REACH：基于英特尔EDISON 的设备可为所有人制作经济适用的高精度 GPS

由 editor 提交于周六, 8 十月 2016 - 14:10

我们习惯将 GPS 接收器集成至各种消费类设备，但到目前为止，对于大多数人来说，高精度 GPS 依然遥不可及。对于车载导航系统或智能手机应用来说，10-15 米的精确度就足以帮助人们准确查找路线。精确至厘米的高精度 GPS 接收器仅限于专业应用，包括测绘、建筑、精细农业和无人机，因为这些系统成本高达数万美元。

现在，这种情况正在发生变化。得益于 Emlid（发明 Reach的公司），售价 235 美元、基于英特尔® Edison 微计算机平台的高精度 GPS 接收器现已上市。该设备重量仅 12 克，尺寸为 26 毫米 x 45毫米，可轻松安装在无人机上。

<center>Reach 专门针对无人机和其他应用推出了这种小外形高精度 GPS。</center>

Emlid 联合创始人 Igor Vereninov 表示：“对于无人机发烧友来说，Reach 支持反复精确的降落动作。我们可以出色地对无人机拍摄的图片进行地理参照，这对创建精确的 3D 地形模型至关重要。 Reach 用于 Alps 实时监控冰川运动、追踪赛马的项目，以及绘制海床地图以帮助洪水建模等应用的项目。”

他补充说： “我们正与 Sigro Pilot 合作交付机械导航解决方案。 Sigro 致力于开发的导航软件可安装在 Android 平板电脑上，并使用 Reach 等 RTK GPS 的精确坐标帮助驾驶员查找路线。农民在播种或施肥时，如果可以减少来回重复率，只在需要的地方进行播种和施肥，能够节省高达 10% 的资源。”

<center>基于 Android 平板电脑的机械导航解决方案</center>

在开发领域，测量设备通常价格高昂。Reach 还可帮助建筑和测量应用以经济高效地方式进行专业测量。

一位 Reach 用户对<a href="http://community.emlid.com/t/good-end-results-and-comparison/1575" rel="nofollow">对 Reach 和其他专业测量设备的精度进行了对比</a>，具体方法是：在 2 x 5 千米的区域放置 20 个控制标志，并使用两种设备测量这些点。他发现，坐标之间仅相差 5 厘米，而 Reach 的成本只相当于专业设备的一小部分。

问题根本在于基站

与现有专业设备相同，Reach 使用 Real-Time Kinematic (RTK) 算法和差分全球定位系统 (DGPS) 技术提高测量位置的精确度。该方法使用卫星信号的载波相位，而不是信号中的信息，因为载波相位测量的错误率较低。然而，面临的挑战是如何正确对齐信号，并确保计算不相差一个或多个载波而导致计算位置不准确。 PTK 使用处于已知坐标的基站。基站为视野内的所有卫星播送其已知位置、代码和载波测量值，以便移动客户端正确对齐载波相位。这样有利于移动设备以较高的精确度计算它们与基站的相对位置。基站可以是临时的，也可以是永久的。20 千米范围内的设备都可使用相同的基站进行校正。

Reach 设备可用作移动客户端，如果处于固定位置且其坐标可知，那么也可用作基站。这样，即使没有其他 DGPS 基站，通过 Wi-Fi 互联网接入或无线电通信相互连接的双接收器系统也能够计算精确的坐标。

在许多国家，使用商用或免费可用校正服务可精确测量基站的位置，包括连续运行参考站 (CORS) 网络。如果不知道基站的精确位置，移动客户端仍然可以持续、准确地计算其相对于基站的位置。

PylonGPS 由北卡罗来纳州立大学的研究员 Charles West 开发而成，他致力于创建的服务能够简化将 Reach RTK 基站的 GPS 校正数据通过互联网传输至任意用户的过程。 Emlid 希望将这项服务集成至未来的软件版本，以便用户能够共享基站的校正值，并供所有人更加精确地定位。

