CN109343090A - 一种嵌入式gps/ bds/glonass实时精密单点定位设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种嵌入式GPS/BDS/GLONASS组合的实时精密单点定位设备，硬件平台主要包括ARM核心板、GNSS天线、卫星定位模块、存储模块、显示模块、电源模块、串口通信模块以及网络通信模块，各个模块安装在硬件平台的底板上。然后通过外壳将各模块包装起来，以便于手持设备进行外业测试。本发明采用ARM9系列的S3C2440为主控芯片，性能高效，功耗低，为设备提供强大的接口模块和扩展资源，可保证定位解算的实时性和有效性。在硬件平台的基础上移植Linux操作系统，构建软件开发环境，在此基础上开发了嵌入式GPS/BDS/GLONASS实时精密单点定位软件，使用实时高精度轨道和钟差，能实现静态厘米级、动态亚分米级的定位精度，具有重要的工程价值。
Description
所属领域
本发明涉及一种实时动态单点定位技术，属于全球导航卫星系统(GNSS)高精度定位技术领域，具体涉及一种嵌入式GPS/ BDS/GLONASS实时精密单点定位设备。
背景技术
目前最常用的GNSS高精度定位模式是RTK技术，RTK技术是一种利用GNSS载波相位观测值进行实时动态相对定位的技术。它的原理是对于原始观测值进行双差，来消除卫星钟差、接收机钟差等公共误差项，并削弱电离层延迟、对流层延迟等误差项的影响，从而实现高精度定位。该方法无需进行误差改正，待估参数很少，而且双差模糊度具有整数特性，因此在工程领域具有广泛应用。在RTK定位中，至少需要两台接收机同步观测，对于大范围作业，为了提高精度，还要增加参考站个数，这无疑增加了工程成本，因此，在这背景下产生了精密单点定位技术。
精密单点定位技术(Precise Point Positioning，简称PPP)利用全球若干地面跟踪站的观测数据计算出精密卫星轨道和卫星钟差，对单台接收机所采集的相位和伪距观测值进行定位解算。该项技术摆脱了依据差分模式才能获得高精度位置信息的现状，摆脱了地面基准站相对定位带来的区域限制。PPP将高精度定位应用领域扩展到辽阔的海洋、浩瀚的沙漠和广袤的南北极，具有广阔的应用前景，因此，研发高精度精密单点定位设备具有重大的意义。
发明内容
为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供了一种嵌入式GPS/ BDS/GLONASS实时精密单点定位设备，可实时跟踪BDS-B1/B2、GPS-L1/L2/L5、GLONASS-L1/L2三系统七频点卫星数据，结合通过网络获取的实时精密钟差轨道改正数据 ，通过多种误差建模以及卡尔曼滤波进行参数估计，可实现实时静态和动态精密单点定位。多系统融合增加了卫星数，能够有效较少收敛时间，提高定位精度，提供定位的可靠性和可用性，可达到静态定位厘米级，动态定位分米级的定位精度。
本发明提供了一种嵌入式GPS/BDS/GLONASS 实时精密单点定位设备，可以实时通过天线获取GPS、BDS、GLONASS的原始数据，结合通过网络获取的三系统实时精密钟差轨道改正数据，计算实时精密轨道和钟差，通过多种模型进行误差改正，卡尔曼滤波进行参数估计，可实现双频GPS/BDS/GLONASS实时精密单点定位。三系统的原始数据增加了卫星数，能够有效较少收敛时间，提高定位精度，可达到静态定位厘米级，动态定位亚分米级的定位精度。将高精度定位领域扩 展到尚未组建CORS网的地区，为广大GNSS用户，特别是为困难和偏远地区的高精度定位提供了新的技术支持和解决方案。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种嵌入式GPS/BDS/GLONASS 实时精密单点定位设备，硬件平台包括ARM核心板、串口通信模块、网络通信模块、卫星定位模块、电源模块、显示模块、存储模块。其中电源模块为整个硬件平台提供动力，卫星定位模块外接GNSS天线。
