[16]?，F(xiàn)如今的大多數(shù)研究都是集中于對移動站的算法運算，都只集成于移動站而并未體現(xiàn)差分定位過程，對于初學者來說缺乏明確而直觀的過程體驗，難以深入理解差分定位的原理，學習者需要對差分定位的過程有直接的了解與學習，才能更好掌握差分定位的原理及應用。針對需要直觀體現(xiàn)實驗原理與過程的需求，本文對此進行了實驗設計。本文基于北斗導航系統(tǒng)位置差分定位新技術，通過對差分定位技術原理分解，進而做出實驗設計，讓學習者能夠理解通過本實驗掌握差分定位技術。4.2北斗差分定位實驗的總體設計方案通過對北斗導航系統(tǒng)的差分定位實驗的需求分析，本文總體上分為基準站、顯示界面、移動站三個部分分別進行分解設計，對移動站采取嵌入單片機開發(fā)板中，實現(xiàn)移動站的獨立工作與可移動性，基站選擇由學校實驗室提供的精密基準站，界面顯示采用Qt開發(fā)。實驗設計先將三部分分開實現(xiàn)再結合一起，完成整個實驗設計。實驗的總體設計方案如下圖所示：

4.3本章小結本章主要介紹了對北斗導航系統(tǒng)的差分定位實驗進行需求分析，現(xiàn)如今的差分定位多數(shù)是集成在移動站中進行算法運算，缺乏直觀過程，故本文通過實現(xiàn)差分定位逆過程來設計實驗。最后對實驗的設計進行總要概述，主要分成基準站、移動站和界面顯示三大部分進行實驗設計。第5章北斗差分定位實驗的硬件與軟件實現(xiàn)5.1實驗的硬件設計硬件是構成本次實驗的基礎，位置定位信息的獲取，數(shù)據(jù)的傳輸，都是由硬件所提供的?；诒倍穼Ш较到y(tǒng)的位置差分定位所需要用到的硬件組成如下：圖5.1實驗硬件結構設計5.1.1移動站硬件模塊設計由圖5.1可知基于北斗導航系統(tǒng)的差分定位的移動站硬件主要包括：GPS/BDS定位模塊、STM32單片機衛(wèi)星控制器、EC800M4G通信模塊、移動電源供電模塊。其中GPS/BDS定位模塊是實驗的關鍵。GPS/BDS的定位數(shù)據(jù)來自于GPS/BDS定位模塊，GPS/BDS獲取到的定位數(shù)據(jù)需要經(jīng)過數(shù)據(jù)提取，提取出其中需要的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)，再經(jīng)過轉化，傳輸，從而完成移動站的任務。移動站的定位模塊采用的是EC800M模塊，天線是配套的GPS/北斗雙模單頻天線，再將定位模塊與STM32單片機連接。EC800M內(nèi)集成了衛(wèi)星導航數(shù)據(jù)接收模塊，同時也集成了4G通信模塊，使得移動站可以接受來自北斗導航系統(tǒng)發(fā)來的定位信息并且通過4G模塊實時發(fā)送定位數(shù)據(jù)信息到服務器。EC800M通過AT指令開啟導航定位功能，開始接收定位信息。衛(wèi)星是以NMEA-0183協(xié)議輸出定位數(shù)據(jù)，接收到的數(shù)據(jù)需要通過解析才能獲取定位信息，故需要與單片機連接，單片機通過編寫代碼程序解析NMEA-0183協(xié)議的語句，提取出相應語句中需要用到的定位信息。獲取到的定位信息通過4G通信模塊進行發(fā)送。4G模塊需要插入SIM卡，才能通過TCP協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)，單片機中編寫相應代碼，通過AT指令開啟TCP傳輸模式，配置好源端口與目的端口，目標服務器IP地址，完成與阿里云云服務器連接，程序會一直檢查是否插入SIM卡，當插入SIM卡后，校驗無誤，開始進行數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送。在云服務器端，通過遠程訪問，打開網(wǎng)絡調(diào)試助手，協(xié)議類型選擇為TCPServer，配置好本地端口號，點擊連接便可開啟定位數(shù)據(jù)與PC端無線通信，實現(xiàn)軟件與硬件的連接。