Reach：基于 Intel® Edison 的设备为每个人带来高精度 GPS

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我们习惯了 GPS 接收器集成在我们周围的消费设备中，但高精度 GPS 在此之前对大多数人来说是遥不可及的。对于车载导航系统或智能手机应用，10 到 15 米的精度足以让人们找到方向。精度在厘米级的高精度 GPS 接收器仅限于专业应用，包括测量、建筑、精准农业和无人机，因为这些系统的成本高达数万美元。

现在，这一切都发生了变化，这要归功于 Emlid，这家公司推出了 Reach，一款高精度 GPS 接收器，基于 Intel® Edison 微型计算机平台，售价 235 美元。该设备重仅 12 克，可以轻松安装在无人机上，尺寸为 26 毫米 x 45 毫米。

Reach 使高精度 GPS 能够以适合无人机和其他应用的小型化外形尺寸提供。

“对于无人机爱好者来说，Reach 可以实现可重复的精准着陆，”Emlid 联合创始人 Igor Vereninov 表示。“我们可以非常精确地对无人机拍摄的图像进行地理配准，这对于构建精确的地形 3D 模型至关重要。Reach 正在阿尔卑斯山区用于实时监测冰川运动，有一个项目正在追踪赛马，还有一个项目正在绘制海底地图，以帮助进行洪水建模等应用。”

他补充道：“我们正在与 Sigro Pilot 合作，提供用于机械导引的解决方案。Sigro 正在开发安装在 Android 平板电脑上的导航软件，该软件使用 RTK GPS（如 Reach）提供的精确坐标来帮助驾驶员遵循路径。如果农民在播种或施肥时能减少重叠，他们就能节省多达 10% 的资源，因为他们只需在需要的地方播种和施肥。”

Android 平板电脑上的机械导引解决方案

由于测量设备对于发展中国家来说通常价格昂贵，Reach 也使那里的建筑和测量应用能够负担得起专业的测量。

一位 Reach 用户 将 Reach 的精度与专业测量设备的精度进行了比较，他在一个 2 公里 x 5 公里的场地设置了 20 个控制点，并使用这两种设备测量了这些点。他发现坐标的偏差仅为 5 厘米，而 Reach 的成本仅为专业设备的一小部分。

关于基站

与现有的专业设备一样，Reach 使用实时动态（RTK）算法和差分全球定位系统（DGPS）技术来提高测量位置的精度。该方法利用卫星信号载波波的相位，而不是信号中的信息，因为载波测量误差范围较小。然而，挑战在于正确地对齐信号，并确保计算不出现一个波或多个波的偏差，从而引入计算位置的误差。RTK 使用已知坐标的基站。基站广播其已知位置以及所有可见卫星的代码和载波测量值，以便移动客户端可以正确对齐载波波相位。这使得移动设备能够以高精度计算其相对于基站的位置。基站可以是临时的或永久的，并且许多设备（距离基站 20 公里以内）可以使用同一个基站进行校正。

Reach 设备可以用作移动客户端，也可以用作基站（如果它是固定的且其坐标已知）。这样，通过 Wi-Fi Internet 接入或无线电通信连接的两个接收器系统即使在没有其他 DGPS 基站的情况下也能计算出精确的坐标。

基站的位置可以使用许多国家/地区商业或免费提供的校正服务（包括持续运行参考站（CORS）网络）进行精确测量。如果基站的精确位置未知，移动客户端仍然可以一致且准确地计算出其相对于基站的位置。

PylonGPS 由北卡罗来纳州立大学研究员 Charles West 开发，他致力于创建一个服务，使从 Reach RTK 基站流式传输 GPS 校正数据到任何想要的人变得简单。Emlid 希望在未来的软件版本中集成此功能，以便用户可以共享其基站的校正信息，并使更精确的定位对所有人来说都更易于访问。

