动态定位系统-技术可行性简要分析

1动态定位系统技术可行性简要分析报告21.概述实现一个通过外部GPS定位系统完成基准定位之后，可以脱离卫星不依赖外部GPS系统自己独立工作，为其它设备提供较高精度定位信息的定位系统。该系统在完成基准定位后提供的定位信号精度可以达到分米级甚至厘米级。2.工作原理该系统工作原理与Locata定位系统原理类似，该系统组成包括GPS卫星、定位模块、中控设备、GPS信号发生器或发生模块和GPS终端设备。a)通过外部定位模块从卫星获取到高精度的基准定位信息，用于模拟卫星为终端设备提供定位信息。因获取定位需要至少四颗卫星，所以需要至少四个定位模块。四个定位模块时钟同步。b)四个定位模块获取到的定位信息通过通信协议分别给到中控设备，中控设备；中控设备控制四个定位模块，进行组网逻辑管理；中控设备控制GPS信号发生器，提供给终端GPS设备使用。c)终端GPS设备包括静止或移动，可以从GPS信号发生器中获取到定位信号。3.实施路线该系统的实现，硬件上主要通过采购市面成熟的产品然后集成，软件主要在嵌入式和移动平台上做一些开发。a)定位模块从卫星获取定位信息，可以基于普通手机平台实现，编写一个APP应用通过差分或动态分布的方式获得较高定位精度，在此基础上形成模拟的定位基站；也可使用一些成熟的定位模块开发，获取较高精定位信息的方式；b)依赖工业平板或手机平台，加上相关的通讯模块实现一个定位基站间的自组网逻辑，包含组织关系、注册、控制和授时同步等；c)采购相关成熟的定位信号发生模块，由工业平板或手机平台提供源定位信息及时钟信息，由此形成一个定位信息服务网络，提供的定位信号与GPS信号兼容；d)使用普通手机或其它GPS设备测试，验证该定位系统提供定位信号的能力和精度。34.技术难点4.1如何保障源定位信息的精度？方式一、基于普通手机平台实现，主要用于验证基于普通手机平台，利用差分或动态分布的算法，实现优化现有手机定位精确。定位精度有限，主要用于前期验证。方式二、采购成熟定位模块，实现精确定位，以下模块三选一①K508GNSS主板是司南航拥有完全自主知识产权的全球首款三系统八频OEM主板，采用北斗三频超远距离超快速的高动态解算引擎，上百公里单历元即可获得分米级定位精度。②Trimble®BD970GNSS系统是一款紧凑型的多星接收机，专为满足各种精确到厘米级的定位精度应用需求而设计。③Trimble®BD930GNSS系统是一款紧凑型的多星接收机，专为满足各种精确到厘米级的定位精度应用需求而设计。4.2定位模块与主控设备的通讯方式如何实现？如何保证定位模块内部开发工作？K508定位板模块通讯方式为串口，BD970的通讯接口包括USB/Ethernet/RS232/CAN，BD930的通讯接口包括USB/Ethernet/RS232。公司内部第一次做定位相关的项目，已与Trimble代理商沟通，后期定位模块后期开发中遇到的技术问题，可以用以下两种方式进行有效的沟通和协助解决。①在一般性的疑问和电路设计，可以通过产品操作手册和实时的电话沟通以及实时远程得到解决和回复。②在一些疑难问题的解决途径上，建议将问题细节化，提供代理商，在技术深度来提供支持，必要时可以前往现场支持。4.3如何实现定位基站间的自组网逻辑？通过中控设备提供AP接入点的功能，四个定位模块通过WIFI接入同一局域网实现组网，由中控设备实现组织逻辑管理。44.4GPS信号发生器如何工作？发生器提供的信号覆盖范围？采购市面成熟的GPS信号发生器或模块，由中控设备通过相应的通信协议控制GPS信号发生器或发生模块工作。为增强发生器提供的信号覆盖范围，可选用高性能的发射天线。5.前期调研5.1定位模块选型已就市场成熟的模块做调研，参考下表供应商上海司南深圳铨顺宏模块型号OEMK508TrimbleBD970TrimbleBD930支持卫星GPS,GLONASS,BDS通讯接口RS232USB/Ethernet/RS232/CANUSB/Ethernet/RS232测量精度分米级厘米级尺寸不详100*60*11.6mm51*41*7mm价格含税约28000￥含税约16000￥含税约14000￥备注价格较贵需配套开发板，另约2000￥表一定位模块比较上海司南K508模块为OEM板，兼容进口板卡的物理尺寸、电气接口以及指令报文，可完全替代进口板卡，但考虑到价格，已初步排除司南K508模块。Trimble导航公司成立于1978年，数十年来一直在GPS技术开发和实际应用方面处于全球行业领先地位。BD970，是一款推广度都很高的定位模块，很多主流的GPS厂商都有使用，技术成熟，定位精度高；BD930，乃Trimble代理商工程部推荐的一款定位模块，尺寸小便于集成，价格略较BD970便宜2000￥。