具體各硬件模塊展示圖如下圖所示。圖5.1STM32單片機模塊圖5.2EC800M定位模塊圖5.3移動電源模塊5.1.2基準站硬件模塊設計基準站采用的是UniStrong北斗地面高精度基準站?；鶞收镜奶炀€固定在信息樓頂樓，精確位置為23.103946°N，113.473930°W，基準站能夠較精確測量出實時的定位信息。UniStrong北斗地面高精度基準站輸出的測量數(shù)據(jù)的格式有兩種，一種是NMEA-0183協(xié)議語句，另一種為RTCM3.0協(xié)議或者RTCM3.2協(xié)議。本實驗是基于北斗導航系統(tǒng)的位置差分定位，選擇輸出的是NMEA-0183協(xié)議語句。在輸出的NMEA-0183協(xié)議語句中，需要獲取的GPRMC語句的內(nèi)容，基準站輸出的RMC語句主要是GPRMC語句，不同于移動站所獲取的GNRMC語句，基準站中的GPMRC語句中也包含了北斗導航信息。GPRMC語句是推薦的最小導航數(shù)據(jù)，GPRMC語句中數(shù)據(jù)包含經(jīng)緯度、UTC時間、航向角等基礎衛(wèi)星定位信息。實驗時，基準站有兩種連接網(wǎng)頁應用的方法，一種是以太網(wǎng)端口登錄，一種是WIFI登錄。本文選擇了用以太網(wǎng)登錄的方法。用一條帶有RJ45接頭的數(shù)據(jù)線，RJ45一端連接設備，另外一端連接計算機，然后打開計算機的瀏覽器，在瀏覽器地址欄輸入：192.168.10.1,輸入后瀏覽器會跳轉至登錄界面。配置完賬戶密碼后，便進入了主界面，可以查看基準站接收機的位置信息、網(wǎng)口參數(shù)、WIFI參數(shù)、GPRS參數(shù)等設備信息。打開界面后，在參考站設置里獲取收斂后的天線所在精確位置，這是接收機經(jīng)過內(nèi)置算法計算后得到的精準數(shù)據(jù)，作為基準站本地坐標。如圖5.5所示。圖5.4參考站坐標基準站接收機連接好接收天線、RJ45線與數(shù)據(jù)傳輸線后，開啟電源會自動實現(xiàn)定位功能，測量值實時顯示在顯示屏中，可通過屏幕直觀觀測到實時的位置信息。如圖5.6所示。圖5.5基準站差分數(shù)據(jù)與定位信息的輸出需要在瀏覽器主界面中的端口設置中設置輸出方式。點擊數(shù)據(jù)傳輸設置，會顯示各串口與Ntrip客戶端、服務器的狀態(tài)。根據(jù)自己所需要接收到的數(shù)據(jù)選擇相應輸出的格式，本文實現(xiàn)的是基于北斗的位置差分，故選擇輸出的語句為NMEA協(xié)議。端口可以選擇COM1、COM2和COM3，端口間并無本質(zhì)區(qū)別，本文選用的是COM1。開啟COM1，波特率選擇為115200bps，功能選擇為NMEA(Output)，NMEA中勾選GGA、GSA、GSV和RMC語句，并設置接收頻率為1HZ，點擊提交便完成了數(shù)據(jù)輸出的端口設置。如圖5.7所示。圖5.6端口設置PC電腦端對基準站數(shù)據(jù)的接收是通過串口接收的，將USB串口端與電腦端相連接，通過串口助手打開串口連接便能獲得相應的定位數(shù)據(jù)。如圖5.8所示。圖5.7基站串口數(shù)據(jù)接收基準站傳輸過來的NMEA協(xié)議中，需要提取的是GPRMC語句，GPMC語句是推薦的最小導航數(shù)據(jù)，基準站中傳輸?shù)腉PRMC語句實際上蘊含的包括GPS、北斗、伽利略等幾種導航系統(tǒng)的定位信息。本實驗所需要用到的數(shù)據(jù)為經(jīng)緯度數(shù)據(jù)，只需提取的是GPRMC語句中的經(jīng)緯度信息。