基于RTK的农机精准定位系统的研究

摘要

RTK载波相位差分技术，是实时处理两个接收站载波相位观测量的差分方法，可实时获取厘米级定位解，具有操作性强、应用范围广等优点。高精度的RTK产品几十万的高昂价格，使得RTK定位技术在农业领域的应用尚不广泛。随着国家对农业的大力支持，农业自动化和智能化技术将会快速发展，而获取高精度的定位解是实现农田车辆自动导航的基础。本研究以农田导航的实际应用为首要目的，以美国Swift公司的Piksi定位模块为基础，构建RTK系统进行研究，前期设计实验进行精度分析，后期根据项目要求对电台和天线等部分硬件进行改进，使用滤波算法对改进后的数据进行处理，最终成功将Piksi RTK系统应用在农田拖拉机上。主要研究结果如下:
　　(1) Piksi模块是一款超高性价比的定位模块，RTK静态水平定位精度可达1 cm。使用Piksi模块时，要充分考虑周围的环境，附近切不可要有高大建筑物等遮挡;配套的console控制软件可保存3种格式下的6种类型数据，完全满足用户使用需求;串口直接读取的Piksi数据经过了Swift公司SBP二进制协议的处理，不使用console软件无法直接获取经纬度数据;搭建RTK系统时，基准站需要使用console软件设置经纬度和海拔高度数据后发送给流动站。
　　(2)空间大地坐标与导航切平面坐标的转换满足精度分析的要求;采用标准差(σ)、圆概率误差(CEP)、距离均方根误差(RMS)、2倍均方误差(2DRMS)的指标对Piksi RTK系统静态精度进行分析，Piksi单个模块静态单点的定位精度约为8m，RTK的静态精度(2drms，95％)约为1.5cm;设计的动态双轨实验验证了直线拟合评估动态直线精度的可行性，当流动站在0.4m/s-2.3m/s的平均速度范围内进行直线运动时通过拟合得到的定位精度约为1.5 cm;采用测量点到拟合圆心距离与拟合半径的差值评估圆周运动的定位精度，发现在0.4m/s-1.6m/s的平均线速度范围内运动时流动站的精度约为1.5 cm;考虑到实际应用过程中点对点的问题，拟合分析得到的测量误差整体偏小，初步判定Piksi RTK的真实动态精度约为3 cm-5 cm。
　　(3) Piksi RTK系统的3DR数传电台功率较小，传输距离受限，实际传输距离在开阔环境下约为300 m-400 m;将系统的天线和电台更换为加拿大P900电台和GSM增益天线，经测试在校园内有建筑物遮挡的情况下的传输距离约为1km，开阔环境下更是可以达到3.5km;随着传输距离的增加，改进后的Piksi RTK系统的定位精度不断下降，利用最小二乘法插值拟合发现传输距离在超过3.2 km以后将会下降到亚米级别。
　　(4)采用卡尔曼滤波建立的数据处理模型，传输距离内获取的定位数据经过滤波后的静态和动态精度均可提升一倍左右，滤波后距离基准站1km内的静态定位精度约为1 cm，满足课题对传输距离和精度的两方面要求;动态卡尔曼滤波模型对直线运动下的数据有很好的纠偏效果，滤波处理后动态误差约为1 cm-3 cm。
　　(5)将改进后的Piksi RTK系统应用到农用拖拉机上，RTK数据产生的轨迹直线度优于拖拉机的GPS轨迹，通过采用地图固定点作为基准站的方法，解决了实际应用的准确度问题，农田实验分析得出Piksi RTK系统的动态精度可达到标称的2 cm-6 cm，与动态模拟实验分析得出的精度一致，滤波后的动态精度约为1 cm-3 cm，说明Piksi RTK系统可以达到农田车辆自动导航的要求，在农机精准定位领域有广阔的应用前景。

目录

声明

论文说明

致谢

摘要

1．1 研究背景

1．2 国内外研究进展

1．2．1 卫星导航系统研究进展

1．2．2 差分定位技术原理及分类

1．2．3 RTK技术的国外应用研究

1．2．4 RTK技术的国内应用研究及农业领域存在问题

1．3 研究目的和内容

1．3．1 研究目的

1．3．2 研究内容

1．4 技术路线图

1．5 本章小结

第2章 Piksi RTK定位系统

2．1 Piksi模块定位原理分析

2．1．1 Piksi模块性能参数

2．1．2 Piksi模块定位原理

2．2 Piksi模块及RTK系统

2．2．1 Piksi接收机

2．2．2 Piksi RTK系统

2．3 Console软件

2．3．1 软件选项栏

2．3．2 RTK系统搭建

2．4 数据格式

2．4．1 CSV格式文件

2．4．2 SBP二进制格式

2．5 本章小结

3．1 坐标转换

3．1．1 参考坐标系

3．1．2 空间大地坐标与导航坐标交换

3．2 静态定位精度分析

3．2．1 定位精度评价指标

3．2．2 Piksi模块静态精度分析

3．2．3 Piksi RTK静态精度分析

3．3 动态定位精度分析

3．3．1 背景噪声测试

3．3．2 直线运动

3．3．3 圆周运动

3．4 Piksi RTK系统的优缺点

3．4．1 Piksi RTK技术的优点

3．4．2 Piksi RTK技术的缺点

3．5 本章小结

第4章 Piksi RTK系统改进及应用

4．1 外部设备改进

4．1．1 数据传输技术

4．1．2 传输设备改进

4．1．3 改进实验分析

4．2 数据处理技术

4．2．1 卡尔曼滤波原理

4．2．2 静态卡尔曼滤波

4．2．3 动态卡尔曼滤波

4．3 Piksi RTK在农业上的应用

4．4 本章小结

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

作者简介