嵌入式GPS/BDS雙系統RTK算法實現及性能測試

楊開偉,李娟娟,杜聰慧

(1.中國電子科技集團公司第54研究所,石家莊 050081;2.河北省衛星導航技術與裝備工程技術研究中心,石家莊 050081;3衛星導航系統與裝備技術國家重點實驗室,石家莊 050081)

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嵌入式GPS/BDS雙系統RTK算法實現及性能測試

楊開偉1,2,3,李娟娟1,2,3,杜聰慧1,2,3

(1.中國電子科技集團公司第54研究所,石家莊 050081;2.河北省衛星導航技術與裝備工程技術研究中心,石家莊 050081;3衛星導航系統與裝備技術國家重點實驗室,石家莊 050081)

本文基于支持BDS系統和GPS系統的高精度OEM板卡進行嵌入式RTK算法設計,實現BDS單系統、GPS單系統RTK定位功能,并進行室外實地測試。測試結果表明，開闊空間靜態零基線測量北斗系統水平精度亞毫米,垂直1 mm;GPS系統三維統計精度均優于3 mm．開闊空間靜態10 km基線測量GPS解算結果較好,水平誤差小于1 cm,垂直誤差大部分小于3 cm,統計誤差水平4 mm以內,垂直2 cm以內;北斗雙頻解算三維誤差大部分在4 cm以內,統計精度水平優于1.5 cm,垂直優于3.5 cm.BDS系統動態RTK測量同實際路線符合良好,單歷元中誤差在6 mm以內。

RTK;BDS;GPS;高精度定位

0　引　言

隨著我國北斗衛星區域導航系統的正式運行,利用北斗衛星系統進行高精度測量成為導航領域的研究熱點。利用多模多頻高精度OEM板能夠自主、方便地開發出各種滿足特定需求的北斗導航應用系統。將OEM板與計算機、通訊技術相結合,開發能夠獲取厘米級實時動態定位精度的嵌入式RTK算法,即可廣泛應用于傳統測繪、駕校系統、交通運輸、變形監測、城市管理等領域。

多個頻率多個衛星導航系統組合導航定位,能夠在作業環境較差的區域,提供穩定、可靠的定位結果,擴展作業范圍。同時可以提高RTK的作業距離,提高系統的穩定性。鑒于高精度衛星導航定位的應用需求,研制北斗和GPS的多模多頻高精度OEM板卡,嵌入RTK高精度定位等關鍵技術,實現商品化生產受到越來越多的關注。

1　嵌入式實時RTK策略設計

RTK是一種利用載波相位觀測值進行實時動

態相對定位的技術。本文采用基于FPGA原型的多模多頻高精度OEM板,整個系統核心器件是DSP和FPGA.RTK數據處理部分是嵌入到DSP上,實現實時高精度定位。

嵌入式實時RTK策略設計主要包含RTK任務與單機協同,實時周跳探測、增減衛星條件下的模糊度搜索、以及參考衛星變換時的模糊度固定等內容。其目的是在復雜環境或長時運行條件下,在不增加運算復雜度和空間復雜度的前提下,能夠保證高精度數據結果的穩定輸出。策略的成功與否,直接關系到OEM板卡的穩定性以及數據結果的質量[1-2]。

1.1RTK定位模型

載波相位動態相對定位采用消除了衛星鐘差、接收機鐘差,減弱了衛星軌道誤差對基線解算的影響的雙差載波相位觀測值。雙差觀測方程為[3-4]:

Δφ(t)· λ=Δρ-ΔN·λ+Δdorb+

ΔIon+ΔTrop+∑δ,

(1)

式中:Δφ(t)為載波相位觀測值; λ為載波波長;Δdorb為軌道誤差;ΔIon為電離層延遲;ΔTrop對流層延遲;Δρ為幾何距離;ΔN為整周模糊度。

設兩測站同步觀測衛星為Sj和Sk,設Sj為參考衛星,則可得雙差觀測方程的線性化形式,即:

Δφk·λ=-[

ΔNk·λ+Δρ,

(2)

式中,下標2代表流動站,

Δφk=φk-,

式(2)可改寫為

ΔNk+Δuk(t),

(3)

式中,Δuk(t)=Δρ.

