高精度RTK定位导航模块软硬件协同设计

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摘要

本文提出一种基于实时动态载波相位差分（RTK）技术的高精度定位导航模块软硬件协同设计方法。通过优化硬件架构（多频GNSS接收机、IMU传感器融合）与嵌入式软件算法（卡尔曼滤波、模糊度解算），实现厘米级定位精度。结合FPGA硬件加速与ARM处理器实时调度，显著提升系统响应速度与稳定性。实验表明，该模块在开阔环境下水平定位误差≤2cm，动态场景下性能优于传统单点定位模块50%以上。

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1. 引言

1.1 RTK技术背景与发展现状
1.2 软硬件协同设计的必要性
1.3 论文创新点（多源数据融合架构、低功耗硬件加速）

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2. 系统总体设计

2.1 技术指标

• 定位精度：静态≤1cm，动态≤2cm
• 更时间：<10秒
• 功耗：<3W（全负载）
• 支持协议：NMEA-0183、RTCM 3.3

2.2 系统架构

┌───────────────────────┐
│       GNSS天线        │
└──────────┬───────────┘↓
┌───────────────────────┐
│ 多频RTK接收机        │
│ (UBLOX ZED-F9P)      │
└──────────┬───────────┘↓
┌───────────────────────┐
│  IMU数据融合单元     │
│ (MPU-9250)           │
└──────────┬───────────┘↓
┌───────────────────────┐
│  FPGA预处理模块      │
│ (Xilinx Artix-7)      │
└──────────┬───────────┘↓
┌───────────────────────┐
│  ARM Cortex-M7主控   │
│ (RT-Thread实时OS)    │
└──────────┴───────────┘

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3. 硬件设计

3.1 射频前端电路

• 低噪声放大器(LNA)设计
• 多路径抑制天线布局