暢 毅，王 亮，黃勁松，史小奇，馮庚緒,3，吳建華

(1. 中國石油集團(tuán)東方公司裝備服務(wù)處長慶作業(yè)部，寧夏 銀川 750006； 2. 武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院， 湖北 武漢 430079； 3. 中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

基于BD930板卡的RTK測(cè)量系統(tǒng)研制

暢 毅1，王 亮2，黃勁松2，史小奇1，馮庚緒2,3，吳建華1

(1. 中國石油集團(tuán)東方公司裝備服務(wù)處長慶作業(yè)部，寧夏 銀川 750006； 2. 武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院， 湖北 武漢 430079； 3. 中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

針對(duì)物探測(cè)量作業(yè)中經(jīng)常會(huì)遇到密林、峽谷、窄溝等遮擋嚴(yán)重的不良環(huán)境，導(dǎo)致可視衛(wèi)星數(shù)減少、衛(wèi)星信號(hào)不穩(wěn)定，進(jìn)而造成定位結(jié)果精度下降、作業(yè)效率降低等問題。本文提出了使用多系統(tǒng)兼容的高靈敏度BD930板卡作為接收機(jī)主板，給出了板卡的控制方法。研制出了一款實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位手簿軟件，并且利用網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)搭建了差分?jǐn)?shù)據(jù)鏈，多次在實(shí)際物探測(cè)量作業(yè)環(huán)境下對(duì)整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的性能進(jìn)行了測(cè)試。結(jié)果表明，該系統(tǒng)在一定程度上提高了RTK適應(yīng)困難環(huán)境的能力，所搭建的差分?jǐn)?shù)據(jù)鏈?zhǔn)箿y(cè)量作業(yè)更加便捷、高效，能夠滿足工程應(yīng)用的需要。

物探測(cè)量作業(yè)；多系統(tǒng)兼容；BD930板卡；差分?jǐn)?shù)據(jù)鏈；RTK

RTK(real time kinematic)是利用全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(global navigation satellite system，GNSS)進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)相對(duì)定位的技術(shù)，在正常的觀測(cè)條件下，具有精度高和效率快的特點(diǎn)，是物探測(cè)量中的主要技術(shù)手段。但在山地、密林等地區(qū)進(jìn)行RTK測(cè)量時(shí)，由于植被或山體的遮擋，一方面容易造成衛(wèi)星信號(hào)失鎖[1]，導(dǎo)致可用衛(wèi)星不足；另一方面?zhèn)鹘y(tǒng)的無線電傳輸方式受限于“電磁波通視”[2]，信號(hào)易衰減，傳輸距離受到限制，且電臺(tái)功耗大，體積也大，影響作業(yè)效率[3]。

隨著中國北斗導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)(BDS)、美國全球定位系統(tǒng)(GPS)以及俄羅斯全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GLONASS)等的相繼建立與運(yùn)營，為多系統(tǒng)組合定位創(chuàng)造了條件。多系統(tǒng)組合能夠顯著增加可用衛(wèi)星數(shù)，增強(qiáng)衛(wèi)星分布幾何構(gòu)型，提高定位的可靠性和精度[4-5]。

美國的Trimble公司生產(chǎn)的BD930板卡支持對(duì)GPS、GLONASS三頻和BDS雙頻的信號(hào)跟蹤，該板卡采用了成熟的Trimble低仰角跟蹤技術(shù)，且可以獲得低噪聲、低多路徑、高動(dòng)態(tài)的偽距觀測(cè)數(shù)據(jù)以及1 Hz帶寬誤差lt;1 mm的低噪聲載波相位觀測(cè)值，BD930板卡的部分性能參數(shù)見表1。

由表1可知，BD930板卡支持多種差分協(xié)議，并具備自主故障檢測(cè)排除(FDE)功能和接收機(jī)自主完整性監(jiān)測(cè)(RAIM)功能，能夠提供厘米級(jí)精度的RTK定位結(jié)果。

表1 BD903板卡部分性能參數(shù)

