智能RTK GNSS接收機的關鍵技術研究

林 超

（廣州中海達測繪儀器有限公司，廣東 廣州 511400）

GPS－RTK測量技術是建立在載波相位觀測值基礎上的實時動態定位系統。在RTK作業模式下，基準站通過數據鏈將其觀測值和測站坐標信息一起傳送給流動站。流動站不僅通過數據鏈接收來自基準站的數據，還要采集GPS觀測數據，并在系統內組成差分觀測值進行實時處理，同時給出厘米級定位結果，歷時不足1s。這一技術在越來越多的測繪工作中得到應用，它的快捷高效顯示了其他測繪儀器和測繪方法所不能比擬的優勢。

1 傳統GPS－RTK數據鏈作業模式優缺點

目前國內各大測繪儀器廠商公司生產的GPS接收機主要使用電臺和GSM通信兩種數據鏈模式［1－2］。

1.1 電臺數據鏈傳輸

數據鏈電臺信號在傳輸過程中易受外界環境影響，如高大山體、建筑物和各種高頻信號源的干擾，在傳輸過程中衰減嚴重，嚴重影響外業精度和作業半徑。另外，當RTK作業半徑超過一定距離時，測量結果誤差超限，所以RTK的實際作業有效半徑比其標稱半徑要小，工程實踐和專門研究都證明了這一點。

1.2 GSM數據鏈傳輸

GSM體制采用時分多址技術，存在以下缺陷：①系統容量有限，GSM系統的頻譜效率約是模擬系統的3倍，但不能從根本上解決目前用戶數量劇增與頻率資源有限之間的矛盾；②編碼質量不夠高，GSM系統的編碼速度為13kb/s（即使是實現了半速率6.5kb/s），這種質量很難達到有線電話的質量水平；③終端接入速率有限，最高僅為9.f kb/s；④切換功能較差，影響服務質量；⑤漫游能力有限，不能實現真正的國際漫游［3－4］。

2 智能GPS－RTK GNSS接收機

智能型RTK GNSS接收機采用內置LINUX操作系統，兼容3G網絡傳輸功能，支持3個無線接口標準：中國聯通的WCDMA，中國移動的TD－SCDMA，中國電信的CDMA2000。

2.1 嵌入式linux操作系統

嵌入式linux是將日益流行的Linux操作系統進行裁剪修改，使之能在嵌入式計算機系統上運行的一種操作系統。嵌入式linux既繼承了Internet上無限的開放源代碼資源，又具有嵌入式操作系統的特性。同時，Linux內核的結構在網絡方面是非常完整的，Linux對網絡中最常用的TCP/IP協議有最完備的支持。提供了包括十兆、百兆、千兆的以太網絡，以及無線網絡，Toker ring（令牌環網）、光纖甚至衛星的支持。所以Linux很適于做信息電路的開發

2.2 CDMA 3G網絡制式

CDMA是碼分多址無線接入系統，允許所有的使用者同時使用全部頻帶（1.228 8MHz），通過加密的方式來區分不同的用戶信號，并且把其他使用者發出的訊號視為雜訊，完全不必考慮訊號碰撞的問題。由于是通過加密來區分這一傳輸特性，所以，CDMA網絡比GSM網絡的保密性要好很多。3G無線寬帶技術還具有4個明顯優勢特點：①信號覆蓋廣泛；②無可替代的靈活性；③公網替代專網，大幅降低建網成本；④多網融合的多媒體調度。

2.3 作業模式的顛覆性變革

智能型RTK GNSS接收機不僅僅是一款產品，更是一種技術，它顛覆性地變革了傳統RTK作業、服務模式，使得RTK作業進入了智能時代。智能型RTK GNSS接收機采用當前最成熟的3G技術，配合Linux系統強大的網絡功能，不僅可以高效傳輸差分數據，還可以完成遠程數據采集、圖形顯示、數據下載上傳等功能，如圖1所示。

圖1 智能型RTK GNSS接收機作業模式

3 關鍵技術

3.1 GNSS接收天線與GNSS高精度定位模塊一體化技術

GNSS接收機的其中一個難點就在于GNSS接收天線與GNSS定位模塊安裝位置非常接近，而GNSS定位模塊中的同頻射頻輻射信號在GNSS天線接近到一定距離時，這種輻射已經可以導致GNSS天線的有用信號被噪聲淹沒，這樣GNSS接收機就無法定位或者接收能力下降。

通過實驗研究，采用定位模塊與GNSS接收天線一體化機內安裝結構，結合對定位模塊進行金屬腔體屏蔽保護，GNSS信號無饋線傳輸匹配等方式，可以有效地解決上述技術難題，創造了一種新的天線集成方式，使得高精度GNSS接收機一體化、小型化成為可能。

另外，GNSS接收天線與GNSS高精度定位模塊一體化研究同時解決了GNSS信號在無饋線傳輸安裝方式下的信號阻抗匹配等難題。

3.2 毫米級實時高精度單頻定位技術的應用研究

GPS衛星廣播星歷是用GPS系統跟蹤站的偽距觀測值定軌外推得出的，其精度比較差，為10～25m。隨著GNSS數據處理工作不斷改進，利用全球站數據確定GPS衛星軌道的理論和方法日趨完善。GNSS數據處理中心用全球幾十個到上百個站的一天或多天的數據定軌，精度可達10mm。智能型RTK GNSS接收機實現了根據GNSS衛星系統精密衛星軌道數據，結合設備接收的帶有誤差的定位衛星信號進行解算處理，接收機可以得到單點單頻定位毫米級精度［5］。

