原创 物联网系统中高精度RTK定位方案的实现_高精度定位模块

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物联网系统中为什么要使用高精度定位模块

物联网系统中使用高精度定位模块的原因主要体现在以下几个方面：

提高定位精度

• 厘米级高精度：高精度定位模块能够实现厘米级甚至更高的定位精度，这对于许多物联网应用来说是至关重要的。例如，在智能制造、仓储物流等领域，精确的位置信息可以显著提高生产效率和物流准确性。
• 降低误差：相比传统的定位技术，高精度定位模块能够显著降低定位误差，使得位置信息更加可靠和准确。

增强系统性能

• 快速响应：高精度定位模块通常具有较快的响应速度，能够实时更新位置信息，满足物联网系统对实时性的要求。
• 低功耗设计：许多高精度定位模块采用低功耗设计，有助于延长物联网设备的续航时间，降低能耗成本。
• 抗干扰能力强：在复杂的环境中，高精度定位模块能够抵抗各种干扰因素，如电磁干扰、多径效应等，确保定位结果的准确性和稳定性。

满足多样化需求

• 适应多种场景：高精度定位模块可以应用于多种物联网场景，如室内定位、室外定位、车辆追踪等，满足不同行业和领域的需求。
• 提升用户体验：在智能家居、智慧城市等领域，高精度定位模块可以为用户提供更加精准和个性化的服务体验，如基于位置的信息推送、导航服务等。

推动技术创新和应用发展

• 促进技术创新：高精度定位技术的发展推动了物联网技术的不断创新和升级，为物联网系统提供了更加先进和高效的定位解决方案。
• 拓展应用领域：随着高精度定位模块在物联网系统中的广泛应用，其应用领域也在不断拓展，如自动驾驶、无人机配送等新兴领域。
• 具体应用领域介绍

除传统测绘领域外，高精度位置服务在精细农业、智能驾考、无人机、通用航空、车联网、自动驾驶等领域的高精度应用市场正在显现出巨大的增长潜力。支持RTK算法的高精度定位模块特别适用于对定位精度要求比较高的特定行业。

本文会再为大家详解定位模块家族中的一员——高精度定位模块。

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高精度定位模块的背景

在室外场景，北斗、GPS 等 GNSS定位技术在持续的演变，精度越来越高，应用面也越来越广。随着新基建热潮的到来，借助5G+新基建，无人驾驶、自动驾驶等技术正在逐步完善，对于定位的需求已经不仅仅只是粗略的轨迹，而是需要高精度的定位来提升用户体验，拓展商业模式，提升社会效率。

普通GPS定位模块、北斗定位模块会受到卫星端、传播端、用户端误差影响，导致反馈的位置信息定位精度只能达到米级，而物联网领域的自动驾驶、安防/无人机和消费电子等应用场景日益对室外定位提出更高精度的要求，比如1米左右，亚米级，分米级，厘米级。对于智能驾驶汽车来说，车道很窄，路边障碍物之间的距离也更短。这意味着汽车要求的定位精度为10到30厘米。普通定位模块并不能达到厘米级的定位精度，这就需要高精度定位技术。

按照定位精度定位模块可分为：

• 标准高精度定位模块：通常能达到米级定位精度，适用于一般精度要求的场景。
• RTK高精度定位模块：利用实时动态差分技术，可以实现厘米级甚至毫米级的定位精度，特别适用于对精度要求极高的应用场景，如测绘、自动驾驶等

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高精度RTK（Real - time kinematic，实时动态）定位模块定义

高精度RTK（Real-time kinematic，实时动态）定位模块是一种集成了高精度GNSS（全球导航卫星系统）接收器和实时差分定位技术的设备。它利用载波相位差分技术，通过实时处理基准站和移动站之间的卫星信号差异，来消除大部分公共误差源（如卫星轨道误差、电离层和对流层延迟等），从而实现厘米级甚至毫米级的定位精度