鑒于BD930板卡的優(yōu)越性能，本文使用該板卡作為接收機(jī)主板，控制其進(jìn)行多系統(tǒng)組合RTK定位，增加可視衛(wèi)星數(shù)。同時(shí)利用網(wǎng)絡(luò)通信代替無線電通信，搭建差分?jǐn)?shù)據(jù)鏈，可以提高作業(yè)效率[6]。并且研制一套基于BD930板卡的RTK測(cè)量系統(tǒng)，以滿足物探測(cè)量中實(shí)際應(yīng)用的需要。

1 BD930板卡控制

1.1 藍(lán)牙通信

上海敦鋒公司的PB100接收機(jī)內(nèi)置了BD930板卡，并且具備藍(lán)牙模塊，本文正是通過藍(lán)牙接口控制該設(shè)備的。藍(lán)牙是一種短距離通信技術(shù)，現(xiàn)在多數(shù)移動(dòng)終端都支持藍(lán)牙功能。藍(lán)牙通信避免了數(shù)據(jù)線連接、設(shè)備驅(qū)動(dòng)的安裝等煩瑣的步驟[7]。

本文以Android系統(tǒng)的移動(dòng)終端作為手簿使用，Android系統(tǒng)從2.0版本之后開始支持藍(lán)牙，并且提供BluetoothAdapter、BluetoothDevice和BluetoothSocket 3個(gè)主要的藍(lán)牙開發(fā)類，這些類包含完善的API函數(shù)，可以方便地進(jìn)行藍(lán)牙程序開發(fā)。

其中,BluetoothAdapter類可以實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙搜索、藍(lán)牙信息(名稱和Mac地址等)的獲取、打開或關(guān)閉藍(lán)牙等功能；BluetoothDevice類可以描述一個(gè)藍(lán)牙設(shè)備；BluetoothSocket類可以創(chuàng)建藍(lán)牙，Socket(套接字)與遠(yuǎn)程藍(lán)牙設(shè)備建立連接并交換數(shù)據(jù)[8]。

藍(lán)牙通信的一般步驟是：①搜索藍(lán)牙，找到周邊可以被檢測(cè)到的藍(lán)牙設(shè)備；②請(qǐng)求配對(duì)，驗(yàn)證PIN碼(對(duì)于單片機(jī)，一般為“1234”)以完成配對(duì)；③數(shù)據(jù)傳輸或者斷開藍(lán)牙等操作。藍(lán)牙通信的具體程序?qū)崿F(xiàn)流程如圖1所示。

1.2 二進(jìn)制控制命令

BD930板卡支持Trimble特有的二進(jìn)制數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，根據(jù)其二進(jìn)制接口控制文件，可以獲知大部分控制命令及數(shù)據(jù)包的基本結(jié)構(gòu)，見表2。

圖1 藍(lán)牙通信程序流程

字節(jié)數(shù)項(xiàng)含義0STX(02h)起始標(biāo)志1STATUS接收機(jī)狀態(tài)2PACKETTYPE數(shù)據(jù)包類型3LENGTH數(shù)據(jù)流的字節(jié)數(shù)4～Length+3DATABYTES數(shù)據(jù)流Length+4CHECKSUM校驗(yàn)值Length+5ETX(03h)結(jié)束標(biāo)志

編寫二進(jìn)制命令，利用藍(lán)牙發(fā)送給BD930板卡，可以完成一般設(shè)置(如截止高度角、截止PDOP、RTK定位模式、工作模式、測(cè)量頻率等)，還可以選擇衛(wèi)星系統(tǒng)、差分?jǐn)?shù)據(jù)和結(jié)果數(shù)據(jù)輸出格式等。

定位結(jié)果數(shù)據(jù)以NMEA-0183、RT17/RT27的格式通過藍(lán)牙輸出，根據(jù)這兩種格式進(jìn)行解碼，可以獲得詳細(xì)的定位信息(如大地水準(zhǔn)面差距、坐標(biāo)信息、速度信息、衛(wèi)星情況、精度信息和解算信息等)。

