RTK终端实时动态检测技术研究

毛 琪，潘树国，刘 华平 ，高 旺

（1．东南大学 仪器科学与工程学院，江苏 南京210096；2.湖南省国土资源规划院，湖南 长沙 410007；3.东南大学 交通学院，江苏 南京210096）

基于CORS（连续运行参考站）系统的实时动态定位（RTK）是工程测量中一种广泛使用的实时相对定位技术［1］。

目前，传统的RTK终端的检测主要采用静态检测方法。而传统的动态检测方法则是在规则的轨迹曲线上做动态数据采集，通过事后动态解算获得轨迹曲线与真实的轨迹曲线比对。静态检测可以检测RTK终端的静态定位性能但无法检测其动态定位性能；而传统的动态检测方法单一且无法体现实时性，不能有效地检测和反映RTK终端的动态性能，存在明显的不足。

基于以上结论，本文提出一种RTK终端实时动态检测技术，其中包括车载硬件平台系统设计、动态检测软件设计以及实际数据测试的实验验证。

1 车载硬件平台系统设计

本文设计了一台具有供电系统、计算机系统、通讯系统、卫星导航系统、卫星收转发系统、野外办公平台等多功能集一体的作业车辆［2－3］。该车辆可装载标准的卫星导航基准设备、待检测RTK设备以及全频段卫星信号接收天线。系统工作原理是在检测车运动情况下，所有车载设备都工作在RTK模式下，并通过卫星信号收集转发系统获取实时的卫星信号，做相关定位解算，并将解算所得的GGA信息通过通讯系统传到CORS中心。同时，计算机系统中的车载检测软件通过3G网卡同样登陆CORS中心，获取车载设备实时上传的GGA定位信息。根据这些信息，软件实时计算显示车载设备速度、加速度、三维坐标、固定状态、可用卫星、DOP值等技术指标，供实时检测比对。另一方面，本文所采用的卫星导航基准设备工作在RTK模式的同时可做事后数据存储。由于同一观测情况下事后数据解算处理的定位精度要优于实时解算的精度，因此车载检测软件可对事后数据作解算处理，再通过历元时间匹配来检测RTK设备的定位精度。系统结构如图1所示。

图1 系统结构示意

1．1 数据处理中心

车载计算机上安装有动态检测软件，它是整个系统的数据处理中心，主要包括数据通信模块和数据处理模块。数据通信模块包括车载软件通过3 G网络实现与CORS中心的实时通信和通过串口／网口实现事后数据的存储。数据处理模块从CORS中心获得的车载设备的相关信息，然后进行数据的处理分析，与基准设备进行指标对比，判定待检设备性能，将得到的结果进行实时显示，并根据用户的信息形成相关检测定制报表。

1．2 多模多频基准设备

多模多频基准设备采用高性能、数据质量优良的接收机产品。本基准设备采用康帕斯公司自主研制的S6536B接收机，该设备采用美国天宝高性能的BD970板卡，兼容BDS／GPS／GLONASS三系统6频点，融合最新的整机嵌入技术，具有数据质量好、定位精度高、兼容性强、自主化管理、本地超大存储空间等特点［4］。在硬件层面上，该设备将嵌入式主控电路模块、GNSS定位模块、数据通信模块、数据存储模块等有机集成。GNSS定位模块采用美国天宝BD970高性能板卡，主要对卫星信号进行接收并产生高精度原始观测数据。数据通讯模块完成卫星导航系统、车载检测系统、GNSS定位模块间的数据通讯。数据存储模块主要由SDRA M和Flash存储器构成，具有存储稳定、传输速度快、低功耗的特点，且可完成大容量的本地文件系统、应用程序和实时数据的存储。以上优良的硬件条件保证基准设备数据质量的完好性和高精度的定位结果。多模多频基准设备设计结构如图2所示。

