北斗高精度定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其差分定位精度分析

冒蓉

（中國兵器工業(yè)集團(tuán) 北方信息控制研究院集團(tuán)有限公司，江蘇 南京211153）

許多物料廠普遍存在物料成堆存放，貨車進(jìn)出料場采用刷卡有一定監(jiān)管過程，鏟車向貨車堆貨缺乏監(jiān)管，造成貨車與鏟車司機(jī)串通對物料廠造成巨大損失，物料廠24 小時(shí)作業(yè)，采用人工監(jiān)管手段需耗費(fèi)大量人力，采用定位方式識(shí)別記錄鏟車的位移，可以把控物料的管理。技術(shù)的關(guān)鍵是定位方式，目前市面上通用定位技術(shù)有衛(wèi)星定位，WiFi 定位等，衛(wèi)星定位應(yīng)用最普遍，GPS 對民用領(lǐng)域限制，精度僅達(dá)到10m 左右，北斗定位系統(tǒng)可達(dá)到2.5m 的精度，配合地面基站增強(qiáng)定位，選用北斗可以很好的監(jiān)測鏟車軌跡。

1 衛(wèi)星定位導(dǎo)航原理

衛(wèi)星定位采用無線電測距方式，光速量級(jí)很大需要測得時(shí)延精確，衛(wèi)星原子鐘誤差可達(dá)到每2000 萬光年1 秒，但原子鐘價(jià)格昂貴，一般用戶采用石英晶振，但誤差比原子鐘大1 萬倍。定位要指導(dǎo)用戶經(jīng)緯度與時(shí)鐘，每顆衛(wèi)星可測一次距離，需同時(shí)收到四顆衛(wèi)星發(fā)射信號(hào)。衛(wèi)星原子鐘每日通過地面校準(zhǔn)，傳播時(shí)延收到天氣等多種因素影響[1]。

采用單純衛(wèi)星定位精度只能到米級(jí)，衛(wèi)星定位收到多種因素影響產(chǎn)生誤差，衛(wèi)星軌道誤差的影響對定位精度影響最大。可采用差分定位技術(shù)，在已知精確坐標(biāo)點(diǎn)建立地面觀測基站，通過衛(wèi)星坐標(biāo)得到坐標(biāo)數(shù)據(jù)，與已知數(shù)據(jù)插值作修正值發(fā)送終端用戶，可通過修正值修正自身位置信息，使精度達(dá)到亞米級(jí)。

鏟車軌跡識(shí)別系統(tǒng)框架

RTK 差分定位技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，RTK 是實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分測量技術(shù)，可以測得觀測站指定坐標(biāo)系中三維定位結(jié)果，最早應(yīng)用于GPS 高精度定位，在北斗高精度定位中得到快速推廣。基準(zhǔn)站將測得載波相位值通過廣播發(fā)送終端用戶，采用動(dòng)態(tài)差分算法求得與基準(zhǔn)站相對位置，根據(jù)坐標(biāo)值求得用戶瞬時(shí)坐標(biāo)位置，可以通過無線電臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的廣播。RTK 技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是誤差可達(dá)厘米級(jí)，具有超高的作業(yè)效率，采用RTK 技術(shù)可達(dá)到全天候測量，其缺點(diǎn)是受電離層影響，衛(wèi)星狀況限制，基站覆蓋范圍受到無線通信距離影響。實(shí)際工作中要對使用儀器設(shè)備有充分的了解，合理規(guī)劃作業(yè)流程。

2 鏟車軌跡識(shí)別系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

基于北斗衛(wèi)星定位的鏟車軌跡識(shí)別系統(tǒng)包括監(jiān)控中心，地面增強(qiáng)基站與車載終端設(shè)備。首先，確定物料堆放范圍，定義物料范圍近似圓，絕對坐標(biāo)可通過衛(wèi)星定位精確得到。其次，確定鏟車位置及物料堆的關(guān)系，通過鏟車位移判斷鏟車行駛方向，根據(jù)鏟車運(yùn)動(dòng)軌跡判斷運(yùn)動(dòng)階段，通過分析鏟車運(yùn)動(dòng)階段識(shí)別鏟車裝載行為。

衛(wèi)星系統(tǒng)以北斗導(dǎo)航為主，目前衛(wèi)星導(dǎo)航模塊大多支持北斗模式，地面基站可租用現(xiàn)有基站服務(wù)，主要按月繳納數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)費(fèi)用。自行搭建基站成本較高，監(jiān)控中心主要由計(jì)算機(jī)與物料廠WiFi 玩兩個(gè)覆蓋系統(tǒng)組成，設(shè)備終端以嵌入式先進(jìn)精簡指令集微處理器芯片為核心組成車載智能化設(shè)備。鏟車軌跡識(shí)別設(shè)備以ARM芯片處理器為核心，包括傾角傳感器模塊IC 讀卡器模塊，語音合成播報(bào)模塊，顯示器模塊[2]。

