基于事后RTK的廣域無線傳感網絡節點低功耗高精度定位模塊設計

萬育彰，張曉明，熊繼軍，陳 雷，晁正正，閆佳暉

(中北大學 儀器科學與動態測試教育部重點實驗室， 太原 030051)

廣域無線傳感網絡應用于侵徹武器的爆炸場采集、道路探傷、地震監測等廣域探測工程[1]，通過獲取相應的物理場探測或監測目標與網絡節點的相對位置，結合網絡的幾何布局，確定目標物的實際位置以及進行環境監測，因此無線傳感測試網絡節點是廣域目標探測、定位的“基準點”，只有傳感節點實現高精度定位才能保證目標物位置的有效性和精度[2]。傳統的道路探傷、侵徹武器炸點定位等廣域物理場采集、監測工作中，傳感測量網絡需要多個數據控制中心，每個數據控制中心連接上百個傳感測試節點進行有線連接，節點按照網絡布局方案安裝，節點位置通過人工測量確定(設定某個點或地標為基點，使用全站儀等地質測量儀器確定各節點與基點的位置關系)[3]，這樣工作耗時長，節點位置精度浮動大，而且當測量范圍大、測量地形復雜時，部分無線傳感測試網絡節點無法使用直接目測或手動測量的方法來確定節點位置，因此考慮使用衛星定位方式為傳感測試節點提供位置信息，廣域無線傳感網絡需要高精度探測如裂紋、震源、炸點等目標位置，其節點的定位精度需要達到毫米級，而普通衛星定位精度為米級，無法滿足節點定位需求，RTK定位能夠實現毫米級定位，但傳統RTK要求節點實時接收并處理基站發出的觀測數據，這需要節點的無線傳輸通訊模塊在節點定位過程中持續工作數小時甚至幾天，且布網范圍較大導致無線傳輸模塊的功率高，即使使用短波傳輸，其功耗也在十瓦級，一般達到幾十瓦以上，大功耗對應的高耗電使得因為執行監測任務而需要長時間工作的無線傳感網絡節點由于電量問題無法實現小體積，另一方面，傳統事后RTK無法為傳感節點提供同步時鐘，從而采集的物理場數據無法具備時間有效性，并且傳統的事后RTK定位速度慢[4]，而根據本文設計，較快地獲取高精度節點位置信息，有利于進一步降低定位模塊的功耗。

針對上述問題，考慮到無線傳感網絡節點的定位屬于靜態高精度定位，節點采集的物理信息需要時鐘統一，定位精度要求達到毫米級并對功耗要求盡可能低的特點，本文提出在事后RTK的基礎上，使用定位模塊輸出的PPS秒脈沖進行時鐘同步，使定位模塊工作10～15 min，將觀測數據和星歷文件保存到存儲設備，任務結束后將數據傳輸至數據控制中心，進行RTK定位解算[5]，從而獲取高精度節點位置與時間零點，通過卡爾曼濾波算法提高定位速度,從而確保使用較短時間輸出的觀測數據即可完成高精度定位，達到降低節點功耗的目的，同時還能保證節點的定位精度達到毫米級。

1 RTK定位原理與優勢

1.1 普通GNSS定位方法

普通GNSS定位使用的是碼測量法，使用單個GNSS接收機即能實現定位，但定位精度為米級[6]，這種方法是通過GNSS接收機對接收到的C/A碼與接收機產生的復現碼進行相關運算，得到信號從衛星發射到達接收機的時間，結合無線電波的傳播速度就得到了接收機與該衛星的距離[7]，但由于距離的測量受到時鐘差、電離層、對流層等干擾，碼測量得到的距離與實際距離有偏差，將計算得出的距離稱為偽距，其表達式為:

ρ=r+c(tu-δt)=c(Tu-Ts)

(1)

當接收機能與四個衛星(未知量除接收機的位置變量xd、yd、zd坐標外還有時鐘差)建立穩定通信后，即可通過如式(2)所示偽距與位置的關系式構建的方程組，求解出接收機的坐標以及接收機與衛星的時鐘差[8]。

(2)

即偽距的測量精度決定了碼測量法的定位精度[9]，但由于碼測量法得到的偽距測量值與實際值有較大差距，碼測量法的定位誤差往往會達到3～5 m[10]，不能滿足大地測量中測量節點高精度定位的要求。