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RTK定位技术工作原理

RTK（Real - time kinematic，实时动态）载波相位差分技术，是实时处理两个测量站载波相位观测量的差分方法，将基准站采集的载波相位发给用户接收机，进行求差解算坐标。

这是一种新的常用的卫星定位测量方法，以前的静态、快速静态、动态测量都需要事后进行解算才能获得厘米级的精度，而RTK是能够在野外实时得到厘米级RTK定位精度的测量方法。

RTK高精度定位技术是GNSS系统获取高精度实时动态定位的重要手段，RTK定位主要由三部分组成，分别是基准站接收机、移动站接收机以及两站之间数据传输链路。RTK基准站将修正数据或采集的载波相位观测值通过数据传输链路发送给建设在其数据传输范围内的移动站，移动站接收机接收到的卫星观测数据与基准站发送的数据进行相位差分定位的过程，即为RTK定位过程。

高精度RTK定位的工作原理是利用GPS信号的功率相位差测试技术。GPS数据信号到达信号接收器时，数据信号会在通信卫星后受到地球大气层路面等各种因素的影响时发生相位变化。在没有任何影响的情况下，可以检测GPS信号的功率相位变化，但由于影响等各种因素的出现，单个信号接收器没有获得高性能的相位差信息内容。

高精度RTK的精确定位是将GPS信号接收器放置在已知区域的基准站，测量基准站与通信卫星之间的相位变化，获取与基准站相比的位置信息内容。同时，当需要定位导航的移动网站上放置GPS信号接收器时，移动网站中的GPS信号接收器与基准站进行通信，将基准站精确测量获得的整体相位差数据通信给移动网站中的GPS信号接收器。

移动网站中的GPS信号接收器可以将基准站与通信卫星之间的相位角和移动网站与通信卫星之间的相位角进行区分，从而获得与基准站相比的移动网站的相位角，从而获得高性能的定位信息。

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RTK定位模块简介

RTK定位精度定位模块能同时支持GPS、北斗、GLONASS、GALILEO、QZSS和SBAS的卫星接收模块；内部集成了RTK解算算法，结合RTK服务可实现厘米级定位。通过配置可以使模组变为移动站。能满足专业定位的严格要求与个人消费需要。

 RTK定位精度定位模块把原本复杂的RTK技术细节进行了合理的包封，用户可以像使用普通单点定位GPS产品那样直接使用，得到的却是厘米级的定位精度。基于RTK定位模块的厘米级精度室外定位解决方案，利用高精度定位技术，内置于终端产品/设备中的高精度定位模块结合实际视图情况，快速、准确定位其所在位置，管理员可通过管理平台查看终端产品/设备的实时位置以及历史行进轨迹。

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RTK定位模块硬件介绍

以和芯星通UM980为例：主要接口包括：天线接口，UART以及其他接口

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RTK定位模块单频信号与双频信号

GPS卫星信号分为L1和L2，频率分别为1575.42MHZ和1228MHZ。北斗信号为：B1,B2,B3,频率分别为1561.098MHZ,1207.12MHZ,以及1268.52MHZ. 接受信号是单频还是双频却决于RTK模块，双频机通过接受两组不同频率的卫星信号，可以有效消除电离层的误差。双频机对比与单频机可以提供更为快速、更为精确、可靠的解算，但是价格相对昂贵。双频模组通常支持的频段是：L1,B1,这样设计天线比较方便.