2 差分?jǐn)?shù)據(jù)鏈搭建

2.1 網(wǎng)絡(luò)通信

本文利用網(wǎng)絡(luò)通信來傳輸差分?jǐn)?shù)據(jù)，因?yàn)楝F(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)十分普及，尤其是移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)覆蓋較廣，只需在移動(dòng)終端插入SIM卡，即可進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信。與傳統(tǒng)無線電傳輸方式相比，網(wǎng)絡(luò)通信的傳輸距離不受限制，并且不再需要電臺(tái)及蓄電池。

網(wǎng)絡(luò)通信可以通過Socket編程實(shí)現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)上兩個(gè)程序建立雙向的通信連接并交換數(shù)據(jù)，這個(gè)雙向鏈路的兩端分別為一個(gè)Socket，由IP地址和端口號(hào)唯一確定。對(duì)于在Android/Windows/Unix系統(tǒng)環(huán)境下，Socket編程主要是指基于TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)編程。

利用Socket來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信，使用Socket的函數(shù)建立連接并進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)，Socket之間的連接過程主要包含服務(wù)端監(jiān)聽、客戶端請(qǐng)求、連接確認(rèn)，程序?qū)崿F(xiàn)基本流程如圖2所示。

圖2 網(wǎng)絡(luò)通信基本過程

客戶端程序運(yùn)行在Android系統(tǒng)上，根據(jù)系統(tǒng)提供的Socket類，構(gòu)造客戶端Socket，方法如下：

Socket(String host,int prot)

其中，address和port分別是雙相連接中服務(wù)器的IP地址和提供的端口號(hào)，如

Socket client=new Socket(quot;121.42.8.170quot;,4952)

0～1023的端口號(hào)為系統(tǒng)所保留，如http服務(wù)的端口號(hào)為80，telnet服務(wù)的端口號(hào)為21，F(xiàn)TP服務(wù)的端口號(hào)為23，因此在選擇端口號(hào)時(shí)，最好選擇一個(gè)大于1023的數(shù)以防止發(fā)生沖突。

由于需要知道服務(wù)端的IP和端口，因此可使服務(wù)端程序運(yùn)行在具有公網(wǎng)IP的服務(wù)器(Ubuntu/Windows系統(tǒng))上，客戶端可以隨時(shí)進(jìn)行連接。

2.2 轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制

圖3 差分?jǐn)?shù)據(jù)傳輸示意圖

本文所搭建的數(shù)據(jù)鏈由基準(zhǔn)站和流動(dòng)站的移動(dòng)終端以及網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器構(gòu)成。在數(shù)據(jù)通信過程中，基準(zhǔn)站和流動(dòng)站的移動(dòng)終端分別作為客戶端與具有固定IP地址的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器建立連接。從基準(zhǔn)站得到sCMRx格式的差分?jǐn)?shù)據(jù)流，經(jīng)過中轉(zhuǎn)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)給各個(gè)流動(dòng)站的移動(dòng)終端。流動(dòng)站的移動(dòng)終端接收到基準(zhǔn)站的差分?jǐn)?shù)據(jù)后，再通過藍(lán)牙將數(shù)據(jù)寫入到板卡中，即可以進(jìn)行RTK解算，獲得定位結(jié)果。整個(gè)數(shù)據(jù)鏈的傳輸過程如圖3所示。

3 BD930測(cè)量手簿軟件

使用Java語言開發(fā)了一款基于Android系統(tǒng)的測(cè)量手簿軟件，該軟件主要包括兩種工作模式：①基準(zhǔn)站工作模式，可以設(shè)置參考站坐標(biāo)、差分?jǐn)?shù)據(jù)格式等；②流動(dòng)站工作模式，主要可以進(jìn)行RTK測(cè)量和靜態(tài)測(cè)量，此外還提供了項(xiàng)目管理、數(shù)據(jù)管理和實(shí)用工具等功能。軟件的功能模塊如圖4所示。