图2 多模多频基准设备设计结构

1．3 数据同源与转发

卫星收转发系统为待检测RTK设备和车载基准设备提供统一的实时卫星信号数据源，实现卫星数据的同源与转发。转发系统包括卫星信号接收天线、卫星信号控制器、卫星信号转发天线、功分器、电磁屏蔽黑箱等。它通过卫星信号接收天线接收GPS L1／L2、GLONASS L1／L2、BDS B1／B2信号，然后通过卫星信号控制器将同一信号分为多路相同的信号，通过卫星天线转发到电子屏蔽黑箱内，供待检测RTK设备接收。而卫星导航基准设备直接通过馈线与卫星信号控制器连接获取信号。如此使卫星导航系统和被测设备接收到GPS L1／L2、GLONASS L1／L2、BDS B1／B2／B3卫星信号保持一致性，把不同时段、不同干扰对定位精度的误差降为零。同时为了抑制卫星信号在箱体内壁反射所造成的多路径效应，在箱壁上贴附有对电磁波具有较好吸收能力的屏蔽材料，进一步消除误差，净化测试环境。

1．4 数据通讯链路系统

数据通讯链路系统主要用于完成车载检测软件、卫星导航基准设备和待检测RTK设备与CORS中心的数据交互。车载设备安装SI M卡通过2／3G网络实现与CORS中心的无线通信，上发自己的GGA信息和接收差分改正数据来完成流动站解算。车载设备都是安装在设备机柜内部，2／3G信号质量较差。手机信号增强器实现将室外良好的2 3 G信号引入到机柜内部，保证无线信号传输的稳定性。手机信号增强系统由三部分组成：室外天线固定在车顶接收2／3G信号；手机信号增强器完成信号的放大增强；室内天线实现信号的转发。

2 动态检测软件设计

2．1 软件流程

动态检测软件是系统的数据处理中心完成的功能，主要包括基准设备观测数据解析和星空图显示、伪距单点定位获得近似坐标、CORS系统登陆获取车载设备的定位信息、GGA信息分析比对以及最终的实时检测报表生成与输出。具体流程：软件初始化完成后，先通过本地网口或串口获取基准设备的原始观测数据，对其进行解码得到观测文件和导航文件用于单点定位解算获得近似坐标，同时从导航文件可计算卫星高度角和方位角；待车载设备完成定位初始化后，动态检测软件中用户模式通过无线网络登陆CORS系统获取车载设备的GGA定位信息，并实时对GGA信息进行分析，得到车载设备更高精度的定位信息和相关辅助信息［5］。最后，将解析所得基准设备和待检测设备的定位信息做比对分析，分析结果写入Excel表格，并可实时输出供用户查阅使用。软件流程如图3所示。

图3 软件流程

2．2 主要模块设计

2．2．1 原始数据解析模块

原始数据解析模块用于解析基准设备输出的原始观测数据获得导航文件和观测文件。定义的结构体Nav Data用于存放导航文件中相关数据，而结构体DataFor VRS用于存放观测文件中所需的载波和伪距等观测值。根据导航文件和观测文件即可进行观测点卫星信息解算、星空图显示以及后续算法处理。模块支持多种原始观测数据类型解析，包括：RT27，RTCM31，OEM，Benix等。检测软件星空如图4所示。

图4 检测软件星空

2．2．2 CORS接入模块

CORS系统的接入遵循Ntrip（Net wor ked Transport of RTCM via Inter net Pr otocol）协议［6－7］。Ntrip协 议包括 Ntrip Server、Ntrip Caster和Ntrip Client三部分。车载软件作为客服端登陆Ntrip Caster时需要设置IP地址、用户名、密码以及挂载点，同时还有发送请求和响应信息。这些工作均由接入模块来完成。

2．2．3 GGA 信息解析模块

该模块处理实时获得的车载设备上传的GGA定位信息，模块主要提取其中的经纬度和高程信息，并实时的进行坐标转换得到相应的空间直角坐标和平面坐标，供定位精度分析使用。同时GGA语句中还包括UTC时间、定位状态等定位辅助信息。车载检测软件会对实时解析的GGA信息作界面显示，供用户直观比对查看。GGA信息显示界面如图5所示。