3.3 后臺數據庫操作，監控作業模式，提供強大的網絡智能服務

智能型RTK GNSS接收機由于使用了無界限的3G網絡通訊和嵌入式數據庫SQlite技術，使得測量作業距離不再受限，遠程數據處理中心的技術人員及時通過3G網絡下載數據，利用桌面后處理軟件進行結算，實時判斷基線解與同步環是否合格，以確定后續工作。當用戶作業中有疑問時，經用戶授權，可以通過數據庫實時遠程查看接收機的狀態、配置，為用戶提供及時的現場技術指導和服務，提高作業效率的同時最大限度地為客戶節約成本。

3.4 RT－PPP技術

對傳統的PPP技術進行了延伸，分別處理星基誤差、傳播誤差以及觀測誤差，最大限度地合理利用載波相位和偽距觀測數據的相關性，采用獨到的專利算法，有效抑制電離層誤差對GPS接收機的精度影響，從而大大提高單頻GPS接收機的定位精度和縮短收斂時間［5］。

4 創新點

4.1 遠程智能服務

借助于3G技術，設計新的控制終端（桌面電腦、平板電腦、手簿）與接收機之間的連接方法，突破藍牙與主機連接距離與平臺的限制，實現服務創新。

1）接收機與手簿之間的作業距離不受地理位置限制。

2）組群自動配置，通過手簿或電腦進行一次設置，全組接收機都采用同樣的設置參數。

3）滿足各種遠程服務，包括遠程智能提醒，遠程升級固件、遠程注冊儀器、遠程上載靜態數據文件。

4）建立LBS位置監管服務器，在衛星地圖軟件顯示每臺主機回傳的位置信息，以供管理人員監管、調配每位工作人員，提高工作效率。

5）智能化的故障自我診斷。

4.2 高性能模塊化設計

1）采用目前技術最成熟的WCDMA制式的3G網絡，保證了網絡的穩定性；高速USB接口，極大地提高數據傳輸速率和通信質量；

2）采用Linux2.6.27作為操作系統平臺，16M Nor flash存儲非壓縮的內核代碼，保證系統的快速啟動，啟動時間＜3s；

3）大容量數據存儲：1G字節的nand nandflash存儲器，有效的數據存儲容量達700M字節，是目前市面普通RTK數據容量（64M）的10倍以上；

4）高效合理的電路設計，內置電池容量高達5 000mAh，做靜態數據采集可使用14h。

4.3 領先的北斗/GPS/GLONASS多系統聯合解算技術

1）自主設計多系統數據組合定位處理，實現GPS/GLONASS/BD三系統數據的融合工作；

2）三系統數據的處理功能包括：導入、導出、觀測序列圖和衛星軌跡圖顯示、三系統組合單點定位；

3）獨立完成GPS/BD松組合模式模糊度解算，能夠進行GPS/BD短基線初步解算工作。

5 結束語

智能型RTK GNSS接收機融合服務、智能、網絡和RTK技術4種技術和方向，將RTK和無線網絡有機結合，以精致小巧的Linux系統為平臺，內置多星多系統內核（GPS/GLONASS/北斗）的GNSS接收機，打破了歐美衛星導航技術上的長期高端壟斷態勢，為國內GPS用戶提供了一個優秀的GNSS數據采集設備產品的選擇，大大降低產業生產成本，提高應用層面的普及率，為高精度智能型GNSS測量型產品的更大規模推廣應用提供充足的動力，提高相關行業的生產效率和生產質量，有利于提高我國導航終端產業的國際競爭力，促進我國衛星導航定位產業技術的發展，提高民族品牌企業的知名度和競爭力。

智能型RTK GNSS接收機改進了我國大地測量測繪工作方式，提高了大地測繪工作的效率，減輕了廣大測繪工作者工作強度，為我國各種基礎建設項目的測繪工作節省了成本和時間，可服務于國家重點工程，如：港口、鐵路、公路、大橋、海上鉆井平臺、水下石油管道等領域，也可服務于國民經濟基礎領域，如：國土、規劃、城建、林業、農業、電力等。同時，隨著強勁的市場拉動，生產規模隨之高速擴張［6］。

［1］余小龍，胡學奎.GPS RTK技術的優缺點及發展前景［J］.測繪通報，2007（10）：39－44.

［2］高成發.CPS測量［M］.北京：人民交通出版社，1994.

［3］許婭婭.CPS RTK的發展及其在公路測量中的應用［J］.測繪通報，2007（2）：18－20.

［4］王仁謙.GPS動態定位的理論研究［D］.長沙：中南大學，2004.

［5］姬生月，歐吉坤，柳林濤.一種適合于單頻接收機快速模糊數求解的新方法［J］.武漢測繪科技大學學報，2000，25（2）：108－112.

［6］周忠漠，易杰軍，周琪.GPS衛星測量原理與應用［M］.修訂本.北京：測繪出版社，1992.