开发 Reach

Emlid 的创始人之前为一家大型商业制造商将测量级 GPS 接收器集成到自动驾驶仪和测绘系统中，成本高达数千美元。“我们无法完全取代那些专业系统，”Vereninov 说。“它们在挑战性环境下性能更好，并且可能具有更远的基站到漫游器距离。但我们正在以截然不同的低价格带来类似的精度。”

Reach 的想法来自于 Emlid 采样了 Tomoji Takasu 开发并由开源社区支持的 RTKLIB 工具包（该工具包采用 BSD 许可证）。“我们曾用它来后处理飞行数据，但很快就看到了它的潜力，”Vereninov 说。“但是，如果我们想实现实时定位，就需要一直将接收器连接到 PC。例如，在测量工作中，您会使用笔记本电脑，但对于无人机或其他小型设备来说，笔记本电脑太重了。我们想到了使用 Intel Edison 单板计算机，它可以在此应用中取代笔记本电脑，因此 RTKLIB 运行在 GPS 接收器本身上。”

借助 Reach 实现的定位精度。红点表示正常 GPS 精度（良好条件下）。绿点表示 Reach 在 RTK 模式下提供的位置。接收器保持静止，因此在理想情况下应无偏差。图表显示 Reach 提供的位置偏差更小，因为绿点更密集。编号的点是此实时图表中最近绘制的点。请注意比例。

深入了解 Reach

Reach 硬件平台由三个组件组成：运行自定义 Yocto 构建的 Linux 操作系统和 RTKLIB 的 Intel Edison 计算机；U-blox GPS 接收器；以及外部 Tallysman 天线，它在实现精确定位方面发挥着重要作用。天线重约 20 克，尺寸约 30 毫米 x 30 毫米，因此可以轻松安装在无人机或任何空间有限的地方。用户可以选择安装备用天线，如果它更适合他们的应用。例如，汽车或收割机可能使用能抑制机械干扰的坚固单元。“天线质量和放置对于 RTK 至关重要，”Vereninov 说。“它应该是设备上首先要考虑的因素，以确保最佳的视野和最小的干扰。所有其他的东西都将由此发展。”

该接收器支持美国的 GPS 卫星星座，以及俄罗斯的格洛纳斯、中国的北斗和日本的 QZSS。未来，Emlid 计划增加对欧盟伽利略卫星星座的支持，以提高信号可用性。使用更多卫星可以提高 Reach 计算出的坐标精度和解决方案的可用性。

除了卫星接收器，Reach 还有一些其他传感器：三轴陀螺仪、加速度计和磁力计。未来，设备软件将升级，使其能够利用这些传感器在信号被阻挡时（例如设备穿过隧道时）推断位置，并测量设备的倾斜或翻滚。

该设备还可以记录任何脉冲时钟源的时间戳标记。3D 测绘中的一个常见问题是需要知道航空照片拍摄的确切位置。当飞机以 20 米/秒的速度行驶时，相机的 1 秒缓冲延迟可能导致图像偏离触发时记录的坐标 20 米。Reach 可以连接到相机的热靴，精确地记录闪光灯触发的时间戳，这与拍照同时发生。通过在飞行后分析 GPS 数据，照片可以与其位置精确匹配。

Reach 配备了与市场上主流自动驾驶仪集成所需的连接器，Emlid 最近还发布了与 Pixhawk 和其自己的 Navio 自动驾驶仪的集成。与自动驾驶仪的集成使得 GPS 数据可以通过用于飞行控制和任务规划的无线电信号进行隧道传输。

精准着陆：一段视频展示了无人机使用 Reach 进行着陆的精度

基于 Intel Edison

为什么开发者选择 Edison？“尺寸和外形因素很重要，尤其是在无人机应用中，”Vereninov 说。“我们能够构建一个不大于 Intel Edison 板本身的设备。Intel Edison 最棒的地方在于其性价比。它是一个功能强大的平台，采用 x86 架构，集成了 Wi-Fi 和蓝牙。我们使用内置的蓝牙将 Android 平板电脑连接到 Reach，这样 Reach 就可以取代 Android 设备上的 GPS，实现更精确的地理信息系统（GIS）应用。Wi-Fi 对于连接到 Internet 以接收基站的校正信息很重要。当您尝试集成射频设备时，通常需要对其进行认证，但 Intel Edison 已将所有内容预集成并预认证。”

