動(dòng)態(tài)定位系統(tǒng)-技術(shù)可行性簡(jiǎn)要分析

1、 動(dòng)態(tài)定位系統(tǒng)技術(shù)可行性簡(jiǎn)要分析報(bào)告1. 概述實(shí)現(xiàn)一個(gè)通過外部GPS定位系統(tǒng)完成基準(zhǔn)定位之后，可以脫離衛(wèi)星不依賴外部GPS系統(tǒng)自己獨(dú)立工作，為其它設(shè)備提供較高精度定位信息的定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)在完成基準(zhǔn)定位后提供的定位信號(hào)精度可以達(dá)到分米級(jí)甚至厘米級(jí)。2. 工作原理該系統(tǒng)工作原理與Locata定位系統(tǒng)原理類似，該系統(tǒng)組成包括GPS衛(wèi)星、定位模塊、中控設(shè)備、GPS信號(hào)發(fā)生器或發(fā)生模塊和GPS終端設(shè)備。a) 通過外部定位模塊從衛(wèi)星獲取到高精度的基準(zhǔn)定位信息，用于模擬衛(wèi)星為終端設(shè)備提供定位信息。因獲取定位需要至少四顆衛(wèi)星，所以需要至少四個(gè)定位模塊。四個(gè)定位模塊時(shí)鐘同步。b) 四個(gè)定位模塊獲取到的定位信息

2、通過通信協(xié)議分別給到中控設(shè)備，中控設(shè)備；中控設(shè)備控制四個(gè)定位模塊，進(jìn)行組網(wǎng)邏輯管理；中控設(shè)備控制GPS信號(hào)發(fā)生器，提供給終端GPS設(shè)備使用。c) 終端GPS設(shè)備包括靜止或移動(dòng)，可以從GPS信號(hào)發(fā)生器中獲取到定位信號(hào)。3. 實(shí)施路線該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，硬件上主要通過采購市面成熟的產(chǎn)品然后集成，軟件主要在嵌入式和移動(dòng)平臺(tái)上做一些開發(fā)。 a) 定位模塊從衛(wèi)星獲取定位信息，可以基于普通手機(jī)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，編寫一個(gè)APP應(yīng)用通過差分或動(dòng)態(tài)分布的方式獲得較高定位精度，在此基礎(chǔ)上形成模擬的定位基站；也可使用一些成熟的定位模塊開發(fā)，獲取較高精定位信息的方式；b) 依賴工業(yè)平板或手機(jī)平臺(tái)，加上相關(guān)的通訊模塊實(shí)現(xiàn)一個(gè)定位基站

3、間的自組網(wǎng)邏輯，包含組織關(guān)系、注冊(cè)、控制和授時(shí)同步等；c) 采購相關(guān)成熟的定位信號(hào)發(fā)生模塊，由工業(yè)平板或手機(jī)平臺(tái)提供源定位信息及時(shí)鐘信息，由此形成一個(gè)定位信息服務(wù)網(wǎng)絡(luò)，提供的定位信號(hào)與GPS信號(hào)兼容；d) 使用普通手機(jī)或其它GPS設(shè)備測(cè)試，驗(yàn)證該定位系統(tǒng)提供定位信號(hào)的能力和精度。4. 技術(shù)難點(diǎn)4.1 如何保障源定位信息的精度？方式一、 基于普通手機(jī)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，主要用于驗(yàn)證 基于普通手機(jī)平臺(tái)，利用差分或動(dòng)態(tài)分布的算法，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化現(xiàn)有手機(jī)定位精確。定位精度有限，主要用于前期驗(yàn)證。方式二、 采購成熟定位模塊，實(shí)現(xiàn)精確定位，以下模塊三選一 K508 GNSS主板是司南航擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的全球首款三系統(tǒng)

4、八頻OEM主板，采用北斗三頻超遠(yuǎn)距離超快速的高動(dòng)態(tài)解算引擎，上百公里單歷元即可獲得分米級(jí)定位精度。 Trimble® BD970 GNSS系統(tǒng)是一款緊湊型的多星接收機(jī)，專為滿足各種精確到厘米級(jí)的定位精度應(yīng)用需求而設(shè)計(jì)。 Trimble® BD930 GNSS系統(tǒng)是一款緊湊型的多星接收機(jī)，專為滿足各種精確到厘米級(jí)的定位精度應(yīng)用需求而設(shè)計(jì)。4.2 定位模塊與主控設(shè)備的通訊方式如何實(shí)現(xiàn)？如何保證定位模塊內(nèi)部開發(fā)工作？ K508定位板模塊通訊方式為串口，BD970的通訊接口包括USB/Ethernet/RS232/CAN，BD930的通訊接口包括USB/Ethernet/RS232