由于流動站的位置是不斷變化的,所以RTK只能采用一個歷元的觀測值,必須預先解算出整周模糊度,這就是RTK初始化過程。只要同步觀測的衛星數大于4顆,就可以進行RTK定位解算。RTK初始化以后,采用最小二乘方法求解。

1.2流程圖

RTK解算主要流程如圖1所示。

圖1　RTK解算流程圖

2　模糊度解算

RTK的關鍵技術是在動態觀測過程中,要求保持對所測衛星的連續跟蹤。一旦發生失鎖,則要重新進行初始化工作。近年來的許多學者都致力于這一方面的研究和開發工作。根據本文RTK數學模型,并且采用雙頻觀測值進行RTK解算,故需要固定兩個頻點的雙差整周模糊度。本文采用LAMBDA算法進行模糊度搜索,統計檢驗采用ratio值檢驗法,令ratio值大于3.5為模糊度固定正確,給出固定解[2]。

3　周跳探測

準確探測與修復周跳是高精度定位的關鍵環節,可以提高定位的連續性及可靠性。本文使用的DSP,RTK運算過程中最多分配12個數組空間,故需要對PC環境下編寫的RTK程序進行數組壓縮。考慮到工程應用于實時性的要求,基于DSP的周跳探測采用電離層殘差法。此方法是利用電離層殘差檢驗量歷元間的變化來檢測是否出現周跳。

所用數據模型為[5]

L4=λ1φ1-λ2φ2,

(4)

式中,L4組合觀測值消除了站星幾何距離、接收機鐘差和衛星鐘差的影響,消弱了電離層延遲、多路徑效應的影響。

第i與第i+1歷元間的L4變化量:

ΔL4(ti,ti+1)=(λ1·φ1(ti+1)-λ2·φ2(ti+1))-(λ1·φ1(ti)-λ2·φ2(ti)).

(5)

當電離層比較穩定、采樣間隔較短時,ΔL4(ti,ti+1)幾乎為零。當載波相位發生周跳時,電離層殘差不再連續,ΔL4(ti,ti+1)會發生跳變,很容易探測周跳。

本文采用探測不修復周跳的方法,如果非參考星周跳,當前歷元對周跳的衛星重新進行模糊度固定;如果參考星發生周跳,因為模糊度是所有衛星相對于參考星的雙差模糊度,故當前歷元需要對所有衛星進行模糊度搜索。

4　性能測試

為了評定OEM板卡RTK定位精度,本文設計了三項測試項目,分別為零基線測試、10 km靜態基線測試和動態RTK測量。

4.1靜態零基線測試

本次試驗接收機天線架在某樓頂基準點,觀測環境相對比較開闊,天線經功分器形成兩路信號,一路送給基準站接收機,一路送給流動站接收機,形成RTK工作模式。測試采樣率為1 Hz,數據采集1 h,設置衛星截止高度角為10°,接收機實時處理,流動站按1 Hz實時上報GGA語句,通過串口連接到PC機上存儲。零基線靜態數據分別采用單GPS、單北斗進行RTK解算。測量結果與真值“0”之差如圖2～圖3所示,差值統計(1σ)如表1所示。由圖和表可以看出，北斗雙頻解算結果N方向、E方向誤差均小于4 mm，U方向誤差大部分小于5 mm，統計誤差(1 σ )N方向、E方向為亞毫米，U方向為1 mm；GPS解算三維誤差大部分在8 mm以內，統計精度(1 σ )優于3 mm.即開闊空間靜態零基線RTK測量精度可達到毫米級。

圖2　靜態零基線GPS解算結果

圖3　靜態零基線BDS解算結果

4.2靜態10 km基線測試

本次試驗基準站架在某樓頂基準點,流動站約10 km遠的另一基準點,通過3G模塊進行數據傳輸,形成RTK工作模式。流動站基準點相對于基準站基準點N/E/U方向真值為8 029.7 816/5 773.905 9/28.400 4.測試采樣率為0.1 Hz,數據采集2 h,設置衛星截止高度角為10°.計算結果如圖4～圖5所示,與真值差值統計(1σ)如表2所示。

表1　靜態零基線解算精度統計 　(單位：mm)

圖4　靜態10 km基線GPS解算結果

圖5　靜態10 km基線BDS解算結果

由圖和表可以看出，GPS解算結果N方向、E方向誤差均小于1 cm，U方向誤差大部分小于3 cm，統計誤差(1σ)N方向、E方向為4 mm以內，U方向2 cm以內；北斗解算三維誤差大部分在4 cm以內，統計精度(1σ)N方向、E方向優于1.5 cm，U方向優于3.5 cm.