所述ARM核心板包括ARM处理器、Nand Flash、SDRAM，使用ARM9系列的S3C2440A处理器作为主控芯片，他是一款RISC微处理器，采用5级流水线处理方法，能够满足精密单点定位对于运算速度和实时性的要求。存储模块由Nand Flash和 SDRAM存储器两部分组成。其中采用的Nand Flash存储器型号为K9F2G08，其大小为256MB，SDRAM模块采用两片EM63A165TS-6G作为内存，总计64M。
所述GNSS天线用于接收卫星信号，将电磁波信号转化为高频电流信号传送给所述卫星定位模块。
所述卫星定位模块的主要功能是处理通过GNSS天线收到的信号，将其进行调制、解调生成特定的OEM格式的原始数据。该模块基于和芯星通的UB380板卡，该板卡可支持BDSB1/B2/B3、GPS L1/L2/L5以及GLONASS L1/L2，载波相位观测值的精度优于1mm，可以实现长基线厘米级定位。它同时支持串口、USB接口和以太网接口等，方便用户对板卡进行远程控制。它的尺寸规格为：100mm×60mm×5.5mm，硬件尺寸兼容市场主流GNSS OEM板卡。
所述网络通信模块用于从网络实时获取实时精密轨道和精密钟差改正数以及实时电离层信息。由于外业测试不便使用有线网，因此通过SIM卡，来完成与外界通信的功能。
所述串口通信模块用于嵌入式硬件平台与本地设备相关数据的通信，在嵌入式Linux操作系统移植和后续PPP定位软件的调试过程中都会用到串口通信。由于核心板调试串口使用TTL电平表示数据，而PC机使用RS232电平表示数据，与TTL电平不兼容，因此使用RS232与TTL电平转换电路进行转换。电平转换电路采用2驱动器/2接收器的SP3232EEN芯片。
所述显示模块提供了可视化界面，用户可通过显示屏控制整个设备，可以通过触摸屏设置定位方式，服务器IP端口以及存储文件名等。并可以显示定位结果和定位卫星数等信息。显示模块基于AM335x套件。
所述电源模块是整个硬件平台工作的动力来源。为了满足嵌入式手持机方便携带，易于充电的要求。电源使用12V的锂离子电池组作为能量来源，它是一种单节锂电池组合。通常一节锂电池的电压为3.7V，几个单节锂电池经过串并联可以组合成12V的电池组，需要将12V的输入电压经过电压转换电路转换为5V和3.3V。使用开关电源转换芯片TPS5430加上必要的电阻、电容、二极管等完成电压转换。
所述存储模块用于实时存储GNSS原始观测数据、网络实时数据流和定位解算结果，可供事后解算验证使用。在ARM处理器 S3C2440A上集成了MMC/SD/SDIO主机控制器，用于访问外接的MMC、SD卡以及SDIO卡。因此，基于S3C2440A的主机控制器，使用Kinston8G SD存储卡构造存储模块。
然后构建嵌入式软件开发环境。首先向硬件平台移植Linux操作系统。整个过程包括U-boot的移植，Linux内核的移植和构建Linux根文件系统，然后在PC端安装Linux开发环境，首先在windows安装VMware，然后安装ubuntu，并在PC端和嵌入式端都安装交叉编译器arm-linux-g++，然后在PC端进行PPP软件部分的开发，将可执行文件复制到嵌入式硬件平台上运行。基于设备硬件平台的软件部分，包括以下步骤：
1)通过卫星定位模块获取OEM格式的原始电文，其中43号电文为观测电文，1047号电文为GPS导航电文，7号电文为BDS导航电文，获取后进行实时解码获取双频伪距、载波以及卫星轨道钟差信息。
2)通过网络通信模块接收RTCM3.1格式的原始电文。其中1060电文为GPS轨道钟差改正电文，1066电文为GLONASS轨道钟差改正电文，1160电文为BDS轨道钟差改正电文数电文，其中1060电文和1066电文通过NTRIP协议从IGS分析中心CLK81挂载点获取，1160电文通过TCP协议从武汉大学卫星导航中心获取。
3) 对数据进行预处理，剔除不健康卫星和观测值有粗差的卫星，并进行周跳探测。
4）以GPS卫星历元时间为基准完成三种卫星系统观测电文，导航电文，轨道钟差改正电文的匹配并统一三种卫星系统的坐标系统，通过广播星历和实时轨道钟差改正数，实时解算出GPS、BDS、GLONASS 的精密轨道和精密钟差。