2．2．4 动态报表生成模块

车载软件依托Microsoft Office Excel数据链接库，通过软件得到的数据进行解析重组，将需要的时间、位置信息、运动状态、定位状态信息实时通过该模块写入格式固定的数据Excel报表中，同时向报表中输入数据统计指标，最终动态生成数据报表。用户可根据需求，直接利用数据报表或者自行对报表进行相应操作。

图5 GGA信息显示界面

3 实验验证

为测试整个系统的可用性和稳定性，选取东南大学四牌楼校区作为测试场地。在东南大学仪器科学与工程学院3S研究中心搭建接收机基准站，且书籍该基准站坐标。CORS系统服务软件采用东南大学3S中心自主研发的Earth Net 2．0［8］，实现单基站工作模式［9］。待检测设备选取天宝公司的R4流动站。

3．1 静态接入

车在静止情况下，系统通电后，车载基准设备自动播发请求信息，登陆CORS系统实时上传GGA信息。同时，设置R4使其接入CORS服务中心。待两者稳定接入后，车载软件可通过3 G网络登陆CORS服务中心获取所有车载设备的定位信息，并做比对分析。

从图5分析可知，车载软件可获得车载设备的GGA信息：接入CORS的用户名、当前UTC时间、可用卫星数、DOP值、固定状态以及坐标信息。软件给出车载设备的大地坐标、空间坐标和平面坐标，计算该 UTC时刻的ΔX，ΔY，ΔZ分别为0．029 m、0．053 m、0．037 m。为进一步分析车载设备的定位精度，采用GA MIT解算软件对基准设备的事后数据做静态位置解算，将得到的坐标结果作为真值，并对车载设备的定位结果进行内／外符合精度分析，结果如图6所示。

从车载设备的N，E，U三个方向定位偏差图可以看出车载基准设备S6536B和待检测设备R4在1 h的测试时间内的定位结果比较稳定，N，E方向定位精度均优于1 c m，U方向优于2 c m。而表1给出了车载设备定位结果的内／外符合精度的统计值，可供检测比对使用。

图6 车载设备定位偏差图

表1 车载设备精度统计值 mm

3．2 动态接入

动态定位性能是反映RTK终端设备质量的重要方面。在车速40 k m／h左右的情况下，获取车载设备的RTK定位信息并作出其运动轨迹图。同时，利用RTKLIB软件动态解算车载基准设备事后数据获得同一时段的运动轨迹图。基准设备事后数据解算的频率为1 s，而待检测设备R4的采样率为5 s。为有效的分析两者之间的误差，需要对两者的定位信息进行历元匹配，得到其轨迹对比图，并对平面x，y方向的误差进行统计，误差分别为0．089 0 m和0．071 1 m。轨迹对比图如图7所示，x，y方向的检测校差如图8所示。

4 结 论

本文提出了一种新的RTK流动站终端实时动态检测技术。采用车载卫星信号收转发系统实现卫星信号的动态捕获与跟踪，并利用“一天线多接收机”原理保证车载设备的数据同源性，消除多变量影响。同时，又结合CORS技术实现车载设备定位信息的实时上传和获取，达到实时检测的目的。该车载检测平台具备一定的创新性和先进性，为验证系统平台的可用性，相关测试结果表明：

1）车载基准设备和待检测设备均能在车载平台中完成可靠的静态和动态定位解算，统计可得：静态检测模式下，N，E方向定位精度均优于1 c m，U方向优于2 c m；动态检测模式下，平面方向可达到厘米级的检测精度，即检测平台可用性良好。

图7 轨迹对比图

图8 检测校差图

2）车载软件可以实时分析车载设备的搜星情况，固定状态、历元时间及DOP值等定位信息，并可对待检测设备和基准设备定位坐标结果实时的显示和比对分析。

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