5、。公司內(nèi)部第一次做定位相關(guān)的項(xiàng)目，已與Trimble代理商溝通，后期定位模塊后期開發(fā)中遇到的技術(shù)問題，可以用以下兩種方式進(jìn)行有效的溝通和協(xié)助解決。 在一般性的疑問和電路設(shè)計(jì)，可以通過產(chǎn)品操作手冊(cè)和實(shí)時(shí)的電話溝通以及實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程得到解決和回復(fù)。 在一些疑難問題的解決途徑上，建議將問題細(xì)節(jié)化，提供代理商，在技術(shù)深度來提供支持，必要時(shí)可以前往現(xiàn)場(chǎng)支持。 4.3 如何實(shí)現(xiàn)定位基站間的自組網(wǎng)邏輯？ 通過中控設(shè)備提供AP接入點(diǎn)的功能，四個(gè)定位模塊通過WIFI接入同一局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)，由中控設(shè)備實(shí)現(xiàn)組織邏輯管理。4.4 GPS信號(hào)發(fā)生器如何工作？發(fā)生器提供的信號(hào)覆蓋范圍？采購市面成熟的GPS信號(hào)發(fā)生器或

6、模塊，由中控設(shè)備通過相應(yīng)的通信協(xié)議控制GPS信號(hào)發(fā)生器或發(fā)生模塊工作。為增強(qiáng)發(fā)生器提供的信號(hào)覆蓋范圍，可選用高性能的發(fā)射天線。5. 前期調(diào)研5.1 定位模塊選型已就市場(chǎng)成熟的模塊做調(diào)研，參考下表供應(yīng)商上海司南深圳銓順宏模塊型號(hào)OEM K508Trimble BD970Trimble BD930支持衛(wèi)星GPS,GLONASS,BDS通訊接口RS232USB/Ethernet/RS232/CANUSB/Ethernet/RS232測(cè)量精度分米級(jí)厘米級(jí)尺寸不詳100*60*11.6mm51*41*7mm價(jià)格含稅約28000￥含稅約16000￥含稅約14000￥備注價(jià)格較貴需配套開發(fā)板，另約2000￥

7、表一 定位模塊比較上海司南K508模塊為OEM板，兼容進(jìn)口板卡的物理尺寸、電氣接口以及指令報(bào)文，可完全替代進(jìn)口板卡，但考慮到價(jià)格，已初步排除司南K508模塊。Trimble導(dǎo)航公司成立于1978年，數(shù)十年來一直在GPS技術(shù)開發(fā)和實(shí)際應(yīng)用方面處于全球行業(yè)領(lǐng)先地位。 BD970，是一款推廣度都很高的定位模塊，很多主流的GPS廠商都有使用，技術(shù)成熟，定位精度高；BD930，乃Trimble代理商工程部推薦的一款定位模塊，尺寸小便于集成，價(jià)格略較BD970便宜2000￥。代理商可以提供開發(fā)過程中的技術(shù)支持，配套開發(fā)板可以提需求付費(fèi)定制。初步選型在二者中選一，具體以在開發(fā)時(shí)是否涉及到CAN通信來定。5.

8、2 GPS信號(hào)發(fā)生器圖1.信號(hào)發(fā)生器在定位模塊實(shí)現(xiàn)基準(zhǔn)定位后，由中控設(shè)備通過相應(yīng)協(xié)議控制GPS信號(hào)發(fā)生部分，GPS信號(hào)發(fā)生器或者發(fā)生模塊模擬衛(wèi)星發(fā)射GPS信號(hào)，為GPS終端設(shè)備提供工作信號(hào)。GPS信號(hào)發(fā)生器或發(fā)生模塊，初步咨詢價(jià)格約在含稅28000￥，大致工作框圖如下，圖2.信號(hào)發(fā)生器工作原理因發(fā)射部分的發(fā)射天線與定位模塊接收天線存在位置上的不同，為盡量減小誤差，提高定位精度，可以在將定位模塊和發(fā)射模塊封裝成產(chǎn)品時(shí)，定量描述出天線位置的差異，定位時(shí)使用軟件編程做補(bǔ)償。5.3 成本預(yù)估對(duì)整個(gè)動(dòng)態(tài)定位系統(tǒng)而言，為模擬出4顆衛(wèi)星，即需要4套定位模塊、中控設(shè)備、GPS信號(hào)發(fā)生模塊，將每一套封裝成一個(gè)設(shè)

9、備模擬成衛(wèi)星即偽衛(wèi)星，單顆偽衛(wèi)星采購成本預(yù)估4000050000￥，如果采用固定點(diǎn)位置裝訂方式時(shí)（衛(wèi)星位置通過外部設(shè)定或人工輸入），單顆偽衛(wèi)星采購成本預(yù)估30000￥。5.4 精確定位算法對(duì)定位模塊獲得的地理位置信息，都存在一些誤差。這些誤差主要來自三部分。一部分是衛(wèi)星鐘誤差、星歷誤差、電離層誤差等；第二部分傳播延遲誤差；第三部分是接受新號(hào)產(chǎn)生的誤差。目前處理這些誤差讓定位更加精確的算法主要有四種：利用偽距觀測(cè)值計(jì)算差分改正數(shù)；利用相位平滑偽距觀測(cè)值計(jì)算差分改正數(shù)；利用載波相位差分改正數(shù)；利用位置差分改正數(shù)。偽距差分是應(yīng)用成熟度最高的GPS差分定位技術(shù)之一，參考站上的GPS接收機(jī)測(cè)得與所有可視