5）使用无电离层组合模型作为PPP定位的观测模型，接着建立误差模型消除误差，包括对流层误差， 地球自转，相对论效应，天线以及海洋潮，最后通过卡尔曼滤波进行参数估计，逐个历元解 算得到定位结果。
6）将最终定位结果以及卫星信息输出到显示模块进行显示，并将所有数据存储到SD卡上。
本发明的有益效果是：
本发明提供的基于ARM的嵌入式GPS/BDS/GLONASS实时精密单点定位设备采用32位ARM微处理器，性能高效，功耗极低，在保证良好的人机交互的同时，其突出的性能也可保证精度单点定位的实时性和有效性。利用实时GPS/BDS/GLONASS实时轨道钟差增强改正信息，极大提高了实时轨道和钟差的精度。将高精度精密单点定位技术应用于手持设备中，可以使PPP实时高精度定位摆脱应用场合的限制，方便用户外业测量，降低了作业成本，改变了传统高精度定位依赖与基准站的定位模式，具有重要的工程价值；相对于单系统实时精密单点定位，多系统增加了可用卫星数，减少了收敛时间，提高了定位精度，其中静态定位精度可达到厘米级，动态定位精度可以达到亚分米级。
附图说明
图1为本发明的硬件平台结构图。
图2为本发明的电源模块原理图。
图3为本发明的UB380卫星板卡尺寸图。
图4为本发明的UB380卫星板卡引脚电路原理图。
图5为本发明的SIM卡外围电路图。
图6为本发明的存储模块原理图。
图7为本发明的设备主界面图。
图8为本发明的设备定位解算界面图。
图9为本发明的设备定位软件流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
实施例1：一种嵌入式GPS/BDS/GLONASS 实时精密单点定位设备，其ARM核心板分别连接存储模块、网络通信模块、串口通信模块、卫星定位模块、显示模块，其中卫星定位模块外接GNSS 天线。GNSS天线可以接收实时卫星信号，将电磁波信号转化为高频电流信号传送给卫星定位模块。卫星定位模块通过调制与解调的过程生成二进制格式原始数据，将原始数据作为输入量供后续定位研发使用。网络通信模块可以实时获取GPS、BDS、GLONASS的实时卫星轨道和钟差改正信息。串口通信模块主要用于硬件平台与本地设备相关数据通信，如进行嵌入式Linux操作系统的移植，PPP应用软件的调试，显示模块用于TCP服务器信息设置和卫星定位信息的显示。存储模块用于存储实时观测电文、导航电文和实时轨道钟差改正电文以及定位结果。电源模块是整个平台工作的动力来源，各个模块都安装在底板上。
实施例2: ARM核心板包括ARM处理器、Nand Flash、SDRAM，使用ARM9系列的S3C2440A处理器作为主控芯片，他是一款RISC微处理器，采用5级流水线处理方法，它的主要特点包括：采用多电压域和多时钟域的控制技术，有效降低了芯片功耗；具有丰富的通信端口，可支持、USB、SPI等常见端口；可以支持Linux、VxWorks、Wince等多种操作系统；具有130个通用I/O口，并有24个外部中断源。能够满足精密单点定位对于运算速度和实时性的要求。Nand Flash是非易失性存储器，它的特点是块页式存储、容量比较大、读写速度块。它的主要功能是储存嵌入式;Linux系统的u-boot文件、内核文件、根文件等系统软件以及PPP定位所需天线改正文件等, SDRAM存储器作为嵌入式系统运行的内存，为PPP软件的高效执行提供了良好的工作环境，采用两片EM63A165TS-6G型SDRAM存储器作为内存，共为64M 。
实施例3:卫星定位模块基于和芯星通的UB380板卡，该板卡可支持BDS B1/B2/B3、GPS L1/L2/L5以及GLONASS L1/L2，载波相位观测值的精度优于1mm ，可以实现长基线厘米级定位。它同时支持串口、USB接口和以太网接口等，方便用户对板卡进行远程控制。它的尺寸规格为：100mm×60mm×5.5mm，硬件尺寸兼容市场主流GNSS OEM板卡。