Intel Edison 平台拥有 4 GB 内存用于记录数据，以便在数据收集后进行更精确的分析。USB 可用于连接无线电以在 Reach 设备之间进行通信，未来还可以通过软件更新添加 3G 通信和闪存驱动器日志记录。

该设备有许多接口。UART 可用于与自动驾驶仪集成，GPIO 引脚可用于控制相机或触发其他设备。I2C 在无人机中常用于与外部设备通信，Reach 也支持此接口。

Reach 可以通过 USB 端口供电，由无人机中的自动驾驶仪供电，或者使用通常用于给手机充电的移动电源供电。

卫星接收器	U-blox – 72 通道，输出速率高达 18 Hz，支持 GPS/QZSS L1 C/A、GLONASS L10F、BeiDou B1、SBAS L1 C/A：WAAS、EGNOS、MSAS、Galileo-ready E1B/C
计算机平台	Intel Edison – 双核 500 MHz
接口	I2C、UART、GPIO、时间戳、OTG USB、蓝牙、Wi-Fi、GNSS
大小	26 毫米 × 45 毫米
权重	12 克

在浏览器中管理 Reach

当您开启 Reach 设备时，它会自动运行 Wi-Fi 热点模式，因此用户可以使用智能手机连接到它，并更改设置以连接到 Wi-Fi 网络进行软件更新。

ReachView 软件使任何带有网络浏览器的设备都可以连接到 Reach，以设置 RTKLIB、查看设备日志、评估卫星观测质量、更改流式传输设置、配置连接并检查设备位置。ReachView 软件是开源的，并在 GNU GPLv3 许可证下分发。它使用 Python 和 WebSockets 开发，实现了轻量级的实时界面。“ReachView 提供了对 RTKLIB 所有功能的访问，”Vereninov 说。“同时，我们通过解释每个功能的作用和使用易于理解的参数名称来简化它。我们设计的界面让您不必成为测量员或 RTK 专家也能设置设备。”

为了支持用户，Emlid 推出了一个 论坛，并在网站上提供了 详细文档。

ReachView：使用 ReachView 软件，任何带有浏览器的设备都可以用来访问 Reach 设备。

众筹成功

2015 年，Reach 的制造商在 Indiegogo 上发起了众筹活动，以筹集制造该接收器所需的资金。开发人员有一些众筹经验：他们之前筹集了约 30,000 美元来制造基于 Raspberry Pi 的自动驾驶仪 Navio。截至 2015 年 12 月，Navio 的第三代产品已投入生产。

Reach 活动的结果超出了团队的所有预期：目标是 27,000 美元，但该活动获得了 81,960 美元的预订单，推广主要依靠口碑传播，表明高精度定位系统存在强劲需求。最受欢迎的选项是一套两个接收器，适用于 RTK 应用。

得益于与 Intel 的密切合作，Emlid 能够以可负担的价格获得所需数量的 Intel Edison 板。众筹活动结束后五个月，首批 400 个预订的 Reach 模块已发货给客户。

Reach 仍在开发中，并会进行软件更新，频率高达每两周一次。开发团队已从四人发展到十一人，办公地点有屋顶接入。“这节省了大量时间，”Vereninov 说。“开发 GPS 的主要问题是您无法在室内测试。要测试所有细微之处，您需要到户外去。在城市中很难找到一个视野开阔的开放空间。拥有那个屋顶和一个永久放置的天线确实帮助我们节省了开发 Reach 的时间。”

Reach 现已投入常规生产，并可通过 Emlid 网站订购。