1.2 RTK定位原理

RTK定位為載波相位差分定位法，需要使用兩個GNSS接收機，在待定位節點處和基站處安裝GNSS定位模塊，兩處同時輸出原始觀測數據和星歷文件，將基站與節點的GNSS定位模塊輸出的觀測數據中的載波相位進行差分，結合基站的位置信息，通過相位差分得到基線向量，這樣得到的向量終點即為節點位置。這種定位模式示意圖如圖1[11]。

通過計算節點處衛星接收機與基站處接收機的觀測數據中載波相位的差值進而求出基線向量，當A為基站，B為節點，AB兩處接收機同時觀測j，k衛星時符合關系式為[11-12]：

(3)

l=λ(n0-Δφ)

(4)

若衛星信號從衛星上發射時載波相位為φ0，到達接收機的載波相位為φ1，則式(4)中n0為(φ1-φ0)的整周期數，Δφ為(φ1-φ0)結果中不足一周期的小數部分，Δφ可以由接收機中的載波跟蹤環準確測得，但n0不能直接測得，只能通過間接辦法進行估計，因此也稱之為整周模糊度，由此可以看出，RTK測量精度的關鍵在于整周模糊度估計值與實際值的誤差[12]，當整周模糊度確定后，載波相位測量法測距精度與所測信號波長有關，波長越小，測距精度越高，且不超過波長[13]。因此從信號本身的精度上看，相位測量法的精度就優于碼測量法，同時作為差分測量法，基站處的GNSS接收機還能為節點接收機提供誤差補償信息，如多普勒頻移、電離層延遲等數據[13]，通過事后對基站接收的載波相位與節點接受的載波相位進行差分，得到基站與節點構成的基線向量，并使用已知位置的基站作為向量起點，補償了誤差，使得其影響被削弱到最小。載波相位測量法的精度在誤差源影響較小情況下，其定位精度為載波波長的1/100，以GPS載波信號為例，其衛星信號民用的常用頻點為L1—1 575.42 MHz以及L2—1 228 MHz[14]，無線電波以光速在真空介質中傳播，根據式(5)計算，可得出GPS衛星信號載波波長為0.19 m，因此一般情況下定位精度能達到0.001 9 m即實現毫米級定位。

λ=c/f

(5)

因此RTK的定位精度可以達到毫米級，滿足廣域測量網絡節點的定位精度要求[15]。

2 無線傳感測量網絡構成

廣域無線傳感網絡主要由數據控制中心、無線通信中繼站、GNSS基站以及傳感節點等構成[16]。其中數據控制中心控制網絡各節點的工作狀態以及對節點所采集數據的處理，節點負責其安裝區域的物理信息采集，GNSS基站為節點RTK定位提供基點信息，而無線通信中繼站則保證了系統大范圍測量時，數據控制中心與各節點能夠成功通訊，具體結構如圖2所示。

因此節點作為整個系統的“感知單元”，其信息獲取的準確性決定了系統能夠準確完成監測任務。無線傳感測試節點硬件構成框圖如圖3。

通過傳感模塊采集指定的物理場，GNSS定位模塊為節點提供位置信息以及為傳感網絡各節點提供統一時鐘，并將這物理場采集數據和位置數據處理后存入存儲模塊，定位模塊工作10 min后進入待機模式，僅提供同步時鐘，從而在保證傳統事后RTK所具備的高精度和較實時RTK低功耗基礎上，進一步降低了功耗還保證了傳感網絡各節點采集的物理場數據實現時間同步，而無線通訊模塊用于接收數據控制中心的控制指令，只在測試開始和結束時工作。節點的模塊構成中，MCU處理、供電、信號調理、信號采集等模塊不是本文重點，不在此進行詳細描述，重點展開對實現事后RTK相關的硬件電路模塊，即GNSS模塊和存儲模塊的詳細說明。

2.1 GNSS模塊硬件設計

GNSS定位模塊是實現事后RTK并在其基礎上為傳感網絡各節點提供統一時鐘的硬件模塊，因此需要選擇一款能夠輸出觀測數據和星歷文件(事后RTK使用)和高精度PPS秒脈沖的衛星信號接收芯片作為模塊核心，經過查找相關芯片選擇符合上述要求的Ublox NEO_M8T作為模塊的GNSS接收芯片，該芯片需要穩定的5 V電壓供電，因此模塊硬件電路還需包含5 V穩壓芯片以及相關外圍的阻容，構成RC濾波網絡，以保證供電電壓的穩定，再配合必需的衛星信號接收天線接口及衛星信號輸入線，這樣就構成了如圖4所示的測試節點定位模塊結構框圖。