通過編寫串口讀取程序，代碼中設計檢測關鍵語句“$GPRMC”,再對GPRMC后跟著的經(jīng)緯度信息位數(shù)進行判定，提取出來，數(shù)據(jù)中的經(jīng)緯度的度分單位數(shù)據(jù)，需要轉換為度單位數(shù)據(jù)，顯示在編寫的顯示界面中。5.2實驗的軟件設計實驗軟件部分分為三部分，分別為顯示界面、阿里云云服務器ECS與EC800M模塊的代碼實現(xiàn)。三部分互相聯(lián)系，密不可分。5.2.1阿里云云服務器ECSEC800M定位模塊接收到的定位信息，需要通過4G模塊傳送給阿里云云服務器，實現(xiàn)無線傳輸。本文采用的方法是通過TCP將北斗定位數(shù)據(jù)傳輸?shù)桨⒗镌圃品掌?。EC800M在這里作為TCP客戶端，連接到的阿里云云服務器就是服務器端，此時的云服務器是一個公網(wǎng)IP。首先對串口1以及串口2進行初始化，并將波特率設置為115200。對EC800M開機并進行初始化的流程判斷，保證EC800M一切正常，發(fā)送AT+CREG指令檢查SIM卡是否在位，查看是否返回ready；再發(fā)送AT+CGREG指令，查看是否注冊GSM網(wǎng)絡，查看返回的是1還是5,返回1代表正常，返回5代表漫游；接著發(fā)送AT+CGREG指令檢查是否已注冊GPRS網(wǎng)絡，查看返回的是1還是5，這一步很重要，只有返回的是1才代表注冊成功，才可以進行GPRS數(shù)據(jù)傳輸；最后發(fā)送AT+QIACT=1激活場景，讓基站為設備分配個IP地址，然后通過AT+QIACT?指令查詢到設備的IP地址，將模式設置為指令模式，最后檢查是否登陸成功，完成初始化。一切準備就緒后，第一步就是先建立一個SOCKET,如果服務器那邊正常開啟，就會返回+QIOPEN:0,0.如果最后一位不是0，表明連接失敗。連接成功后就可以開始正常的發(fā)送數(shù)據(jù)，發(fā)送成功后會返回SENDOK。對應的單片機代碼如下所示：printf("AT+QIOPEN=1,0,\"TCP\",\"8.138.161.176\",22,0,1\r\n");delay_ms(500);strx=strstr((constchar*)RxBuffer,(constchar*)"+QIOPEN:0,0");while(strx==NULL){strx=strstr((constchar*)RxBuffer,(constchar*)"+QIOPEN:0,0");delay_ms(100);}云服務器登陸成功后，用戶就可以發(fā)送數(shù)據(jù)到云服務器了。主函數(shù)調(diào)用TCP發(fā)送函數(shù)來進行數(shù)據(jù)發(fā)送，分為字符型數(shù)據(jù)和十六進制數(shù)據(jù)。//字符型數(shù)據(jù)printf("AT+QISEND=0\r\n");delay_ms(100);printf("%s",bufferdata);delay_ms(100); USART_SendData(USART2,(u8)0x1a);//·￠?ííê3éoˉêywhile(USART_GetFlagStatus(USART2,USART_FLAG_TC)==RESET){}delay_ms(100);strx=strstr((char*)RxBuffer,(char*)"SENDOK");//ê?·??yè··￠?íwhile(strx==NULL){strx=strstr((char*)RxBuffer,(char*)"SENDOK");//delay_ms(10);}delay_ms(100);Clear_Buffer();//十六進制數(shù)據(jù)printf("AT+QISENDEX=0,\"%s\"\r\n",bufferdata);delay_ms(100);strx=strstr((char*)RxBuffer,(char*)"OK");//ê?·??yè··￠?