开发 Reach

Emlid 创始人之前为一家商用厂家将测绘级 GPS 接收器集成至自动驾驶仪和绘制系统，其成本高达数千美元。 Vereninov 表示：“我们无法完全替换这些专业系统。在挑战环境方面，它们的表现更好，从探测车到基站的距离可以更远。但我们能够以更低的价格实现相同的精度。”

Emild 对 Tomoji Takasu 开发，并由开源社区（工具套件拥有 BSD 许可）提供支持的 RTKLIB 工具套件进行抽样时，迸发出了开发 Reach 的想法。 Vereninov 说：“我们曾经用它对飞行数据进行后期处理，但很快发现了它的潜能。不过，如果希望进行实时定位，需要确保接收器始终连接至 PC。例如，你可以使用笔记本电脑进行测绘，但对于无人机或其他小型设备来说，它的重量太大。我们的想法是使用英特尔 Edison 单板计算机，它可替代笔记本电脑，这样 RTKLIB 能在 GPS 接收器上运行。

Reach 助力实现定位精准性。红点表示良好条件下正常的 GPS 精度。绿点表示 Reach 在 RTK 模式下提供的精度。接收器保持固定不变，以便在理想情况下不出现任何偏离。上图显示 Reach 提供偏离较小的位置，因为绿点的距离更近。在该实时图表中，标上数字的圆点是最新绘制的点。请注意比例。

深入了解 Reach

Reach 硬件平台包含三个组件：运行定制、Yocto 构建的 Linux 操作系统和 RTKLIB 的英特尔 Edison 计算机；U-blox GPS 接收器；和外部 Tallysman 天线（在支持精准定位方面发挥重要作用）。天线的重量约为 20 克，尺寸约为 30 毫米 x 30 毫米，此可以轻松安装在无人机或空间受限的任何位置。如果有更适合应用的天线，用户也可以选择使用。例如，汽车或收割机可能使用抗机械干扰的坚固装置。 Vereninov 说：“天线的质量和位置对 RTK 至关重要。它应该作为设备的首要考虑因素，以确保最佳的能见度和最小干扰。其他一切都属于次要因素。”

接收器支持美国的 GPS 卫星图、俄罗斯的 Glonass、中国的北斗和日本的 QZSS。未来，Emild 计划新增对欧盟的 Galileo 卫星图的支持，以提高信号可用性。使用更多卫星有利于 Reach 提高计算坐标的精确度和解决方案的可用性。

除卫星接收器外，Reach 还有许多其他传感器：三轴陀螺仪、加速计和磁力计。未来，该设备软件将进行更新，以便在信号受阻（比如设备通过隧道）时，使用这些传感器推断位置，并测量倾斜度和设备旋转。

设备还可记录从任意脉冲时钟源传来的计时标志。 3D 绘制的常见问题是需要知道航空照片精确的拍摄地点。如果飞机以 20 米/秒的速度飞行，摄像头1 秒钟内的缓冲延迟将造成图片偏离触发时所记录的坐标 20 米。 Reach 可连接至摄像头的热靴插座，从而在闪光灯亮时精确盖上时间戳，这一行为与拍摄照片同时进行。飞行完成后，通过分析 GPS 数据，照片与位置能够准确匹配。

Reach 附带了集成市场上主要自动驾驶仪所需的接口，而且 Emild 近期还发布已与 Pixhawk 以及与自己的 Navio 自动驾驶仪相集成。与自动驾驶仪相集成有助于 GPS 数据穿过无线电信号，用于飞行控制和航路规划。

精准着陆：<a href="https://dn-idzvideo.qbox.me/video/temp/Pixhawk%20precision%20landing%20…; rel="nofollow" target="_blank"> 视频显示无人机使用 Reach 着陆的精准度</a>