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RTK定位模块的天线(GNSS,4G）

像天线这种东西，分类有很多种方法，但是任何东西，对于使用者最好是以功能分类。不同的天线的工作频率不一样，所以功能也不一样。GPS天线的工作频率是在1.2-1.6G左右，4G天线的工作频段在1.7-2.7G之间，GPS天线有可能在4G的低频段可以工作，但是高频段的指标会很差。一般情况下是没办法共用的。

主流定位天线：

平面贴片天线

市面上普通陶瓷天线属于此类

平面螺旋天线

四臂螺旋天线

四柱螺旋式天线由四条特定弯曲的金属线条所组成，不需要任何接地，它具备有Zapper天线的特性，也具备垂直天线的特性。此种巧妙的结构，使天线任何方向都有3dB的增益，增加了卫星讯号接收的时间。四柱螺旋式天线拥有全面向360度的接收能力，因此在与PDA结合时，无论PDA的摆放位置如何，四柱螺旋式天线皆能收到信号，有别于使用平板GPS天线需要平放才能较好的接收效果。使用此种天线，当卫星出现于地平面上10度时，即可收到卫星所传送的讯号。

蘑菇头天线

蘑菇头天线也被用于接收卫星信号，并将其传输到时钟系统中进行精确的时间计量。这种天线的形状设计和材料选择能有效抑制多径效应和噪声干扰，提高信号接收的准确性和稳定性

定向天线

定向天线有区别于定位天线，有时需要同时使用，但对于移动物体，也可以软件处理两点的经纬度得到方向角

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RTK定位模块模式

目前的RTK模块大都支持多模卫星信号，即可同时从GPS、北斗、伽利略收星

数据获取及二次开发(串口输出报文)

串口(UART)一般用于配置设备和数据读取，我们通常通过ttl或485串口连接GPS模块读取GPS报文，做相应的本地开发，大多数参数可以从【GPS报文】中读取，从而判断定位状态，格式如下：

<1> UTC时间，hhmmss.sss（时分秒）格式

<2> 纬度ddmm.mmmm（度分）格式（前面的0也将被传输）

<3> 纬度半球N（北半球）或S（南半球）

<4> 经度dddmm.mmmm（度分）格式（前面的0也将被传输）

<5> 经度半球E（东经）或W（西经）

<6> GPS状态：0=未定位，1=非差分定位，2=差分定位，4=固定解算，5=浮动解算，6=正在估算 ；当GPS状态达到4时，为最佳状态，5为次佳

<7> 正在使用解算位置的卫星数量（00~N）（前面的0也将被传输）

<8> HDOP水平精度因子（0.5~99.9）

<9> 海拔高度（-9999.9~99999.9）

<10> 地球椭球面相对大地水准面的高度

<11> 差分时间（从最近一次接收到差分信号开始的秒数，如果不是差分定位将为空）

<12> 差分站ID号0000~1023（前面的0也将被传输，如果不是差分定位将为空）

GNSS测试软件工具界面

通过串口连接导航定位设备，可实时打印串口数据，分析并展示定位信息、搜星情况、卫星信号强度等关键信息，同时支持测试数据的抓取归档。另外还集成了一些小工具，如：NMEA/KML转换、差分数据注入、指令配置管理等。

注意事项

RTK模块定位质量受诸多因素影响，若未达到最佳解算状态或精度不理想，可以尝试以下手段：

• 检查4G天线和GPS天线是否匹配、是否松动
• 检查SIM卡是否欠费或松动
• 查看报文中的收星数，在空旷位置测试获得更多收星，室内GPS是无法定位的，手机之所以可以在室内定位是因为结合了Wifi定位等技术
• 查看基站服务是否过期

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RTK模块GNSS参数

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RTK技术优势和局限性

RTK技术和差分GPS都是现代导航技术中的重要组成部分，它们都可以提供高精度的定位信息，但它们在优势和局限性方面存在差异。

优势：

RTK技术（Real-Time Kinematic）是一种通过接收基准站发射的范围广播信号进行差分计算，实现高精度定位的技术。RTK技术优势在于其精度高，可以达到厘米级别。同时，由于基准站会不断发送信号，所以其定位速度也相对较快，并且可以在复杂的环境中维持较高的精度，如建筑都市区域、山区等。

劣势：

然而，RTK技术也存在一些不足之处。首先，其必须使用基准站，这就需要在使用的区域内建造基站，增加了使用成本和操作难度。其次，RTK在使用时可能会受到环境干扰，如高建筑物、天气不好等，从而降低其精度。此外，RTK在无法获取基准站信号时将无法工作。而提升地面参考基站的质量，数量和分布将有效提高RTK高精定位的服务方位和准确性.