圖4 軟件功能模塊

其中，RTK測(cè)量功能可以連接網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器獲取差分?jǐn)?shù)據(jù)流，并監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)，同時(shí)設(shè)置板卡或向板卡寫入差分?jǐn)?shù)據(jù)(BD930板卡將自動(dòng)調(diào)用內(nèi)置的RTK定位程序進(jìn)行基線解算)，還可以讀取板卡返回的數(shù)據(jù)流(NMEA-0183、RT17/RT27)并進(jìn)行解碼，得到詳細(xì)的定位結(jié)果，用于進(jìn)行導(dǎo)航放樣或測(cè)量結(jié)果記錄，具體程序?qū)崿F(xiàn)流程如圖5所示。

此外BD930測(cè)量手簿軟件已具備較完善的操作界面，圖6所示為RTK測(cè)量功能的運(yùn)行界面，具有一定的可視化功能，用戶可用性較好。

4 系統(tǒng)測(cè)試與分析

4.1 試驗(yàn)1分析

試驗(yàn)1于2015年7月27日在甘肅省平?jīng)鍪袥艽h進(jìn)行，基準(zhǔn)站架設(shè)在中國石油集團(tuán)東方地球物理勘探有限責(zé)任公司的外業(yè)營地，流動(dòng)站則在密林等困難環(huán)境下進(jìn)行RTK測(cè)量。由于在該地區(qū)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)較差，中間有一段時(shí)間出現(xiàn)差分?jǐn)?shù)據(jù)傳輸受阻，導(dǎo)致不能順利得到固定解，因此這里截取其中一段路線的測(cè)量結(jié)果，路線如圖7所示。

圖5 RTK測(cè)量功能程序?qū)崿F(xiàn)流程

圖6 RTK測(cè)量功能運(yùn)行界面

圖7 試驗(yàn)1測(cè)量結(jié)果路線

圖7中的這段路線是沿著山丘上路旁的樹下行走的，樹木和山體形成了一定的遮擋作用，結(jié)果表明使用基于BD930板卡的測(cè)量系統(tǒng)可以得到固定解。該測(cè)量系統(tǒng)采用高靈敏度板卡和多個(gè)衛(wèi)星系統(tǒng)組合RTK定位模式，在困難環(huán)境下，也可以跟蹤到足夠的衛(wèi)星，測(cè)量中衛(wèi)星數(shù)的變化如圖8所示。

圖8 衛(wèi)星數(shù)變化

由圖8可知，在試驗(yàn)1中流動(dòng)站跟蹤到的衛(wèi)星數(shù)最小為18顆，最大是27顆，使用的衛(wèi)星數(shù)最小為5顆，最大是15顆，跟蹤到的衛(wèi)星數(shù)基本比對(duì)應(yīng)歷元上使用的衛(wèi)星數(shù)多10顆以上。這是因?yàn)槭褂玫男l(wèi)星是基準(zhǔn)站和流動(dòng)站的共視衛(wèi)星，另外高度角小于截止高度角、存在故障的衛(wèi)星也會(huì)予以排除，不參與定位解算。

此外，可以計(jì)算每個(gè)歷元的位置精度因子(PDOP)、幾何精度因子(GDOP)和觀測(cè)值殘差的均方根誤差RMS，得到變化曲線如圖9所示。

圖9 精度衰減因子和殘差均方根誤差

由圖9可知，觀測(cè)值殘差均在2 cm以內(nèi)，說明觀測(cè)值數(shù)據(jù)質(zhì)量較為穩(wěn)定，但是PDOP和GDOP值較大，說明了衛(wèi)星分布幾何構(gòu)型較差。此外，還可以得到定位結(jié)果坐標(biāo)分量的中誤差，并繪制成隨時(shí)間變化的曲線，如圖10所示。

圖10 定位結(jié)果中誤差

由圖10可知，N、E方向坐標(biāo)分量的中誤差十分接近，均在4 cm以內(nèi)，而U方向坐標(biāo)分量的中誤差較大，最大中誤差約為0.15 m，但大部分歷元的中誤差都為厘米級(jí)水平，說明內(nèi)符合精度較好。