表2靜態10 km基線解算精度統計 (單位：mm)

處理模式固定解比例N方向E方向U方向GPS95.8%3.53.319.6BDS97.1%11.512.731.6

4.3動態RTK測試

RTK動態測試試驗在市區公路上進行,基準站架在樓頂基準點上,流動站在開闊路段上運行,通過電臺進行數據傳輸,形成RTK工作模式,測試采樣率為1 Hz,數據采集0.5 h,設置衛星截止高度角為10°,接收機采用BDS系統雙頻數據實時處理,流動站按1 Hz實時上報GGA語句,通過串口連接到PC機上存儲。流動站與基準站之間的距離為1～2 km,試驗持續時間為1 h.試驗數據的處理結果與實際地圖匹配后如圖6所示。推車先圍繞轉盤轉行兩圈,然后在東西路上來回,回程過程中沒有數據點的兩處是重新開機引起的,再圍繞轉盤轉行一圈,然后回到工作樓。單歷元解算中誤差指標如圖7所示。由圖可以看出,解算的中誤差基本在6 mm以內。

圖6　BDS動態RTK測試結果

圖7　BDS動態RTK測試中誤差

5　結束語

本文基于多模多頻高精度OEM板卡,討論了嵌入式RTK算法策略,進行了BDS單系統、GPS單系統RTK定位功能實現和室外實地測試。測試結果表明:

1) 開闊空間靜態零基線RTK測量精度可達到毫米級;

2) 開闊空間靜態10 km基線測量GPS統計誤差水平4 mm以內,垂直2 cm以內;北斗統計精度水平優于1.5 cm,垂直優于3.5 cm;

3) BDS動態RTK測量同實際路線符合良好,單歷元平差中誤差在6 mm以內。

本文基本實現了嵌入式RTK基線解算,初步測試性能較好。下一步的工作是:靜態基線測量精度雖然較好,但需要進一步測試穩定性及長時間運行可行性;動態測量垂直方向精度不夠高,需要對周跳探測和模糊度解算等方面進一步分析研究與完善,以提高解算精度。

[1]KAPLAN E D, HEGARTY C J.GPS原理與應用[M].寇艷紅譯.2版.北京:電子工業出版社,2010.

[2]謝鋼.GPS原理與接收機設計[M].北京:電子工業出版社,2009.

[3]李征航,黃勁松.GPS測量與數據處理[M].武漢:武漢大學出版社,2011:162-168.

[4]任哲.嵌入式操作系統基礎[M].北京:北京航空航天大學出版社,2011.

[5]邵儀,基于FPGA的矩陣運算固化實現技術研究 [D].鄭州:解放軍信息工程大學,2012.

The Realization of the Embedded GPS/BDS RTK Algorithm and the Test of its Performance

YANG Kaiwei1,2,3,LI Juanjuan1,2,3,DU Conghui1,2,3

(1.The54thResearchInstituteofCETC,Shijiazhuang050081,China；2.SatelliteNavigationTechnologyandEquipmentEngineeringTechnologyResearchCenterofHebeiprovince,Shijiazhuang050081,China；3.StateKeyLaboratoryofSatelliteNavigationSystemandEquipmentTechnology,Shijiazhuang050081,China)

Using the high-accuracy OEM board, which contains of BDS and GPS system, this paper realized the embedded algorithm of RTK of BDS、GPS and BDS+GPS. The test of outdoor proved that the accuracy of zero static baseline is sub-mm for the horizontal component and 1 mm for vertical component using BDS. The accuracy of GPS for 10 km static baseline, whose difference of horizontal component is smaller than 1 cm and the vertical component is smaller than 3 cm, is better than BDS, whose difference for three component is better than 4 cm. The statistics accuracy of GPS for 10 km baseline is better than 4 mm for horizontal component and better than 2 cm for vertical component, and the BDS is better than 1.5 cm for horizontal component and better than 3.5 cm for vertical component. For kinematic baseline, the result of integration positioning is accordant to the real topography, and the standard deviation is better than 6 mm.

RTK; BDS; GPS; integration positioning; high-accuracy board

2015-10-09

P228.4

A

1008-9268(2016)03-0035-05

楊開偉(1984-),男,工程師,主要從事衛星導航數據處理方面的工作。

李娟娟(1984-),女,工程師,主要從事衛星導航數據處理方面的工作。

杜聰慧(1988-),女,工程師,主要從事衛星導航數據處理方面的工作。

doi:10.13442/j.gnss.1008-9268.2016.03.008

聯系人： 楊開偉E-mail:yangkaiwei0603@163.com