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主要厂家

RTK产品做的比较成熟的厂家，国外主要是天宝，国内主要是和芯星通、中海达、司南、华测和芯星通等

高精度RTK定位模块应用场景

除传统测绘领域外，高精度位置服务在精细农业、智能驾考、无人机、通用航空、车联网、自动驾驶等领域的高精度应用市场正在显现出巨大的增长潜力。支持RTK算法的高精度定位模块特别适用于对定位精度要求比较高的特定行业。

供应商A：和芯星通

1、产品能力

（1）选型手册

（2）主推型号1：UM980

对应的产品详情介绍

UM980 是和芯星通自主研发的新一代 BDS/GPS/GLONASS/Galileo/QZSS 全系统全频高精度 RTK 定位模块，基于和芯星通自主研发的新一代射频基带及高精度算法一体化GNSS SoC 芯片—NebulasIV 设计。可同时跟踪 BDS, GPS, GLONASS, Galileo, QZSS,NavIC, SBAS, L-Band* 等全系统全频点。内嵌的多频点抗干扰技术，完成增强的多模多频 RTK 引擎解算，显著改善城市街区和树荫等复杂环境下的 RTK 初始化速度、测量精度和可靠性。面向精准农业、测量测绘等高精度导航定位领域。

产品特点

● 基于最新一代 NebulasIV 射频基带及高精度算法一体化 GNSS SoC 芯片

● 全系统全频RTK引擎及满天星RTK技术

● 瞬时RTK初始化技术

● 60 dB窄带抗干扰技术，支持干扰检测

● 支持Heading2定向技术

● 支持STANDALONE单站高精度定位

● 支持B2b-PPP和E6-HAS

性能指标

物理特性

环境指标

功能接口

注：标注*部分为特定固件版本/硬件型号支持

• 硬件参考设计

• 研发设计注意使用事项

1.天线馈电设计

UM980 不支持内部天线馈电，需要从模块外部给天线馈电，建议尽量选择高耐压、大 功率的器件；还可以在馈电电路上增加气体放电管、压敏电阻、TVS 管等大功率的防护器件， 可有效提高防雷击与防浪涌的能力。

UM980 外部天线馈电参考电路

2.模块上电与下电 VCC

• 模块 VCC 上电起始电平需要低于 0.4V。
• 模块 VCC 上电电源坡道必须是单调的，不能有平缓处。
• 模块 VCC 上电的下冲与振铃需小于 5% VCC。
• VCC 上电波形，从 10%到 90%的上升时间需在 100μs~1ms 范围内。
• 上电时间间隔，模块 VCC 下电低于 0.4V 后，到下一次开始上电，时间间隔需大于 500ms。 V_BCKP 模块 V_BCKP 上电起始电平需要低于 0.4V。
• 模块 V_BCKP 上电电源坡道必须是单调的，不能有平缓处。
• 模块 V_BCKP 上电的下冲与振铃需小于 5% V_BCKP。
• V_BCKP 上电波形，从 10%到 90%的上升时间需在 100μs~1ms 范围内。
• 上电时间间隔，模块 V_BCKP 下电低于 0.4V 后，到下一次开始上电，时间间隔需大于 500ms。

3.接地与散热

UM980 模块中间矩阵形的 48 个焊盘用于接地与散热，在 PCB 设计时须接到大面积地 平面上，以加强模块散热。

UM980 接地与散热焊盘（底视图）

4.PCB 封装推荐设计

UM980 的 PCB 封装推荐设计参见下图。

PCB 封装推荐设计

说明： 为了方便测试，功能管脚焊盘设计的较长、超出模块外框较多。

5.脚本测试指令

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