4.2 試驗(yàn)2分析

鑒于試驗(yàn)1中測(cè)量結(jié)果沒有跟已知坐標(biāo)作比較，為了檢驗(yàn)本測(cè)量系統(tǒng)的絕對(duì)定位精度，因此2016年4月1日在寧夏回族自治區(qū)銀川市完成了試驗(yàn)2，方法是使流動(dòng)站分別在5個(gè)固定點(diǎn)上進(jìn)行RTK測(cè)量，將得到的定位結(jié)果與已知坐標(biāo)進(jìn)行比較。

由于固定點(diǎn)個(gè)數(shù)有限，為了盡可能獲得較多的定位數(shù)據(jù)并進(jìn)行精度分析，在測(cè)試過程中，對(duì)每個(gè)固定點(diǎn)重復(fù)測(cè)量4～5次，每次測(cè)量的定位結(jié)果也記錄1～11個(gè)歷元，將每次RTK測(cè)量定位結(jié)果的坐標(biāo)(WGS-84坐標(biāo))分量分別跟已知坐標(biāo)分量作差，得到定位誤差，誤差的具體數(shù)值見表3。

表3 固定點(diǎn)測(cè)量結(jié)果與已知坐標(biāo)比較

由表3可知，各個(gè)固定點(diǎn)上每次定位結(jié)果的坐標(biāo)分量(X，Y，Z)的誤差都在厘米級(jí)水平，為了便于直觀地分析絕對(duì)誤差的分布情況，可將各個(gè)點(diǎn)的定位結(jié)果誤差繪制成曲線，如圖11所示。

圖11 試驗(yàn)2定位誤差

由圖11可以看出，X分量的誤差均在1.5 cm以內(nèi)，Z分量的誤差均在2.5 cm以內(nèi)，Y分量最大不超過6 cm，因?yàn)樵谠摰貐^(qū)高程方向最接近WGS-84坐標(biāo)系的Y軸，而受到衛(wèi)星信號(hào)傳播路徑上的誤差影響， 高程方向上的定位精度相對(duì)水平方向上的精度要差。但是總體而言，由于在固定點(diǎn)上的遮擋較少，觀測(cè)環(huán)境良好，試驗(yàn)2的結(jié)果表明，基于BD930板卡的RTK測(cè)量系統(tǒng)可以達(dá)到幾個(gè)厘米的定位精度，而物探測(cè)量要求平面位置精度也是厘米級(jí)[9-10]。

5 結(jié)束語

利用多系統(tǒng)兼容、高靈敏度BD930板卡作為接收機(jī)主板進(jìn)行多系統(tǒng)(GPS、BDS、GLONASS等)組合RTK定位，在密林、峽谷等遮擋嚴(yán)重的困難環(huán)境下，可以顯著增加可用衛(wèi)星數(shù)，保證足夠的、質(zhì)量良好的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，從而提高獲得固定解的概率。同時(shí)采用移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通信代替?zhèn)鹘y(tǒng)的無線電搭建差分?jǐn)?shù)據(jù)鏈，省去了笨重的電臺(tái)及其蓄電池，從而使外業(yè)操作更加簡單，提高作業(yè)效率，降低了成本，且數(shù)據(jù)傳輸距離不受限制。此外開發(fā)了一款基于Android系統(tǒng)的測(cè)量手簿軟件，利用了藍(lán)牙通信技術(shù)控制板卡，該軟件具備較為完善的用戶界面，并提供了一定的可視化功能。實(shí)地測(cè)試證明，本文研制的RTK測(cè)量系統(tǒng)是可行的，在困難環(huán)境下具有一定的適應(yīng)能力，并且能夠獲得較高精度(厘米級(jí))的定位結(jié)果，可以滿足物探測(cè)量等實(shí)際應(yīng)用的需要。

[1] 暢毅，鄧晨斌，黃勁松，等. 聯(lián)合碼偽距和載波寬巷組合的相對(duì)定位技術(shù)研究[J]. 導(dǎo)航定位學(xué)報(bào)，2015，3(2)：102-106.