代理商可以提供开发过程中的技术支持，配套开发板可以提需求付费定制。初步选型在二者中选一，具体以在开发时是否涉及到CAN通信来定。55.2GPS信号发生器图1.信号发生器在定位模块实现基准定位后，由中控设备通过相应协议控制GPS信号发生部分，GPS信号发生器或者发生模块模拟卫星发射GPS信号，为GPS终端设备提供工作信号。GPS信号发生器或发生模块，初步咨询价格约在含税28000￥，大致工作框图如下，图2.信号发生器工作原理因发射部分的发射天线与定位模块接收天线存在位置上的不同，为尽量减小误差，提高定位精度，可以在将定位模块和发射模块封装成产品时，定量描述出天线位置的差异，定位时使用软件编程做补偿。65.3成本预估对整个动态定位系统而言，为模拟出4颗卫星，即需要4套定位模块、中控设备、GPS信号发生模块，将每一套封装成一个设备模拟成卫星即伪卫星，单颗伪卫星采购成本预估40000~50000￥，如果采用固定点位置装订方式时（卫星位置通过外部设定或人工输入），单颗伪卫星采购成本预估30000￥。5.4精确定位算法对定位模块获得的地理位置信息，都存在一些误差。这些误差主要来自三部分。一部分是卫星钟误差、星历误差、电离层误差等；第二部分传播延迟误差；第三部分是接受新号产生的误差。目前处理这些误差让定位更加精确的算法主要有四种：利用伪距观测值计算差分改正数；利用相位平滑伪距观测值计算差分改正数；利用载波相位差分改正数；利用位置差分改正数。伪距差分是应用成熟度最高的GPS差分定位技术之一，参考站上的GPS接收机测得与所有可视卫星的测量距离，同参考站真实坐标与各卫星的真实距离进行比较，通过滤波器求出测量距离和真实距离之间的偏差（即伪距改正数），然后参考站将伪距改正数发送给移动站，移动站利用伪距改正数自身测量伪距，最后，移动站通过纠正后的伪距解算出误差较小的坐标值。位置差分是最常见的GPS差分定位技术，主要原理是参考站上的GPS接收机连续接收4颗或4颗以上的可视卫星信号并解调，解算出参考站的测量坐标。因为定位时会受到卫星星历、卫星钟、对流层等误差影响，解算的测量坐标与参考站真实坐标之间存在差值（即改正数），移动站接收到参考站通过数据链路发送的改正数后对其自身坐标进行纠正，实现位置差分。伪距差分本质是对参考站与移动站之间的观测伪距值进行求差，尽管无法避免伪距值得随机误差，但大大降低了两伪距值得共同系统误差。另外，载波相位测量的精度较测距码测量的精度高2个数量级，但是载波相位整周数无法直接获取。相位平滑伪距差分在两测站求差的基础上，在两历元间再次求差，利用历元间的相位差观测值对伪距进行修正，消除了整周未知数，从而提高了定位精度。载波相位差分技术又称为RTK技术，参考站上的接收机连续观测卫星，移动站接收自身卫星载波的同时，又接收来自参考站的载波观测量和参考站坐标，实时地处理数据，解7算自身的坐标结果。5.5实际验证算法现有的移动设备上自带有GPS定位功能，得到的定位值是经过差分算法计算后的粗略值，根据芯片的不同得到的值误差波动很大。此时的值可以再次处理以得到更精确的值。根据自身的现有设备，我们利用手机自带的GPS得到的坐标点，然后对这些点用算法进行后处理，可以就可以得到精确度较理想的定位。图3.手机程序运行图85.6动态定位服务精度分析动态定位系统定位服务绝对精度误差的影响因素如下表：序号误差来源项目误差分析处理方法说明1.初始定位误差分米、厘米提高GNSS模块定位精度、软件修正处理精度可控、可修正2.伪卫星时钟稳定度随使用时间增加而变大授时修正、温控晶振、小型原子钟、或容忍该误差温控晶振精度较短时间内可以接受（数天）3.天线位置偏差与结构或姿态相关天线与GNSS模块整合设计，或结构确定情况下软件修正4.天线相位中心偏差通常影响较小(厘米)采用接收、发射一体化天线设计容忍该误差5.发射信号通道不致性误差器件相关选型及通过系统调试修正6.定位信号多路径反射信号接收端处理与发射天线周边信号反射物情况相关由于定位系统服务误差影响因素，目前均有较成熟的工程处理手段或修正方法，估计动态布置的定位服务系统经过人工调试和修正后，可以达到提供分米、厘米精度定位服务信号的能力。6.结论经过前期调研分析，软件原型程序编制。总体结论如下：1.基于现行市售产品集成、软件自研的方式可以较快构建一个定位服务精度分米或厘米级的定位服务系统；2.采用动态布设(空投)时，会存在定位装置姿态不可控、信号遮挡、多路径反射、时钟无法人工修正、因互通讯引起的自组网失败等问题，上述问题还需要进一步分析9研究其影响，从目前调研情况分析如果动态布设后可工作节点数量可保证时，应可以提供与人工布设定位系统基本相同的定位服务质量。