íwhile(strx==NULL){strx=strstr((char*)RxBuffer,(char*)"OK");//delay_ms(10);}delay_ms(100);Clear_Buffer();EC800M將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆品掌髦?，在服務器端需要下載一個接收數(shù)據(jù)的軟件進行數(shù)據(jù)接收。本文通過使用網(wǎng)絡調(diào)試助手來對數(shù)據(jù)進行接收，網(wǎng)絡調(diào)試助手需要將協(xié)議類型配置為TCPServer進行接收數(shù)據(jù)，并更改本地端口號。圖5.8網(wǎng)絡調(diào)試助手5.2.2EC800M定位模塊EC800M使用前，需要先開機，發(fā)送開機指令，因為GNSS定位模塊是獨立的，需要先對其開機才能使其工作。EC800M發(fā)送AT+QGPS=1對GNSS開機，這里擔心設備沒有開啟，此處多寫了一步開啟判斷，確保開啟成功。printf("AT+QGPS=1\r\n");//delay_ms(300);("AT+QGPS?\r\n");//delay_ms(300);Clear_Buffer();定位數(shù)據(jù)獲取采用的是QGPSNMEA的指令，獲取的是RMC參數(shù)，RMC是推薦的最小導航數(shù)據(jù)，其中包含了最基本的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)，由此獲取的數(shù)據(jù)是原始數(shù)據(jù)，需要將原始數(shù)據(jù)轉換為度單位數(shù)據(jù)，才可以使用。定位數(shù)據(jù)原始數(shù)據(jù)格式為度分單位：經(jīng)度DDDMM.MMMM,緯度DDMM.MMMM，需要將其轉化為度單位數(shù)據(jù)，對應的解析格式為經(jīng)度=DDD+(MM.MMMM)/60,緯度=DD+(MM.MMMM)/60。這樣便將原始數(shù)據(jù)轉換成地圖可以識別的數(shù)據(jù)了，再將數(shù)據(jù)上傳到云服務器中。5.2.3顯示界面開發(fā)本文是基于北斗導航系統(tǒng)的位置差分定位實驗設計與實現(xiàn)，是差分定位的逆過程，差分定位正過程是在基準站獲得差分數(shù)據(jù)，得出差分校正值，差分校正值無線傳輸?shù)揭苿诱?，移動站接收到差分校正值后，在移動站?nèi)部進行差分運算，得到校正后的精確經(jīng)緯度，完成位置差分定位的過程。本文設計的實驗剛好是位置差分定位的逆過程，是將基準站的位置信息與差分信息讀取，在PC端顯示出來，將移動站的定位數(shù)據(jù)通過4G傳輸模塊無線傳輸?shù)絇C端顯示出來，這就需要一個顯示界面將這些定位數(shù)據(jù)與差分數(shù)據(jù)顯示出來，完成移動站上的差分運算遷移到顯示界面中，讓學習者能夠體會差分定位的過程與原理，具體是如何實現(xiàn)差分的。本文對顯示界面的開發(fā)選用Qt軟件作為開發(fā)工具。界面的設計采用的是UI界面設計，通過自定義空間設計出需要的界面，再通過信號與槽機制，將代碼與自定義控件的互通。設計的顯示界面如下圖所示：圖5.7顯示界面界面主體由各個QGroupBox控件組成，每個相應QGroupBox控件中區(qū)分出相應功能區(qū)，分別為基站測量數(shù)據(jù)、移動站測量數(shù)據(jù)、基站精確位置、串口調(diào)試、基站NMEA-0183數(shù)據(jù)以及位置差分過程六大功能區(qū)。串口調(diào)試區(qū)中使用的是ComboBox控件，設計端口ComboBox按鍵，運用串口庫，讀取接入電腦端的所有串口，設置波特率ComboBox按鍵，設置4800、9600、115200的波特率，當有串口接入電腦端時便可以讀取到，選擇需要使用的串口，并設置相應的波特率，完成串口調(diào)試?