北斗三号RTK定位教学实践

姚佶 李厚朴 余德荧

[摘 要] 针对“卫星导航原理及应用”课程教学需求，引入BDS-3/GNSS接收机作为RTK基准站与流动站，对课程中涉及的差分定位进行教学，展示了生动的卫星分布场景和动态数据变化，使抽象、枯燥的教学内容以形象、直观的方式展示出来。引入了零基线评定动态定位精度的方法，使学员对定位结果印象更加深刻。教学实践表明，实践教学极大地提高了学员的自主学習能力、团队协作能力，以及数据处理、统计分析的能力，并取得了良好的教学效果。

[关键词] 卫星导航;教学实践;差分定位;零基线测量

[基金项目] 2017年度国家自然科学基金资助项目“空间地图投影计算机代数精密分析研究”（41771487）;2019年度国家自然科学基金资助项目“海上划界和北极航线专用海图及其法理应用研究”（41971416）;2019年度湖北省杰出青年科学基金资助项目“地图海图投影计算机代数精密分析研究”（2019CFA086）

[作者简介] 姚 佶（1999—），男，湖北鄂州人，海军工程大学电气工程学院2017级导航工程专业本科生，研究方向为卫星导航;李厚朴（1985—），男，山东郓城人，博士，海军工程大学电气工程学院副教授（通信作者），硕士生导师，主要从事卫星导航研究;余德荧（1998—），男，广东潮州人，海军工程大学电气工程学院2020级控制科学与工程专业硕士研究生，研究方向为卫星导航。

[中图分类号] G642.0   [文献标识码] A   [文章编号] 1674-9324（2021）33-0045-04    [收稿日期] 2021-04-15

一、引言

卫星导航技术已经渗透到我们生活的方方面面，同时是关系国家安全、经济发展的国之重器。在卫星定位中，与普通的单点定位相比，RTK（Real-time Kinematic，实时动态）载波相位差分技术是一种目前应用广泛的卫星定位测量方法，可以在野外实时地获取定位信息，精度达到厘米级。它极大地提高了工程放样、地形测图，以及各种控制测量的作业效率。其通过建立差分模型，削弱了卫星钟差、电离层延迟、对流层延迟和卫星轨道误差的影响，从而获得移动站的精确位置[1，2]。

北斗三号于2020年7月31日正式开通运行，由于时间较短，早期的北斗数据涉及保密问题难以获取，而模拟仿真数据又不能完全符合实际，所以对于北斗三号系统的RTK技术研究还不透彻，应用还不广泛，这不利于我国北斗系统的发展。实测是评估北斗三号RTK定位性能不可或缺的环节。以往的教学实践基于北斗二号系统，对于动态定位的精度评定以对比为主，没有进行定量评定，学员理解起来比较困难。课程组基于BDS-3/GNSS组合系统卫星导航接收机设备，采用零基线测量对动态精度进行评定，设置翻转课堂，请学员上台讲解，对于学员仪器的操作、测试方案的设计、评估方式的论证、数据处理的方法、对统计结果的分析和口头表达等能力进行了充分的锻炼，这些能力是日后学员建功海疆的依靠和凭证[3-6]。

二、教学思路

1.基本思路。本着“引导入门，自主思考”的原则，通过教员讲解差分系统构成，现有仪器装备构建差分系统的原理、仪器装备的操作使用、实验方案的设计思路、数据处理及性能评定的方法、实验注意事项等，引导学员对北斗RTK定位实践产生系统的认识。限于设备数量，将学员进行分组，交代实验内容要点完毕后，由学员自己协商分工，培养其分工协作的能力。在采集数据阶段，主要讲解实验过程与误差的关系，讲清实验的严谨性与数据可靠性的关系，培养学员严谨求实的作风，克服懒惰随意的“差不多”思想，树立诚实认真的道德观念。在数据处理阶段，主要讲解使用RMS误差评定静态定位精度、使用零基线法评定动态精度、通过Excel导出可见卫星数和PDOP值数据并绘图、通过Matlab拟合动态轨迹的方法。数据处理完毕并得出结论后，要求学员简要撰写报告并制作PPT，下次课程开始时进行答辩，培养学员的逻辑思维和口头表达能力，同时培养学员提出问题、切入本质的思维方式，让学员在激烈的答辩中收获知识、内化知识。

2.实验原理。实验的基本原理是根据RTK差分原理，利用TCP协议，依托互联网建立数据链路，将基准站和流动站连接起来。实验流程如图1所示。

在静态定位性能测试中，提前选取四个固定点进行长时间的测量，取平均值作为真值。在学员实验阶段，对四个静态点进行半小时测量，观测值与真值作差求均方根误差来评定静态定位的精度;在动态定位性能测试中，将两台不同精度的接收机组成零基线测量的模式，依托小车沿直线来回行进10分钟，两台接收机测得数据进行时刻对准后，依据零基线法直接作差，取均方根直接作为精度。数据质量则使用静态和动态实验中采集的GPGGA和GPGSA报文中的可见星数及PDOP值，依据DOP值等级表进行评定[7]，如表1所示。

三、教学实施

1.实验仪器及配置。UR4B0-D是针对北斗地基增强系统建设而设计的一款高性能GNSS接收机，内置Linux操作系统，完全自主知识产权开发，接口丰富，通信方式多样，支持外部频标输入、事件输入及大容量数据存储，支持多种传感器输入。UB4B0是北斗星通公司基于新一代Nebulas-II高性能SoC芯片开发的首款全系统GNSS高精度板卡，支持BDS、GPS、GLONASS、Galileo和QZSS等多个卫星导航系统和三频RTK技术，主要面向高精度定位、导航和测绘等应用。实验仪器包括UR4B0-D高性能GNSS接收机两台、UB4B0全系统GNSS高精度板卡一块、测量天线两根、功率分配器一个，实物如图2所示。

设置好接收机的有线连接模式，使用计算机的主机登录页面，对UR4B0-D接收机进行配置。将其中一台接收机配置为基准站，主要输入基准站的精确坐标、差分数据、卫星报文输出格式和TCP协议内容。将另一台接收机配置为流动站，主要进行TCP协议配置和数据下载。此处是培养学员对仪器设备的使用能力。