GPS电子地图组合定位技术在侦察机器人系统中的应用

微小型侦察机器人作为一种具有广阔发展前景的新的军事侦察装备，能够快速实时地进行战场动向和环境情况监测以及战斗毁伤情况评估，可以提高作战的速度和准确性。侦察机器人系统的一个重要发展方向是组成网络分布式结构，即监控中心的每台设备要同时监管多个布撒在远地的侦察机器人，提高监控的效率，利用GPS定位系统获取前方机器人的方位信息，是其中必不可少的一个环节。在侦察机器人中融合机器人运动传感器信息和GPS定位信息，结合电子地图，将机器人的空间位置和属性信息集中显示在监控中心的屏幕上，为监视和管理提供决策支持，极大地提高了管理效率。

二代卫星导航系统。由于它能对全球表面任何地点及近地空间提供实时高精度的三维位置、三维速度和时间信息，因而在军事和民用的各个领域都得到了广泛的应用。但在实际应用中，GPS接收I机必须经过二次开发，将接收的数据与其周围的地形数据或建筑|物数据相结合，对定位数据进行修正和补充，才能克服其提供的各种专业性数据给用户造成的不便，同时克服由于大气折射延迟、卫星钟差及美国国防部采用施加可选择性SA措施等而造成的GPS定位精度误差。

1系统组成及工作原理我们开发的遥操作侦察机器人系统是集成了全球卫星定位系统（GPS），无线数传模块，电子地图和信息处理系统的综合性应用系统。系统结构如所示：该接收机具有并行12通道，输出载波相位和伪距等原始数据，其星历输出更是进行逆向伪距差分工作必不可少的信息。

控制中心作为差分工作站，采用普通微机来实现。其中COM1与GPS25LVS的串口二相连，作为差分工作站，COM2与无线数传模块相连，进行前后方的数据通讯。前方机器人附带的无线数传模±，将GPS接收机串口二输出的RTCM-SC104格式的差分GPS数据，发送到后方控制中心。无线数传模块采用的是FC-TK404/RS-232数传组件。在系统工作以前，要注意对所采用的硬件模块进行初始化设置，将GPS25-LVS接收机初始化为自动定位模式。

为了便于控制中心工作人员的决策，需要对前方机器人所在方位进行可视化处理。因此我们将经逆向伪距差分处理后的数据与电子地图相结合，进行组合定位，实现可视化定位的目的。

电子地图的开发和管理方法有多种，系统中采用在VB6.0环境下，将背景地图以BMP位图形式存储开发的方法。电子地图可以直观地表现背景地物信息，系统中的电子地图具有地图编辑功能，能方便地修改、插入、删除空间目标和属性。由于侦察机器人网络分布式结构的特点，考虑到侦察机器人布撒的大致区域己知这个情况，为了简化系统的管理，我们采用将监视区域二次划分的方法，使得每个监视区域均处于监视器内，将大范围的电子地图划分成若干个小地图，首次定位采用高比例尺的定位，给监视人员一个总体的把握，然后进入低比例尺定位，调入满足要求的地图，这样，不再需要对地图实施放大、缩小、平移、漫游等操作，就可以对机器人所在的方位精确定位，实现电子地图的图形显示功能。同时也避免了出现在进行缩小操作时，由于比例的限制而产生的地图目标会堆积、拥挤在一起，导致目标无法辨认的问题。

2GPS定位方法的选择目前GPS定位信息获取一般采用三种方法：GPS单点定位、正向差分GPS定位和逆向差分GPS定位。

由于美国对GPS技术的限制，如果采用GPS单点定位，则前方机器人将附带的GPS接收机输出的定位数据不经任何处理就通过无线数传电台传送到监控中心。这种定位方法设备简单但定位精度不高（约为100m量级）不能满足侦察机器人系统的定位精度需求。

即位置差分，伪距差分，相位平滑伪距差分和相位差分。这四类差分方式的工作原理是相同的，即是在基准站上进行GPS观测，利用己知的基准站精密坐标计算出基准站到卫星的修正值，并将这一修正值实时发送出去。用户接收机在进行GPS观测的同时，也接收基准站的修正值，对其观测量进行改正。

此后利用改正过的结果进行定位计算求解出精确用户接收机的位置。由于这种改正能将公共误差抵消，例如卫星时钟偏差、星历误差、电离层误差、对流层误差等，从而提高了定位精度，使实时定位精度从100m提高到5~3m左右，监控中心能够获得精确的定位信息。但由于每个移动站上都应接收GPS基准站发送的差分修正值，差分基准站需要大功率发射机向比较大的区域广播修正信息，而且移动站需要接收和发送两个环节才能上报精确定位信息，系统复杂、时间开销大、信道带宽要求高，因此在本系统中不宜采用。

逆向差分GPS算法和普遍的正向差分GPS算法基本相同，都是差分思想，因此能够获得与普通的正向差分GPS相当的精度，但是所有的计算都是由基准站完成的。移动站GPS把观测到的所有原始距离信息通过数据链传送到基准站，基准站GPS同时采集距离信息以及星历数据，由星历计算出卫星位置，并利用卫星位置及基准站己知位置求出真距离R，从而计算出修正值，再利用计算出的修正值来修正移动站送来的距离信息。这样大大提高了距离精度，*后利用修正后的数据进行定位解算从而得到移动站的实时位置。因此逆向差分GPS具有如下特点：数据通讯链是由移动站传送给基准站，是逆向的，传送的内容为移动站的原始数据信息；移动站不进行任何解算，而由基准站完成所有的差分修正和定位解算；移动站不知道自己的位置，而基准站却能实时知道移动站的位置；由于数据链的逆向及基准站对移动站的解算，因此一台基准站只能和有限的移动站一起工作。