；鶞收綨MEA-0183數(shù)據(jù)區(qū)是將基準站接收到的NMEA-0183協(xié)議的定位信息用串口讀取后顯示在TextEdit文本框中，并設置連接和斷開的PushButton按鈕，當點擊連接按鈕時啟動串口讀取功能，將串口讀取到的信息顯示在TextEdit文本框，當點擊斷開按鈕時，停止串口讀取，連接與斷開串口的狀態(tài)會顯示旁邊的Label中，當串口連接，Label會顯示“讀取中”，斷開后顯示“串口斷開”，讓使用者能直觀了解串口讀取是否成功。TextEdit文本框中顯示的NMEA-0183協(xié)議數(shù)據(jù)要進行選取，選取以“$QPRMC”語句中的數(shù)據(jù)，通過判斷經(jīng)緯度的位數(shù)，并通過代碼解析將原始數(shù)據(jù)轉化為度格式的經(jīng)緯度，方便在地圖上顯示。將轉化后的經(jīng)緯度信息分別顯示在基站測量數(shù)據(jù)區(qū)的LineEdit文本框中。圖5.8數(shù)據(jù)讀取移動站測量數(shù)據(jù)區(qū)與基準站精確數(shù)據(jù)區(qū)設置了LineEdit文本框，可以讓學習北斗差分定位的學習者自行輸入，移動站的測量數(shù)據(jù)由4G通信模塊通過TCP發(fā)送至阿里云云服務器中獲得，將獲取到的定位信息輸入。位置差分過程區(qū)是讓學習北斗差分定位的學習者體會位置差分的過程，先將測量得到的基站經(jīng)緯度和基準站精確經(jīng)緯度輸入LineEdit文本框中，按下“-”的PushButton按鈕，實現(xiàn)差分數(shù)據(jù)的運算，得出的差分校正值顯示在“=”號右側的LineEdit文本框。再將得到的校正值輸入到“+”PushButton的左側，移動站的經(jīng)緯度輸入到左側，按下“+”PushButton按鈕，實現(xiàn)了差分校正，得出的即是差分運算后較為精準的移動站經(jīng)緯度，至此，完成位置差分定位的實驗。5.3實驗結果移動電源接入移動站，移動站上電后開始工作，實驗將移動站放置于信息樓的三樓空曠處，指令開啟后，移動站開始接收定位信息，并通過4G通信模塊將自己獲取的經(jīng)緯度定位信息無線傳輸?shù)桨⒗镌圃品掌?，在PC端通過遠程訪問云服務器，通過網(wǎng)絡調(diào)試助手觀測實時定位數(shù)據(jù)。圖5.9移動站的放置5.3本章小結本章具體介紹了基于北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的差分定位實驗的硬件和軟件組成。硬件部分包括基準站與移動站，并介紹了端口的設置以及如何通過硬件獲取定位信息，硬件組成主要目的是為軟件系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)。軟件部分主要介紹了實驗系統(tǒng)界面的開發(fā)與整體功能模塊，并詳述了實驗系統(tǒng)界面實現(xiàn)差分運算的過程，這是實驗的核心部分。最后對實驗整體與結果進行了總體介紹。圖5.10數(shù)據(jù)傳輸與界面顯示PC端連接基站，通過串口讀取NMEA-0183數(shù)據(jù)，打開串口連接按鈕，NMEA-0183數(shù)據(jù)開始讀取顯示，并提取出定位信息實時顯示在基站測量數(shù)據(jù)區(qū)的LineEdit文本框中?；鶞收揪_位置為23.103946°N，113.473930°W，將精確位置輸入基站精確位置區(qū)。將基站測量經(jīng)緯度填入“-”號左側，將基站精確經(jīng)緯度填入“-”號右側，點擊“-”號，即可得到差分校正值，再將差分校正值與移動站測量經(jīng)緯度相加，及得到移動站經(jīng)過差分校正后的較為精確的經(jīng)緯度，完成位置差分定位的實驗過程。