定位模塊通過串口進行數據的輸出與輸入，輸入的內容主要是控制指令，用于配置NEO_M8T的相關工作狀態以及部分附加功能的開啟或關閉，在進行配置時，考慮到數據可存儲性以及后期處理的便捷，將模塊輸出數據(觀測數據和星歷文件)格式配置為十六進制的UBX文件，由于傳統的事后RTK僅作為一項較實時RTK低功耗的高精度定位技術使用，而沒用充分使用其具有授時功能的PPS秒脈沖，尤其在物理場采集或監測工程中，物理場隨時間變化，傳感網絡各節點時鐘統一十分必要，因此，在事后RTK基礎上利用芯片能輸出高精度PPS秒脈沖，其時鐘精度≤20 ns，將其配置供節點內物理場采集模塊的高精度ADC使用的8 MHz時鐘信號，并將PPS秒脈沖輸出引腳與ADC的時鐘輸入引腳相連，在讀取模塊輸出的時間信息，即可實現各傳感節點采集數據時間同步，而前面配置的UBX格式的觀測數據和星歷文件則通過串口保存到存儲設備中。天線接口選用常見的MCX接口，特征阻抗為50 Ω，因此在進行PCB設計時需要注意衛星信號線的阻抗匹配問題。

2.2 存儲模塊硬件設計

當定位模塊設計完成并能夠工作后，定位模塊即可通過串口輸出RTK所需的數據信息，這些數據通過串口存儲模塊保存至TF卡等存儲設備中，事后將存儲的數據導入電腦進行RTK處理，串口存儲模塊原理框圖如圖5。

通過定位模塊和串口存儲模塊的硬件設計，將串口存儲模塊的串口與定位模塊的串口對應線相連，即可實現將定位模塊輸出的RTK所需數據存儲至存儲設備中的功能。

2.3 低功耗定位方案設計

無線傳感網絡節點體積小，且由電池獨立供電，因此在長達數小時甚至幾天的物理場采集或目標區域物理場監測等任務中，低功耗尤為重要。即便是在實時RTK基礎上通過減少無線鏈路通訊時間降低了功耗的事后RTK在如此長時間工作情況下，功耗仍然太高，這也是目前主流的物理場測量工程中，傳感網絡節點不使用衛星定位的主要原因。因此針對工程特征，傳感網絡節點在安裝完畢后靜止，屬于靜態定位，因此一旦獲取其高精度位置結果后，定位模塊可以進入待機狀態，不在解算衛星信號以降低功耗，即通過控制定位模塊的工作時間來實現降低節點的平均功耗，具體方案流程如圖6所示。

在工程開始時，首先進行模塊自檢，由于希望盡可能地減少使用無線通訊的時間，因此使定位模塊在正常工作狀態運行，并通過無線通訊模塊接收1～2 min由定位模塊輸出的數據，通過查看數據幀是否完整有效，判斷定位模塊是否工作正常，在確定定位模塊正常工作后，模塊輸出數據存入存儲卡中并保持工作狀態15 min(經過測試15 min輸出的數據可得到高精度定位結果)，隨后定位模塊進入待機狀態，僅為隨后進行物理場采集工作的傳感網絡各節點的傳感采集模塊提供統一的時鐘信號即可，由此，在長達數小時甚至數天的物理場采集、監測任務中，傳感網絡各節點的定位模塊的正常工作時間僅不到20 min，因此大大降低了由定位模塊產生的耗電，即在事后RTK的基礎上進一步降低了功耗。

3 定位實驗及數據處理

3.1 定位實驗

為驗證事后RTK定位精度以及功耗，展開了室外GNSS定位實驗，首先將基站與節點的天線固定在不同位置的支架上，并在實驗開始前，測量了基站與節點的距離為6.85 m，為后期驗證定位精度提供對照，隨后基站與節點的接收機同時上電，接收衛星信號并將星歷文件和觀測數據存入存儲卡中，工作16 min后下電，分別讀取基站與節點的存儲卡，并對其中數據進行處理得到最終的定位結果，實驗現場如圖7。