基于上述特点，逆向差分GPS方法尤其适合带天线转发装置的移动目标和要求移动站十分简单的目标。伪距差分是目前用户*广的一种技术。几乎所有的商用差分GPS接收机均采用了这种技术。国际海事无线电委员会推荐的RTCMSC-104也采用了这种技术。考虑到我们所设计的微小型侦察机器人系统的小型化及基准站和移动站对GPS定位信息要求的不对称性的特点，为此而采用逆向伪距差分GPS3逆向差分算法的软件实现逆向差分算法的软件实现简述如下：程序开始后，首先获取基准站位置。基准站地心坐标的精确测定是差分GPS定位中心的关键。一般基准站地心坐标有两种方法：单点多次测法和联测法。由于我国已在各地建立了人工测距站，依此为准，采用GPS联测，可以使我们所用的差分基准站精度达到需要的量级。基准站地心坐标为6.对于差分站而言，需要伪距、载波相位信息以及星历信息，才能进行计算改正信息，而移动站只需要伪距及载波相位信息。这些设定只需通过串行口对接收机发一串控制命令即可。同时需对端口进行设定波特率等初始化处理。

控制中心发送获取星历的命令，判断有无外部中断，如果有先进行处理，如果无，提取串口伪距信息，然后选取可见星：①从伪距随机文件中读取t时刻的一帧数据，可见星号1，2…，32）高角（俯仰角）《（），选取有效的，信噪比大于33的且a（）>5*的卫星，令卫星号j（j=1，2，…，32）有P（，t）②在主伪距随机文件中读取tk时刻的一帧）可见星号k（k=4重复①。③从卫星号g中选取a（gi）*大的卫星为顶座星。④读取星历随机文件，计算g号卫星t时刻的坐标（x，yz）。此处根据广播星历来计算卫星t时刻在WGS-84坐标系中的位置。由于广播星历精度不高，故此处卫星位置计算采取简略方法。首先按“二体问题”公式计算轨道参数；然后，根据导航电文给出的轨道摄动参数，进行摄动修正，计算修正后的轨道参数；继而计算卫星在轨道坐标系中的坐标；*后，仅顾及地球自转的影响，将轨道坐标系转换为WGS-84坐标系。即根据公式（1）计算出各个卫星在WGS-84坐标系下的地心坐标k.其中ik是摄动改正后的轨道倾角，Lk是t时刻升交点经度，k在GPS定位系统中，仍然采用几何精度因子GDOP来表示定位精度随卫星集合位置变化的相关因子。简单地说，GDOP是定位误差系数。在所有可见的卫星中，从所有可能的四颗卫星的组合中选取一组，使GDOP*小。此时这一组卫星将提供*高的定位精度。星座的选择方法有多种。常用的矢端四面体法计算量很大，因此需要寻找一种简单而实用的方法。考虑到四面体的体积与其高和底面积成正比，所以在选择星座时不必直接求矢端四面体的体积，而是求其高和底面积，这样就可以简化选择星座的方法。首先从可见卫星中，选择高角*大的那颗星作为顶座星，然后在余下的可见星中，以高度大于5度为约束条件，选择三颗卫星计算所成矢端三角形的面积，取面积*大值作为底座星。

接下来计算时刻差分工作站与选定的四颗星之间的直线距离：其中，下标表示第i颗卫星（i=改正伪距：当观测四颗卫星时，忽略观测随机误差，根据观测方程=R*+C*dT+v（）来求解用户坐标（x，yz）D.然后进行坐标转换，进行位置解算。

其中dT为钟差，v为接收机噪音，Ru是指t时刻用户与各卫星的直线距离。

逆向差分算法的软件流程图如所示：在VB6.0环境下，对逆向伪距GPS差分算法）进行了软件实现同时利用将背景地图以BMP位图形式存储开发的方式，独立开发了GPS信息处理系统的应用程序，实现了对前方目标具体定位的可视化。4：和是采集的基准站和移动站的曲线，是差分处理的结果曲线。

~5图中，“基准值”就是我们测得的基准点的值。在基准坐标处，当掉度变化*0.01’时，地心绝对坐标变化约为Ax=±5.5m，=士10.8m，4=*14.3m；当经度变化*0.01’时，地心绝对坐标变化约为Ax=*0m.在B-1坐标系和L-1坐标系中，基准为B0，L0，上下二线为偏差*0.03’线。在H-1坐标系中，基准为H0，每二线间隔为20m，中间两线间隔为40m.从测得的曲线看出，差分以前定位结果不停的验证了采用逆向伪距差分算法提高GPS接收机定位精度是可行的，而且方法相对简单易实现。实验结果表明，绝对坐标的平均*大误差不超过*5m.逆向伪距差分算法特别适合于100km以内的情况。公用可见卫星至少要有四颗，才能实现三维定位。

系统设计思想除用于侦察机器人系统外，还可以广泛应用于区域监视、交通管理等方面，具有较大的经济效益和社会效益。