实施例4:使用移动SIM卡及其外部电路构成网络通信模块。SIM卡，也被成为用户身份识别卡，它可以唯一标识一个用户，实际上是带有微处理器的芯片，内部共分为5个模块，分别是CPU、程序存储器、工作存储器、数据存储器和串行通信单元，它们集成在同一块集成电路中。在与外部连接时，至少需要5个连接线，分别为电源、时钟、复位、接地端和数据I/O口。
实施例5：电源模块是整个硬件平台工作的动力来源。为了满足嵌入式手持机方便携带，易于充电的要求。电源使用12V的锂离子电池组作为能量来源，它是一种单节锂电池组合。通常一节锂电池的电压为3.7V，几个单节锂电池经过串并联可以组合成12V的电池组。它还具有重量轻、使用寿命长、无记忆效应、高低温适应性强、绿色环保等优点。通过分析硬件平台各个模块的工作电压、电流、功率可知，网络通信模块、串口通信模块、卫星定位模块和存储模块需要3.3V的电压，而ARM核心板、显示模块需要提供5V电压。可以通过一个电压转换电路转换为5V和3.3V两种电压，提供给各个模块。选用 TI公司的DC/DC开关电源转换芯片TPS5430进行电压转换，在TPS5430芯片外部加上必要的电感、电阻、电容、二极管等组成5V和3.3V两路输出电压。
实施例6：显示模块基于AM335x套件，包括AM335x ARM Cortex-A8处理器，可为图形以及工业通信引脚的可扩展性；包括4.3英寸LCD触摸屏（5.1英寸x 2.6 英寸），通过板载加速计支持倾斜和旋转功能，分辨率高达2048*2048，包括多达2个控制器局域网（CAN）端口，支持CAN2.0，它提供了可视化界面，用户可通过显示屏控制整个设备，可以通过触摸屏设置定位方式，服务器IP端口以及存储文件名等。。
实施例6：选取Linux操作系统作为设备的操作系统，并进行移植，整个过程包括U-boot的移植，Linux内核的移植和构建Linux根文件系统，在PC端完成应用软件开发，将可执行程序移植到嵌入式设备。
应用软件通过卫星定位模块获取OEM格式的原始电文，采样率为1秒，其中43号电文为观测电文，1047号电文为GPS导航电文，7号电文为BDS导航电文，723号电文为GLONASS导航电文，获取后进行实时解码得到双频伪距、载波以及卫星轨道钟差信息。
随后软件通过运行一个TCP客户端接收RTCM3.1格式的1160电文，运行一个NTRIP客户端获取RTCM3.1格式的1060电文和1160电文。IP地址、端口号等可通过显示屏进行设置。
获取所有电文后进行实时解码。对解码后的观测数据进行预处理，剔除不健康卫星和观测值有粗差的卫星，并通过GF组合和MW组合进行周跳探测，保证伪距观测值和载波观测值的可靠。然后在同一个时空基准下计算实时卫星轨道和钟差。
本发明采用传统无电离层组合模型，通过双频组合消除了电离层延迟的低阶项，对于一些其他的系统误差，如对流层延迟干分量、卫星/接收机端天线相位中心偏差、相位缠绕、相对论效应、固体潮和海洋潮、地球自转效应等因素引出的误差可采用误差模型精确改正，对于一些难以精确模型化的误差，如对流层延迟湿分量则附加参数进行估计，在参数估计方面，采用卡尔曼滤波方法，原理时把被估计量作为系统的状态，用状态方程描述系统的状态转移，根据前一时刻的估值，通过状态方程计算该时刻的预测值，再由历元实测值和验前信息，计算出预测值的修正，滤波的过程就是不断“预测-修正”的递推过程，在GPS/BDS/GLONASSS三系统的PPP无电离层组合模型中，当连续观测卫星数为n时，其待估参数包括：接收机的位置参数3个、接收机钟差参数3个、天顶对流层湿延迟参数1个、无电离层组合模糊度n个，其观测方程的个数为2n，待估参数个数为n+7，自由度为n-7。
最后将定位卫星信息传输给显示模块进行显示，包括定位卫星数，卫星状态，定位信息，并将并将所有数据存储到SD卡上，以便事后分析。
本发明通过上述算法，实时定位可达到静态厘米级，动态亚分米级的定位精度。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种嵌入式GPS/ BDS/GLONASS实时精密单点定位设备，其特征在于：包括嵌入式硬件平台，所述硬件平台包括ARM核心板，ARM核心板连接串口通信模块、网络通信模块、存储模块、卫星定位模块、显示模块、电源模块，卫星定位模块外接GNSS天线，
