面向城市測量的低成本高精度GNSS靜態測量系統設計與實現

楊銳波

摘 要：隨著科學技術的發展，測量工具和測量手段也發生了變化，其中測量型GNSS呈現價格降低、體積縮小的趨勢。目前市場上一整套商用GNSS測量系統的價格從幾萬到幾十萬不等，且地面基站和移動站體積大、攜帶不方便等原因，使得商用GNSS測量系統的使用人群僅限于部分專業測量人員，難以在大眾市場普及。當今眾多領域如無人機、機器制導、精密農業等對高精度定位需求的增加，又促使GNSS測量系統向低成本、高精度、小型化、輕型化發展。該文對U-BLOX的LEA-6T和NEO-M8T兩款低成本OEM型GNSS接收機進行不同基線、不同時段下的靜態觀測，測試結果和精度分析表明這兩臺低成本GNSS測量系統能夠達到厘米級定位精度，滿足測量工作和GIS應用的需求。試驗證明使用此低成本測量系統能降低測量任務的經濟成本，是測量級GNSS接收機中經濟適用的選擇。

關鍵詞：GNSS 低成本 GNSS接收機 靜態測量系統 差分GNSS

中圖分類號：P224 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）03（a）-0014-03

目前，全球導航衛星系統（GNSS）的定位精度從米級提升到厘米級，且受時間和天氣因素的影響較小。GNSS較強的定位能力、高質量的定位精度促使其越來越廣泛地被應用于民用和軍事上。GNSS定位方式有兩種：單點定位和差分定位。單點定位是根據接收機的觀測數據確定接收機位置的定位方式。因其只能采用偽距測量，導致單點定位方式主要適用于對精度要求不高的工作。為了滿足更高精度的需求，測量級GNSS接收機新增加了載波相位測量值從而進行差分定位。然而測量級GNSS接收機相對比較昂貴，價格一般在幾萬到幾十萬元之間。

近幾年，OEM型低成本GNSS接收機（板）已經被廣泛應用于實際生活中。這種板卡能夠輸出載波相位，是測量型接收機的良好選擇，且這種低成本單頻接收機價格低，成本僅幾百元，能被普通用戶所接受。在靜態測量和動態測量中，國內外學者已利用這種板卡進行了大量的實驗并且取得了一系列成果。

該文的研究目的是測試成熟的低成本載波相位GNSS定位系統在實際應用中的可能性。主要研究對象是U-BLOX的2種不同型號的OEM型GNSS接收機：LEA-6T和NEO-M8T。測試過程中基站架設于廣州市華南師范大學校園內，移動站分別位于廣州大學、中山大學、暨南大學南校區內，對應的基線長度分別為5 km、10 km和50 km。

1 低成本定位系統

該次研究中使用的不同型號的OEM GNSS接收機LEA-6T和NEO-M8T是目前使用較廣泛的低成本高精度定位系統。下面的章節將具體展開對該定位系統的介紹。

1.1 低成本定位系統——LEA-6T

使用LEA-6T模塊作為接收機的定位系統主要組成部件如圖1所示。其中圖1中的①是LEA-6T OEM板。LEA-6T有幾大特點，分別是實時時鐘、PPS時間輸出、非易失性存儲器、差分GPS功能、偽距和相位原始數據輸出、L1碼相位和載波相位等。這種單頻接收機擁有12條平行通道接收來自衛星的信號，更新速率達到1 Hz。接收機芯片的尺寸17.0 mm×22.4 mm×24 mm，重2.6 g。圖1中的②③是數據接收軟件和用于采集數據的個人電腦。因為接收機本身沒有記憶和存儲功能，LEA-6T模塊必須通過串口連接到數據采集器（一般為個人電腦）。因此裝有數據獲取軟件的個人電腦通過串口連接到LEA-6T板卡上才能獲取實時的原始數據（包括偽距和載波相位數據）輸出。要用到的數據采集軟件就是U-center。這個軟件可以上傳年歷、位置、時間信息，下載年歷和相位信息。U-center接收的數據有自己的格式，必須轉換成通用的RINEX格式才能被其他GNSS數據處理軟件所識別。RTKCOVN作為U-BLOX的一款數據轉換軟件，通過在Windows系統的個人電腦上運行，選擇輸入文件和輸出路徑，完成數據格式的轉換。圖1中的④是雙頻或單頻測量型天線或低成本普通天線。圖1中的⑤是電源。各部件完成連接之后如果想用openlog來記錄數據，必須提供5 V電源圖1中的⑥是電源/數據傳輸接口。在GPS模塊上有兩個串口數據輸出端口。一個輸出相位信息，另一個輸出NMEA協議格式的數據，波特率可以選擇1 200、2 400、4 800、9 600、19 200、38 400、57 600、115 200等。