基于英特尔 Edison 构建

开发人员为何选择 Edison？ Vereninov 说：“尺寸和外形非常重要，尤其对无人机应用来说。我们能构建比英特尔 Edison 开发板小的设备，但英特尔 Edison 最大优势是性价比。它使用 x86 架构，并集成了 Wi-Fi 和蓝牙，是一款功能非常强大的平台。我们使用内置蓝牙将 Android 平板电脑连接至 Reach，以便 Reach 将 Android 设备上的 GPS 替换成更精确的地理信息系统 (GIS) 应用。对连接互联网以接收基站的校正值来说，Wi-Fi 非常重要。尝试集成无线电频率设备时，通常需要进行验证，但如果采用英特尔 Edison，一切都已预先完成集成和验证。

英特尔 Edison 平台拥有 4GB 内存来记录数据，因此，数据收集后能够以更大的精度进行分析。 USB 可用于连接无线电，以支持 Reach 设备之间的通信。未来，通过软件更新，还可添加 3G 通信和闪存驱动器日志。

设备配备了许多接口。 UART 可用于集成自动驾驶仪，GPIO 针脚用于控制摄像头或触发其他设备。 I2C 通常用于无人机与外部设备保持通信，也适用于 Reach。

无人机的自动驾驶仪或常用于为手机充电的移动电源可通过 USB 端口为 Reach 供电。

通过浏览器管理 Reach

打开 Reach 设备后，它将自动运行 Wi-Fi 热点模式，以便用户将其连接至智能手机，并更改设置以连接 Wi-Fi 网络进行软件更新。

<a href="https://github.com/emlid/ReachView" rel="nofollow">ReachView</a> 软件支持带有 Web 浏览器的设备连接至 Reach 以设置 RTKLIB、查看设备日志、评估卫星观测质量、更改流传输设置、配置连接和查看设备位置。 ReachView 是一种开源软件，通过 GNU GPLv3 许可证分发。它使用 Python 和 WebSocket 开发而成，以支持轻量级实时界面。 Vereninov 说：“ReachView 支持访问 RTKLIB 的所有特性。同时我们可以通过解释各特性的用途和使用适用于参数、便于理解的名称，对其进行简化。我们对界面进行了设计，即使不是专业的测绘人员或 RTK 专家，也可轻松设置设备。”

为支持用户，Emlid 发布了<a href="http://community.emlid.com/" rel="nofollow">论坛</a>，并在网站上提供<a href="http://docs.emlid.com/reach/" rel="nofollow">详细的文档</a>。

<center>ReachView：通过使用 ReachView 软件，任何带有浏览器的设备都可以用于访问 Reach 设备。</center>

众筹成功

2015 年，Reach 发明者在<a href="https://www.indiegogo.com/projects/reach-first-affordable-rtk-gps-recei…; rel="nofollow">在 Indiegogo 上发起了众筹活动</a>，以筹集制作这一接收器所需的资金。开发人员具有一定的众筹经验：他们曾经筹集了 30,000 美元制作基于 Raspberry Pi 的自动驾驶仪 <a href="http://www.emlid.com/" rel="nofollow">Navio</a>。截至 2015 年，他们已经生产出了第三代 Navio。

Reach 众筹活动的结果超出了团队的预期：他们计划筹集 27,000，但最后预定额达到了 81,960 美元，并取得了很好的口头宣传效果，这表明市场对高精度定位系统有很大的需求。最受欢迎的方案是适用于 RTK 应用的双接收器系统。

得益于与英特尔开展的紧密合作，Emlid 以较低的成本购置了所需的英特尔 Edison 开发板。众筹活动结束五个月后，他们向客户交付了第一批预定的 400 块 Reach 模块。

Reach 将持续进行开发，每两周通过软件更新进行一次扩展。开发团队已从 4 人扩大至 11 人，在带有天窗的办公室工作。 Vereninov 说：“这样能够最大限度地节省时间。开发 GPS 面临的最大问题是不能在室内测试。一个小小的测试都必须在室外进行。在城市里无法找到视野好的开阔地带。设置这样的屋顶并安装永久天线，能够帮助我们大大节省开发 Reach 的时间。

Reach 现已进入正常生产阶段，<a href="http://www.emlid.com/reach/" rel="nofollow">可通过 Emlid 网站订购</a>。