10、衛(wèi)星的測(cè)量距離，同參考站真實(shí)坐標(biāo)與各衛(wèi)星的真實(shí)距離進(jìn)行比較，通過濾波器求出測(cè)量距離和真實(shí)距離之間的偏差（即偽距改正數(shù)），然后參考站將偽距改正數(shù)發(fā)送給移動(dòng)站，移動(dòng)站利用偽距改正數(shù)自身測(cè)量偽距，最后，移動(dòng)站通過糾正后的偽距解算出誤差較小的坐標(biāo)值。位置差分是最常見的GPS差分定位技術(shù)，主要原理是參考站上的GPS接收機(jī)連續(xù)接收4顆或4顆以上的可視衛(wèi)星信號(hào)并解調(diào)，解算出參考站的測(cè)量坐標(biāo)。因?yàn)槎ㄎ粫r(shí)會(huì)受到衛(wèi)星星歷、衛(wèi)星鐘、對(duì)流層等誤差影響，解算的測(cè)量坐標(biāo)與參考站真實(shí)坐標(biāo)之間存在差值（即改正數(shù)），移動(dòng)站接收到參考站通過數(shù)據(jù)鏈路發(fā)送的改正數(shù)后對(duì)其自身坐標(biāo)進(jìn)行糾正，實(shí)現(xiàn)位置差分。偽距差分本質(zhì)是對(duì)參考站與移動(dòng)站之

11、間的觀測(cè)偽距值進(jìn)行求差，盡管無法避免偽距值得隨機(jī)誤差，但大大降低了兩偽距值得共同系統(tǒng)誤差。另外，載波相位測(cè)量的精度較測(cè)距碼測(cè)量的精度高2個(gè)數(shù)量級(jí)，但是載波相位整周數(shù)無法直接獲取。相位平滑偽距差分在兩測(cè)站求差的基礎(chǔ)上，在兩歷元間再次求差，利用歷元間的相位差觀測(cè)值對(duì)偽距進(jìn)行修正，消除了整周未知數(shù)，從而提高了定位精度。載波相位差分技術(shù)又稱為RTK技術(shù)，參考站上的接收機(jī)連續(xù)觀測(cè)衛(wèi)星，移動(dòng)站接收自身衛(wèi)星載波的同時(shí)，又接收來自參考站的載波觀測(cè)量和參考站坐標(biāo)，實(shí)時(shí)地處理數(shù)據(jù)，解算自身的坐標(biāo)結(jié)果。5.5 實(shí)際驗(yàn)證算法現(xiàn)有的移動(dòng)設(shè)備上自帶有GPS定位功能，得到的定位值是經(jīng)過差分算法計(jì)算后的粗略值，根據(jù)芯片的不同

12、得到的值誤差波動(dòng)很大。此時(shí)的值可以再次處理以得到更精確的值。根據(jù)自身的現(xiàn)有設(shè)備，我們利用手機(jī)自帶的GPS得到的坐標(biāo)點(diǎn)，然后對(duì)這些點(diǎn)用算法進(jìn)行后處理，可以就可以得到精確度較理想的定位。圖3.手機(jī)程序運(yùn)行圖5.6 動(dòng)態(tài)定位服務(wù)精度分析動(dòng)態(tài)定位系統(tǒng)定位服務(wù)絕對(duì)精度誤差的影響因素如下表：序號(hào)誤差來源項(xiàng)目誤差分析處理方法說明1.初始定位誤差分米、厘米提高GNSS模塊定位精度、軟件修正處理精度可控、可修正2.偽衛(wèi)星時(shí)鐘穩(wěn)定度隨使用時(shí)間增加而變大授時(shí)修正、溫控晶振、小型原子鐘、或容忍該誤差溫控晶振精度較短時(shí)間內(nèi)可以接受（數(shù)天）3.天線位置偏差與結(jié)構(gòu)或姿態(tài)相關(guān)天線與GNSS模塊整合設(shè)計(jì)，或結(jié)構(gòu)確定情況下軟件修正4.天線相位中心偏差通常影響較小(厘米)采用接收、發(fā)射一體化天線設(shè)計(jì)容忍該誤差5.發(fā)射信號(hào)通道不致性誤差器件相關(guān)選型及通過系統(tǒng)調(diào)試修正6.定位信號(hào)多路徑反射信號(hào)接收端處理與發(fā)射天線周邊信號(hào)反射物情況相關(guān)由于定位系統(tǒng)服務(wù)誤差影響因素，目前均有較成熟的工程處理手段或修正方法，估計(jì)動(dòng)態(tài)布置的定位服務(wù)系統(tǒng)經(jīng)過人工調(diào)試和修正后，可以達(dá)到提供分米、厘米精度定位服務(wù)信號(hào)的能力。6. 結(jié)論經(jīng)過前期調(diào)研分析，軟件