1.2 低成本定位系統——NEO-M8T

在該次試驗中，另一款OEM型GPS接收機NEO-M8T是U-BLOX新一代的產品，不僅搜星快，可見衛星多，而且支持北斗、GLONASS、GPS多星座。

圖2是用NEO-M8T進行觀測時的一些實時數據信息（衛星數量及狀態）。同時記錄原始觀測數據（偽距和相位數據）。

通過U-center軟件我們可以看到很多信息。例如：位置信息窗口以圖表的形式實時顯示GPS衛星基本信息，包括實時精度、接收機位置、具象的演示水平和垂直方向速度、高度、概率經度緯度、UTC時間，DGPS狀態，用于定位的可見星數量，HDOP、VDOP、PDOP、TDOP?！疤炜請D”窗口顯示衛星信號強度和各星座之間關系的具體信息。此外，軟件還有一個終端程序指令輸入窗口，這個開放式的窗口可以把用戶預先設定的信息發送給接收機，也可以調整個人設置，問題反饋等。

2 靜態定位試驗

以華南師范大學校園為中心，用兩個不同型號的低成本高精度GNSS測量系統展開3組靜態測量。為了驗證測試系統的定位精度和性能，我們對不同長度的基線分別進行不同時間的觀測。

（1）第一組基線長度為5 km，基準站位于學校南門，記為1號點。移動站位于中山大學院內，基準站天線和移動站天線均架設在坐標已知的控制點上，且四周開闊無遮擋。兩組靜態觀測時間分別為30 min和2 h。

結果顯示該GNSS測量系統收斂速度快，固定所需時間短。固定率達到99.8%，同時得到E-W、N-S、U-D方向的RMS（均方根誤差）值分別為0.62 cm、0.83 cm、0.95 cm。進一步將移動站天線位置坐標解算結果與已知坐標進行比較。

解算結果如表1。

解算結果表明在基線距離5 km條件下，定位精度優于2 cm。

（2）第二組基線長度10 km，基準站位于華南師范大學北訓練場內，記為2號點，坐標已知。移動站位于測繪學院。對兩組接收機分別進行30 min和2 h的靜態觀測。

在基線距離為10 km的情況下，整體定位精度仍能達到2 cm，收斂時間稍有延長但是仍能快速固定。固定率為93.4%，E-W方向的RMS值為4.8 cm，N-S方向的RMS值為5.2 cm，U-D方向的RMS值為8.9 cm。各觀測時段的解算結果如表2。

對比發現，X、Y方向的定位精度在3 cm以內，高程精度在5 cm以內。

（3）第三組基線長度50 km，基準站位于校園南門1號控制點，坐標已知。移動站位于暨南大學圖書館前，坐標已知。

當基線長度擴大到50 km，收斂時間增加到5 min，固定之后的精度范圍在5 cm以內?？傮w固定率為89.2%，E-W、N-S、U-D三個方向的RMS值分別為3.2 cm、9.3 cm、13.3 cm。移動站定位結果如表3。

當基線達到50 km，X、Y、Z3個方向的定位精度仍能達到5cm，能滿足工程測量的要求。

3 結論與展望

在該次研究中，首先介紹了可以輸出載波相位數據的低成本OEM型GNSS接收機并且詳細說明了該系統在測量中的可用性。為了評估該系統在靜態測量時的定位精度，進行了一系列的試驗。通過對多組試驗數據的分析發現該定位系統可以達到厘米級的定位精度。在實際測量中基線長度一般不會要求太長，這種低成本的GNSS定位系統也正適用于短基線的測量定位任務。試驗證明這種低成本GNSS定位測量系統完全能勝任一般的測量任務以及GIS相關應用。同時試驗表明該定位系統確實大大降低了測量任務的成本。因此，可將該模塊作為經濟適用且高精度的大地測量型GPS接收機。

通過大量實驗發現，這種低成本高精度GNSS測量系統在短基線測量中能達到較高的精度，這些實驗只是基于靜態測量和差分后處理的情況下進行的。要想有更廣闊的應用前景，必須進行實時定位和動態定位。比如無人駕駛智能系統、機器制導、精細農業、無人機導航與測圖等領域。然而這種動態實時定位無疑又給這種低成本的測量系統帶來了很大的挑戰，如要解決數據實時傳輸問題、實時解算速度問題以及高動態高頻率震動狀態下的衛星失鎖等問題。此外還可以考慮與IMU構成組合導航系統來實現高動態下的導航與定位。

參考文獻

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