北斗高精度定位系统设计及其差分定位精度分析

冒蓉

（中国兵器工业集团 北方信息控制研究院集团有限公司，江苏 南京211153）

许多物料厂普遍存在物料成堆存放，货车进出料场采用刷卡有一定监管过程，铲车向货车堆货缺乏监管，造成货车与铲车司机串通对物料厂造成巨大损失，物料厂24 小时作业，采用人工监管手段需耗费大量人力，采用定位方式识别记录铲车的位移，可以把控物料的管理。技术的关键是定位方式，目前市面上通用定位技术有卫星定位，WiFi 定位等，卫星定位应用最普遍，GPS 对民用领域限制，精度仅达到10m 左右，北斗定位系统可达到2.5m 的精度，配合地面基站增强定位，选用北斗可以很好的监测铲车轨迹。

1 卫星定位导航原理

卫星定位采用无线电测距方式，光速量级很大需要测得时延精确，卫星原子钟误差可达到每2000 万光年1 秒，但原子钟价格昂贵，一般用户采用石英晶振，但误差比原子钟大1 万倍。定位要指导用户经纬度与时钟，每颗卫星可测一次距离，需同时收到四颗卫星发射信号。卫星原子钟每日通过地面校准，传播时延收到天气等多种因素影响[1]。

采用单纯卫星定位精度只能到米级，卫星定位收到多种因素影响产生误差，卫星轨道误差的影响对定位精度影响最大。可采用差分定位技术，在已知精确坐标点建立地面观测基站，通过卫星坐标得到坐标数据，与已知数据插值作修正值发送终端用户，可通过修正值修正自身位置信息，使精度达到亚米级。

铲车轨迹识别系统框架

RTK 差分定位技术得到广泛应用，RTK 是实时动态差分测量技术，可以测得观测站指定坐标系中三维定位结果，最早应用于GPS 高精度定位，在北斗高精度定位中得到快速推广。基准站将测得载波相位值通过广播发送终端用户，采用动态差分算法求得与基准站相对位置，根据坐标值求得用户瞬时坐标位置，可以通过无线电台进行数据的广播。RTK 技术的优点是误差可达厘米级，具有超高的作业效率，采用RTK 技术可达到全天候测量，其缺点是受电离层影响，卫星状况限制，基站覆盖范围受到无线通信距离影响。实际工作中要对使用仪器设备有充分的了解，合理规划作业流程。

2 铲车轨迹识别系统硬件设计

基于北斗卫星定位的铲车轨迹识别系统包括监控中心，地面增强基站与车载终端设备。首先，确定物料堆放范围，定义物料范围近似圆，绝对坐标可通过卫星定位精确得到。其次，确定铲车位置及物料堆的关系，通过铲车位移判断铲车行驶方向，根据铲车运动轨迹判断运动阶段，通过分析铲车运动阶段识别铲车装载行为。

卫星系统以北斗导航为主，目前卫星导航模块大多支持北斗模式，地面基站可租用现有基站服务，主要按月缴纳数据业务费用。自行搭建基站成本较高，监控中心主要由计算机与物料厂WiFi 玩两个覆盖系统组成，设备终端以嵌入式先进精简指令集微处理器芯片为核心组成车载智能化设备。铲车轨迹识别设备以ARM芯片处理器为核心，包括倾角传感器模块IC 读卡器模块，语音合成播报模块，显示器模块[2]。

终端用户设备核心选用ARM处理器，可选用现场可编程逻辑门阵列芯片，如搭载操作系统做算法处理，选用S3C2440ARM处理器。采用哈佛架构体系，具备内存管理单元，具有丰富的片上外设资源。倾角传感器用于判断车碧所处角度，判断铲车物料动作状态，选用SCA100T-002 高精度传感器芯片，具有较高的精度。高精度定位定向模块是铲车轨迹识别的关键硬件， 应选择高性能的多模式定位芯片。GT-1612-MTBD 模块，可切换定位模式为GPS 与北斗双模。

电子指南模块选用GY-26 芯片，是平面数字罗盘模块，工作原理是通过磁传感器相互垂直轴感应磁场磁分量得出方位角度，芯片具有重新标定功能，具有硬件校准功能，适应不同的工作环境。IC 卡读卡器模块用于读取IC 中的信息，将需要写入的信息写入IC 卡中，选用MFRC522 芯片，体积小，成本低。语音模块发送铲车司机的重要信息语音播报，如司机到错误物料堆区域发出警告，语音合成模块由语音合成芯片，扬声器组成。

3 北斗高精度定位系统实现验证

可采用中心打点法测得中心坐标位置，要保证高精度增强基站与WiFi 网络建成，将车载定位设备放置在物料堆中心点，保证设备供电正常，设备自动运行，通过静态位置测试得到精度高的位置信息，可达到10cm 的精度。

计算铲车位置角度数据以正北方向为0°角为基准，不同地点磁偏角不同，监控中心修正值修整设备上传方位信息，终端设备上传方位信加修正值为实际需要的方位信息。全球导航卫星系统天线采用高精度地质罗盘定北，要先校正当地的磁偏角，可通过网络查询，指北针结果较为粗略。轨迹识别模块基本完成基本工程实现。

采用GNSS 测量天线，固定解输出定位信息，选择间隔约101 的固定点测试，用谷歌地球1m 分辨率加标尺测量点偏差距离。在500m 内精度可达到厘米级。100m 范围内采用GNSS 测量天线，用谷歌地球1m 分辨率分析，用合众UP871 作基准站。去除车辆行走中的摇摆等因素，流动站定位精度达到10cm 左右。

铲车车载终端读取IC 卡信息，监控中心从地图中获取II中心绝对经纬度坐标PU 及物料II 最大区域半径为25m，铲车运行速度大于1km/h，判断铲车向物料II 区前进。铲车速度小于1km/h，通过车载设备定位定向模块获取铲车实际方位角φ 为83.34°，通过铲车位置信息O 及物料中心位置信息，计算铲车指向物料中心角度为33.69°，分析得到φ2 为78.69°，可判断铲车装载物料错误，避免铲车司机错装物料。

铲车车载读取IC 卡信息，监控中心从地图获取IV 中心绝对经纬度坐标P 及物料最大区域半径为20m，铲车速度小于1km/h，通过车载设备定位定向模块获取铲车实际方位角φ 为100.53°，通过铲车位置信息O 及物料中心位置信息，计算铲车指向物料中心角度为82.7975°，分析得到φ2 为127.7975°，可判断铲车装载物料正确。铲车速度大于1km/h，判断铲车向货车卸载物料IV。铲车装载累计次数达到装载次数5。避免司机多装物料。通过反复模拟实验取得良好效果，效率高，防止了人工管理造成各种纠纷，未发生明显差错事故，切实保障了货场的经济利益。