圖5.11實驗過程結論該實驗分析了差分定位技術的原理與意義，設計出了基于北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的差分定位實驗。實驗中完成了移動站的開發(fā)，并且能夠通過4G通信模塊將定位信息實時發(fā)送，通過Qt開發(fā)軟件開發(fā)了實驗的顯示界面，實現(xiàn)了差分數(shù)據(jù)的顯示與運算。設計最終達到了預期的效果，所實現(xiàn)的功能包括：（1）移動站：移動站能夠獨立工作，移動站通過EC800M模塊實現(xiàn)定位功能，通過集成的4G通信模塊，實時發(fā)送定位數(shù)據(jù)，并且通過TCP協(xié)議將定位數(shù)據(jù)傳輸?shù)桨⒗镌圃品掌髦?，實現(xiàn)定位信息的無線傳輸。（2）基準站：基準站實現(xiàn)差分數(shù)據(jù)的串口傳輸，基準站采用的是UniStrong北斗高精度地面基站，基準站通過配置端口，與PC端通過串口進行數(shù)據(jù)傳輸，基準站通過配置輸出語句來輸出NMEA-0183數(shù)據(jù)，運用Qt編寫代碼解析，提取所需要的$GPRMC數(shù)據(jù)，將原始數(shù)據(jù)轉化為度單位數(shù)據(jù)，顯示在Qt所開發(fā)的顯示界面中。（3）顯示界面：使用Qt開發(fā)軟件開發(fā)實驗的顯示界面，界面顯示基準站的測量經(jīng)緯度數(shù)據(jù)、基準站的精準經(jīng)緯度數(shù)據(jù)、移動站的測量經(jīng)緯度數(shù)據(jù)、基準站的NMEA-0183數(shù)據(jù)以及位置差分運算過程，讓學習者通過對位置差分過程的差體驗，掌握位置差分定位的原理。實驗設計過程中，由于實驗器材以及個人理論知識的局限，使得實驗設計水平遠不足，存在改進空間：（1）界面尚且簡陋，功能實現(xiàn)過于簡單，未能得到優(yōu)化，應繼續(xù)深入學習Qt開發(fā)軟件相關知識，優(yōu)化界面，改進功能。（2）差分定位有三大類型，實驗中僅實現(xiàn)了位置差分，未實現(xiàn)偽距差分與載波相位差分，應該學習偽距差分與載波相位差分，增設剩下的兩個差分定位，才算是完整的差分定位實驗設計。

參考文獻MontenbruckO,SteigenbergerP,PrangeL,etal.TheMulti-GNSSExperiment(MGEX)oftheInternationalGNSSService(IGS)–Achievements,prospectsandchallenges[J].AdvancesinSpaceResearch,2017,59(7):1671-1697.MahajanSM,SingareddyUM.AReal-TimeConductorSagMeasurementSystemUsingaDifferentialGPS[J].IEEETransactionsonPowerDelivery,2012,27(2):475-480.劉若林.基于北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的差分定位應用的研究[J].通信電源技術,2020,37(08):4-6.余夢洋.BDS/GPS網(wǎng)格偽距差分服務及移動終端實時定位算法研究與實現(xiàn)[D]:[碩士學位論文].青島:山東科技大學,2020.CaiC,GaoY.ModelingandassessmentofcombinedGPS/GLONASSprecisepointpositioning[J].GpsSolutions,2013,17(2):223-236.曹翔,史譽州,劉雅奇,等.北斗三號/GPS組合導航系統(tǒng)全球定位性能分析[J].珠江水運,2024,04:24-29.