[2] 屈凱鋒. GPRS/CDMA數(shù)據(jù)鏈RTK在鐵路測(cè)量中的優(yōu)勢(shì)及相關(guān)設(shè)置[J]. 山西建筑，2014，40(13)：236-238.

[3] 劉全海，莊文彬，謝中華. RTK測(cè)量中的GPRS數(shù)據(jù)鏈設(shè)計(jì)[J]. 城市勘測(cè)，2007(4)：40-43.

[4] 汪亮，李子申，袁洪，等. BDS/GPS/GLONASS組合的雙頻單歷元相對(duì)定位性能對(duì)比分析[J]. 科學(xué)通報(bào)，2015，60(9)：857-868.

[5] 隋春玲，謝建濤，于合理，等. 基于GPS/GLONASS/BDS組合的單歷元單頻短基線RTK定位算法研究[J]. 測(cè)繪與空間地理信息，2015，38(10)：154-157.

[6] 巴合提亞爾，卡吾力江，聶波，等. 基于GPRS的GPS RTK技術(shù)在油田地面工程數(shù)據(jù)采集中的應(yīng)用[J]. 測(cè)繪與空間地理信息，2011，34(5)：122-126.

[7] 錢志鴻，劉丹. 藍(lán)牙技術(shù)數(shù)據(jù)傳輸綜述[J]. 通信學(xué)報(bào)，2012，33(4)：143-151.

[8] 李黎國，張輝，程號(hào). 基于Android健康服務(wù)終端藍(lán)牙傳輸軟件的設(shè)計(jì)[J]. 電子科技，2012，25(5)：115-118.

[9] 暢毅，張小紅，郭斐，等. 非差PPP快速靜態(tài)定位在物探測(cè)量中的應(yīng)用[J]. 測(cè)繪科學(xué)，2012，37(5)：33-48.

[10] 祝會(huì)忠.基于非差誤差改正數(shù)的長距離單歷元GNSS網(wǎng)絡(luò)RTK算法研究[J].測(cè)繪學(xué)報(bào)，2015，44(1)：116.

DevelopmentofRTKMeasurementSystemBasedonBD930Board

CHANG Yi1,WANG Liang2,HUANG Jinsong2,SHI Xiaoqi1，F(xiàn)ENG Gengxu2,3,WU Jianhua1

(1. Equipment Department of BGP, China National Petroleum Corporation, Yinchuan 750006, China； 2. School of Geodesy and Geomatics, Wuhan University, Wuhan 430079, China； 3. China Electronics Technology Group Corporation 54th Research Institute, Shijiazhuang 050081, China)

Geophysical survey often encounters adverse environment jungle, canyons, narrow ditch and so on. This results in the number of visible satellites reducing and unstable satellite signal. Then it causes the accuracy of the positioning results decrease, working efficiency reduce and so on. Towards this problem,the use of multi-system compatible and highly sensitive BD930 board as the receiver main board is proposed, and the control method of the board is showed. In addition,a set of real-time kinematic positioning hand-book software is developed, and the differential data chain is built through network communication technology. Tests on the performance of the whole measurement system under actual geophysical survey work environment are completed. Results show that to some extent the system improved the ability of RTK to adapt to different environments, the differential data chain built up makes the measurement operation more convenient and efficient, and the needs of engineering application can be met.

geophysical survey; multi-system compatible; BD930 board; differential data chain; RTK

P228.4

A

0494-0911(2017)01-0097-05

暢毅，王亮，黃勁松,等.基于BD930板卡的RTK測(cè)量系統(tǒng)研制[J].測(cè)繪通報(bào)，2017(1)：97-101.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0021.

2016-05-19

中國石油集團(tuán)東方公司裝備服務(wù)處科研項(xiàng)目(12-13-13-2014)

暢 毅(1966—)，男，高級(jí)工程師，主要從事GNSS及測(cè)繪新技術(shù)在石油工程測(cè)量等科研和應(yīng)用方面的工作。E-mail：chp_2001@163.com