GNSS天线用于接收GPS/BDS/GLONASS 卫星信号，将电磁波信号转化为高频电流信号传送给卫星定位模块，卫星定位模块主要是基于卫星OEM板卡实现的，用于将GNSS天线接收到的三系统卫星信号经过调制、解调得到OEM格式的卫星数据，供三系统实时PPP使用，
电源模块为嵌入式平台的各个功能模块提供稳定的电压，是整个平台工作的动力来源，
电源使用12V的锂离子电池组作为能量来源，通过电压转换电流将12V/1A的输入电源转换为5V/1A和3.3V/1A两种直流电源，为ARM核心板提供5V电压，为以太网模块、串口模块、卫星定位模块等提供3.3V电压，
串口通信模块用于嵌入式硬件平台与本地设备相关数据的通信，在嵌入式Linux操作系统移植和后续精密单点定位软件的调试过程中都会用到串口通信，
网络通信模块用于从网络实时获取实时精密轨道和精密钟差改正数，结合卫星定位模块的导航电文，可解算出实时精密轨道和实时精密钟差，
显示模块，用于卫星信息的显示，包括GPS卫星数目、BDS卫星数目，GLONASS卫星数目以及实时解算的定位坐标，此外还可以设置获取实时数据需要连接的TCP服务器和NTRIP服务器，
存储模块，用于存储原始观测数据和实时数据流，以及每个历元的定位结果。
2.根据权利要求1所述的一种嵌入式GPS/ BDS/GLONASS实时精密单点定位设备，其特征在于：所述主控芯片为ARM系列的S3C2440，并集成了Nand Flash和SDRAM。
3. 根据权利要求1所述的一种嵌入式GPS/ BDS/GLONASS实时精密单点定位设备，其特征在于：所述卫星定位模块采用了和芯星通的UB380板卡，可支持信号频段包括BDS B1/B2/B3、GPS L1/L2/L5以及GLONASS L1/L2。
4. 根据权利要求1所述的一种嵌入式GPS/ BDS/GLONASS实时精密单点定位设备，其特征在于：网络通信模块采用移动SIM卡实现网络通信，并完成了SIM卡的外围电路。
5. 根据权利要求1所述的一种嵌入式GPS/ BDS/GLONASS实时精密单点定位设备，其特征在于：电源模块的电压转换电路选用DC/DC开关电源转换芯片TPS5430，将12V直流电源作为TPS5430的输入电源，在TPS5430芯片外围加入必要的电阻、电容、二极管组成5V和3.3V两路输出电压。
6.一种嵌入式GPS/ BDS/GLONASS实时精密单点定位设备的软件运行方法，其特征在于： 包括以下步骤：
1)设置卫星定位模块输出的OEM格式原始电文格式，使其输出OEM的43、7、723、1047电文，并设置采样率为1s，其中43号电文为观测电文，1047号电文为GPS导航电文，7号电文为BDS导航电文，723电文为GLONASS导航电文，获取后进行实时解码获取双频伪距、载波以及卫星广播星历；
2)通过NTRIP协议从IGS分析中心CLK81挂载点接收RTCM3.1格式的1060电文和1160电文，其中1060电文为GPS轨道钟差改正电文，1160电文为BDS轨道钟差改正电文，通过TCP协议从卫星导航中心获取1066电文，即GLONASS轨道钟差改正电文；
3）对数据进行预处理，剔除不健康卫星和观测值有粗差的卫星，并进行周跳探测；
4）以GPS卫星历元时间为基准完成观测电文，导航电文，轨道钟差改正电文的匹配以及GPS、BDS、GLONASS三系统数据的融合，通过广播星历和实时轨道钟差改正电文，实时解算出GPS、BDS、GLONASS的实时精密轨道和精密钟差；
5）精密单点定位使用无电离层组合模型，建立各种误差模型消除误差，包括对流层误差，地球自转，相对论效应，卫星和接收机天线相位中心、固体潮、海洋潮、极潮，最后通过卡尔曼滤波进行参数估计，逐个历元解算得到定位结果，实现高精度定位；
6）将最终定位结果以及卫星信息输出到显示模块，包括卫星数目，卫星状态信息以及定位结果，并将所有原始文件存储到SD卡上。
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