3.2 數據處理

接收機輸出的數據處理是將模塊輸出的UBX數據分離并轉換為RTK定位所用的RENIX文件最終通過RENIX文件得到位置信息，其具體流程如圖8所示。

為方便數據處理，將接收機輸出數據格式設置為十六進制的UBX協議，并根據RTK解算，需要接收機提供原始觀測數據以及星歷文件，配置模塊僅輸出UBX協議下的AID-ALM、RXM-SFRBX以及RXM-RAWX三種數據幀，其中第一項為星歷文件，第二項為導航數據子幀，第三項為觀測數據，這三類信息對應的數據在定位作業過程中不斷輸出，并通過串口存儲模塊存儲到SD卡中，數據輸出的頻率可設置為1～10 Hz，考慮到數據輸出頻率高有利于提高定位精度，將數據輸出頻率設置為10 Hz。在定位作業結束后，讀取存儲卡中存儲的數據文件—UBX文件，將UBX文件導入到RTKLIB中，即可得到單個模塊的RENIX格式的O文件和N文件，其中O文件為觀測文件，主要內容為該模塊觀測到的衛星信號的載波相位、C/A碼偽距、多普勒頻率以及信噪比等內容。N文件為導航文件，用于提供該模塊觀測到的衛星的軌道參數，結合時間即可確定衛星此時的具體位置，同時由于衛星軌道變化緩慢，因此還能對該時間點以后的一段時間內衛星位置進行預測，通過模塊輸出的UBX數據文件處理后生成的O文件和N文件內容如圖9(a)、(b)所示。

因此結合O文件和N文件內容即可獲取接收機與衛星的距離以及對應衛星的位置，從而根據式(2)所示定位原理即可求出接收機的大致位置，同時通過結合Kalman濾波提高定位精度，其具體流程如圖10所示。

圖10流程中最后求得的固定解即為精確定位結果，而之前的浮點解即表現為一段漂浮的定位散點結果。

通過對固定解進行數據分析求出，普通定位下X軸標準差為1.304 m，Y軸標準差：1.391 3 m，Z軸標準差：1.987 3 m，顯然普通定位精度達不到傳感測試網絡節點的定位精度要求。進而探究RTK定位精度，RTK需要節點與基站兩處接收機的觀測文件，以及兩者中任意一個接收機輸出的導航文件，從而通過載波相位差分得到基線向量，再給出基站的位置，基線向量起點為基站位置，即可求出終點，即節點的精確位置，通過數據分析得出，RTK定位結果中，X軸標準差：0.002 7 m，Y軸標準差：0.005 1 m，Z軸標準差：0.003 5 m，均到達毫米級定位誤差，滿足監測網絡對網絡中節點的定位精度要求。定位結果散點圖如圖11所示，將兩種定位方法的數據分析結果如表1。

表1 兩種定位方法定位精度

同時對PPS同步時鐘信號進行了測試，結果如圖12，由圖12中可以看出，時鐘精度可達納秒級。

由于傳統WGS84坐標系給出的定位結果為經緯高，不方便數據分析，因此在ECEF坐標系下給出定位結果并以此進行數據分析，而后轉換為以基站位置為原點的基站坐標系形式給出，計算基站與節點距離，求RTK定位結果的均值并得出RTK解算下節點與基站距離為6.853 5 m，與實驗前測量的基站與節點實際距離相差3.5 mm，驗證了事后RTK定位結果精度可達到毫米級，同時，單個節點的定位模塊僅使用一根無源GPS天線，并通過統計事后RTK硬件所使用的各個芯片的功耗得出，事后RTK硬件功耗為132 mW，而市面上RTK產品的功耗普遍在5～30 W之間，即事后RTK定位在保證高精度定位結果的前提下實現了低功耗。

4 結論

1) 本文給出了RTK定位符合節點定位精度要求，但同時存在功耗大、無法實現網絡節點時鐘同步的問題。

2) 在硬件系統設計及定位方案上創新，使用定位模塊輸出的秒脈沖，使各節點采集數據實現時間同步。

3) 通過加入卡爾曼濾波提高定位速度，以及運行一段時間定位模塊，當數據足夠獲取高精度位置信息后使定位模塊待機，從而在傳統事后RTK基礎上實現高精度定位并有效降低功耗。

4) 通過定位實驗結果驗證了事后RTK能實現毫米級定位，滿足野外物探以及大地測量對測試網絡節點的定位精度要求，且時鐘同步精度也達到要求，并且硬件系統功耗低達132 mW。

5) 這一創新使較小體積的電池能保證節點系統工作數小時，節點在小體積基礎上能夠順利完成物理場的采集、監測任務。