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摘要：GNSS终端定位一般分为粗略单点定位和RTK差分定位，粗略单点定位是指单独利用一台GNSS终端确定待定点在固定坐标系中的绝对位置，一般定位精度单位数量级为米（m）；RTK差分定位需要一个固定的基准站电台或千寻基站等，GNSS终端固定进行点位测量，两台接收机之间需要数据通信计算以获得差分定位数据，一般定位精度单位数量级为厘米（cm）。本文主要研究GNSS高精度定位终端RTK差分定位精度。期望此次研究能够带来一定的借鉴。
关键词：工程机械车辆；高定位精度；测试技术
1绪论
CEP和RMS是GNSS的定位精度单位，是概率单位，例如5CMCEP的意思是以5cm为半径画圆，有50%的点能打在圆内，也就是说GNSS定位在5cm精度的概率是50%，CEP（50%），相应的定位精度指标RMS是66.7%的概率，RMS（66.7%）。目前市场上拥有高精度北斗/GNSS自主核心技术的公司主要有ublox、司南导航及华测导航等，对于GNSS高精度定位产品，各厂家基本都有配套的测试软件，但在测试定位精度中都有一定的弊端。例如ublox配套测试软件为ucenter，GNSS高精度定位产品静态水平定位精度标注为1cm，但ucenter测试软件却最小只能精确到5cm，软件中虽可以设置圆心位置为均值点或固定点，但无法确定覆盖点数最多的单位圆位置；司南导航配套测试软件为CRU，测试软件定位精度圆心位置、半径均无法自主编辑，测试只能给出覆盖指定概率精度的固定圆。针对这一问题，我公司研发出一种适用于工程机械车辆GNSS高精度定位终端的定位精度测试技术，通过分离NMEA协议定位数据并进行坐标变换、划分栅格，使用软件寻找覆盖测试点数最多的单位圆位置，最终得到测试终端厘米级定位精度[1]。
2定位数据提取方法
基于python/c#开发环境编写代码，主要实现功能包括NMEA协议解析、经纬度单位转换及经纬度平面坐标变换。NMEA通信协议定义了一系列语句，协议语句主要包括$GPGGA、$GPRMC、$GPGSA、$GPGSV等，测试定位精度需要经纬度信息，该信息可通过NMEA下的$GPGGA（或GNGGA）分离，该帧的数据结构如下：$GPGGA，<1>，<2>，<3>，<4>，<5>，<6>，<7>，<8>，<9>，<10>，<11>*hh<CR><LF>其中：<1>是UTC时间，hhmmss.sss，时分秒格式；<2>是纬度，格式为ddmm.mmmm；<3>是纬度属性，南半球为S，北半球为N；<4>是经度，格式为ddmm.mmmm；<5>是经度属性，东半球为E，西半球为W；<6>是GPS状态，0=未定位，1=非差分定位，2=差分定位，5=floatRTK定位，4=fixedRTK定位；<7>是正在使用的卫星数量等。通过NMEA下的$GPGGA（或GNGGA）分离出来的纬度（ddmm.mmmm）、经度（ddmm.mmmm）单位均为度分格式，需按照60′等于1°将经纬度单位换算为度的形式。此时得到的纬度、经度是基于地理坐标系的球面坐标形式。地理坐标系一般是指由经度、纬度和高度组成的坐标系，能够标示地球上的任何一个位置。地理坐标系是三维的，还需通过墨卡托投影的方式将地理坐标系这种三维空间投影成平面坐标，最后利用测试点的平面坐标来计算水平定位精度[2]。
3定位精度计算方法
基于Matlab开发环境编写代码绘图，主要实现功能包括绘制测试点散点图，寻找覆盖测试点数最多的单位圆圆心位置并求取定位精度，具体如下：首先绘制测试点平面坐标散点图，确定平面坐标数据范围，例如平面坐标x数据范围-0.02~0.02m，平面坐标y数据范围-0.05~-0.01m，编写代码建立xy坐标系并按0.001m的刻度划分栅格。0.001m栅格图圆心依次选择栅格交点，即圆心位置依次为（-0.02，-0.05），（-0.021，-0.05），（-0.02，-0.051），（-0.021，-0.051），（-0.022，-0.051），（-0.021，-0.052）…（0.02，0）等，半径固定为几厘米，寻找覆盖测试点数最多的圆心位置并求取定位精度。
4定位精度测试用例
为保证卫星连续跟踪观测和卫星信号的质量，选择的室外测量地点上空应相对开阔，尽量远离高层建筑、成片水域等对电磁波信号反射强烈的地形。测试系统架构：板卡模块把定位模块接收的卫星粗略定位信息通过网口发送给主控管理模块，主控管理模块把接收到的粗略定位信息通过4G网络发送给千寻基站服务器，服务器收到数据后把RTK数据通过4G网络返回发送给板卡，串口输出定位数据等报文信息[3]。通过编写软件对高精度定位终端串口输出定位数据进行实时采集，采集频率约1Hz，选定观测时间段为0.5h，采集大约1800个碎步点，采集数据格式，其中定位卫星数12颗，定位模式全部切换为fixedRTK定位。后续软件实现报文解析、经纬度单位转换及平面坐标转换等，转换后部分数据，2、3列数据为经纬度单位转换数值，4、5列数据为坐标转换数值。通过Matlab确定平面坐标x数据范围-0.02~0.02m，平面坐标y数据范围-0.1~0.03m，编写代码建立xy坐标系并按0.001m的刻度划分栅格，圆心依次选择栅格交点，即圆心位置依次为（-0.02，-0.1），（-0.021，-0.1），（-0.02，-0.101），（-0.021，-0.101）等，半径固定为1cm画圆，寻找覆盖测试点数最多的圆心位置并求取定位精度，计算得到测试总坐标点数为1747，圆心坐标为（-0.01，0）~（-0.008，0.001），合格坐标点数：1216，定位精度百分比：69.60%，满足1cm定位精度CEP（50%）、RMS指标（66.7%）。如果采用ublox配套软件ucenter对同组数据进行处理，若选择均值点为圆心，定位精度显示为0.014m，即以14cm为半径、均值点为圆心画圆，有50%的点能打在圆内，而测试软件ucenter无法显示1cm定位精度数值，也无法明确1cm定位精度是否满足CEP（50%）指标。对比分析可知，本文提出的定位精度测试方法比常规测试软件在测试厘米级定位精度时有更大的优越性和适应性[5]。
结束语
GNSS高精度定位终端正逐步被应用于工程机械车辆定位系统中，GNSS高精度定位终端最主要的性能指标为定位精度。在测试厘米级定位精度时有更大的优越性和适应性，此种测试方法能够准确地计算出厘米级定位精度的具体数值。
参考文献：
[1]周小翠，席晨，赵小鹏.中移与千寻的高精度定位服务对比测试研究[J].长江信息通信，2021，34（05）：230-232.
[2]王超，单志勇.基于KDMSPCS-GRNN的室内定位技术研究[J].信息技术与网络安全，2021，40（04）：20-27+45.
[3]蔡嘉，向南，田湘滢，尹航.基于高精度定位平台的定位终端测试研究[J].长江信息通信，2021，34（02）：47-49.
[4]张新豪，陈知行.一种基于局部词位置相对定位的非概率主题模型[J].计算机应用与软件，2020，37（09）：215-220+262.