basic后面所跟的字符是经过“Base64”方式编码的用户名和密码．“Base64”编码要求把3个8位字节的数据转化为4个6位的字节的数据,接着再在6位的前面补两个0,形成8位一个字节8位的形式．注意在进行“Base64”翻译密码的时候要将用户名与密码中间的引号(:)一起参加译码．如果发送的用户名和密码都正确,NTRIP播发器向NTRIP客户端发送:

ICY200 OK

在这之后NRTIP播发器发送到NTRIP客户端的一些关于卫星导航的数据．

如果输入的是无效的“base64”密码,NRTIP播发器就会向NTRIP客户端发送以“Server”开头的信息[6]．

对于JSOCRS系统而言,流动站用户在请求差分改正数据时,往往需要提供其自的概略位置,NTRIP协议要求NTRIP客户端必须以NMEA协议的 GGA的形式提供位置信息．现以JSCORS网络中心分配给数据源挂载点为:dgps12为例来说明．

GET/dgps12 HTTP/1.1

Accept:rtk/rtcm,dgps/rtcm

User-Agent: NTRIP qf-ntrip/1.0.0

$GPGGA,024630.00,3208.04198,N,11841.78545,E,1,04,3.79,-2.3,M,4.9,M,,*4C

NTRIP播发器收到请求后,就会根据客户当前位置发送主辅站差分信息．先用空格代替挂载点向NTRIP播发器提出连接申请,成功以后就能得到在NTRIP播发器的资源列表[7-8]．

3 总结

本文介绍了一种GPS网络差分接收机的总体设计,并在此基础上成功地进行了样机的研制,限于篇幅,没有对GPS网络差分接收机的具体程序进行详细的描述．本文所设计的GPS网络差分接收机具有成本低,易于实现的特点,具有一定的实际应用价值．

[1] Lu Y C.The current start of precision farming[J].Food Rev Int,1997,13(2):141-162.

[2] 汪懋华.“精细农业”发展与工程技术创新[J].农业工程学报,1999,15(1):1-8.

[3] 王广运,郭秉义,李洪涛.差分GPS定位技术与应用[M]. 北京:电子工业出版社,1999.

[4] 宋玉兵,丁玉平,沈飞. JSCORS的建设与最新进展[J]. 测绘通报, 2009,10(2):4-8.

[5] RTCM Recommended Standards for Networked Transport of RTCM via Internet Protocol (Ntrip) (Version 1.0)[EB/OL].RTCM Paper 2000-2004/SC104-STD, Radio Technical Commission for Maritime Services.[2009-9-10].http://www.rtcm.org/orderinfo.php.

[6] 史峰.基于虚拟参考站技术和PDA平台的GPS移动定位系统[D].上海:同济大学,2007.

[7] 关增社,裴庆,王庆.基于NTRIP协议的VRS移动终端设计[J].仪器仪表学报.2006,27(6):651-652.

[8] James C Millner, Hayden Asmussen, Jacqueline Denham, et al. Networked RTK using the Internet for Controlled Traffic Farming[M].//Controlled Traffic and Precision Agriculture Conference. Perth: University of Western Australia, 2007.

TheMethodofDesigntheNetworkRTK/RTDReceiver

SHAO Yun-lian

(School of Physics and Electronic Engineering, Huaiyin Normal University, Huaian Jiangsu 223300, Chian)

The article first introduced the feasibility of implement of the precise agriculture in Jiangsu province. With the development of JSCORS, the design method of embedded network RTK/RTD receiver is suggested. Then the article focused on the elements of a software program of the embedded network receiver.

precise agriculture; network RTK/RTD receiver; JSCORS

2013-05-22

邵云涟(1978-), 男, 江苏涟水人, 助教, 硕士, 研究方向为机电一体化．

TN911

A

1671-6876(2013)03-0222-04

[责任编辑蒋海龙]