終端用戶設(shè)備核心選用ARM處理器，可選用現(xiàn)場可編程邏輯門陣列芯片，如搭載操作系統(tǒng)做算法處理，選用S3C2440ARM處理器。采用哈佛架構(gòu)體系，具備內(nèi)存管理單元，具有豐富的片上外設(shè)資源。傾角傳感器用于判斷車碧所處角度，判斷鏟車物料動(dòng)作狀態(tài)，選用SCA100T-002 高精度傳感器芯片，具有較高的精度。高精度定位定向模塊是鏟車軌跡識(shí)別的關(guān)鍵硬件， 應(yīng)選擇高性能的多模式定位芯片。GT-1612-MTBD 模塊，可切換定位模式為GPS 與北斗雙模。

電子指南模塊選用GY-26 芯片，是平面數(shù)字羅盤模塊，工作原理是通過磁傳感器相互垂直軸感應(yīng)磁場磁分量得出方位角度，芯片具有重新標(biāo)定功能，具有硬件校準(zhǔn)功能，適應(yīng)不同的工作環(huán)境。IC 卡讀卡器模塊用于讀取IC 中的信息，將需要寫入的信息寫入IC 卡中，選用MFRC522 芯片，體積小，成本低。語音模塊發(fā)送鏟車司機(jī)的重要信息語音播報(bào)，如司機(jī)到錯(cuò)誤物料堆區(qū)域發(fā)出警告，語音合成模塊由語音合成芯片，揚(yáng)聲器組成。

3 北斗高精度定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證

可采用中心打點(diǎn)法測得中心坐標(biāo)位置，要保證高精度增強(qiáng)基站與WiFi 網(wǎng)絡(luò)建成，將車載定位設(shè)備放置在物料堆中心點(diǎn)，保證設(shè)備供電正常，設(shè)備自動(dòng)運(yùn)行，通過靜態(tài)位置測試得到精度高的位置信息，可達(dá)到10cm 的精度。

計(jì)算鏟車位置角度數(shù)據(jù)以正北方向?yàn)?°角為基準(zhǔn)，不同地點(diǎn)磁偏角不同，監(jiān)控中心修正值修整設(shè)備上傳方位信息，終端設(shè)備上傳方位信加修正值為實(shí)際需要的方位信息。全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)天線采用高精度地質(zhì)羅盤定北，要先校正當(dāng)?shù)氐拇牌牵赏ㄟ^網(wǎng)絡(luò)查詢，指北針結(jié)果較為粗略。軌跡識(shí)別模塊基本完成基本工程實(shí)現(xiàn)。

采用GNSS 測量天線，固定解輸出定位信息，選擇間隔約101 的固定點(diǎn)測試，用谷歌地球1m 分辨率加標(biāo)尺測量點(diǎn)偏差距離。在500m 內(nèi)精度可達(dá)到厘米級(jí)。100m 范圍內(nèi)采用GNSS 測量天線，用谷歌地球1m 分辨率分析，用合眾UP871 作基準(zhǔn)站。去除車輛行走中的搖擺等因素，流動(dòng)站定位精度達(dá)到10cm 左右。

鏟車車載終端讀取IC 卡信息，監(jiān)控中心從地圖中獲取II中心絕對經(jīng)緯度坐標(biāo)PU 及物料II 最大區(qū)域半徑為25m，鏟車運(yùn)行速度大于1km/h，判斷鏟車向物料II 區(qū)前進(jìn)。鏟車速度小于1km/h，通過車載設(shè)備定位定向模塊獲取鏟車實(shí)際方位角φ 為83.34°，通過鏟車位置信息O 及物料中心位置信息，計(jì)算鏟車指向物料中心角度為33.69°，分析得到φ2 為78.69°，可判斷鏟車裝載物料錯(cuò)誤，避免鏟車司機(jī)錯(cuò)裝物料。

鏟車車載讀取IC 卡信息，監(jiān)控中心從地圖獲取IV 中心絕對經(jīng)緯度坐標(biāo)P 及物料最大區(qū)域半徑為20m，鏟車速度小于1km/h，通過車載設(shè)備定位定向模塊獲取鏟車實(shí)際方位角φ 為100.53°，通過鏟車位置信息O 及物料中心位置信息，計(jì)算鏟車指向物料中心角度為82.7975°，分析得到φ2 為127.7975°，可判斷鏟車裝載物料正確。鏟車速度大于1km/h，判斷鏟車向貨車卸載物料IV。鏟車裝載累計(jì)次數(shù)達(dá)到裝載次數(shù)5。避免司機(jī)多裝物料。通過反復(fù)模擬實(shí)驗(yàn)取得良好效果，效率高，防止了人工管理造成各種糾紛，未發(fā)生明顯差錯(cuò)事故，切實(shí)保障了貨場的經(jīng)濟(jì)利益。