集成RTK-LoRaWAN技术，实现能源高效、精确的物联网定位——适用于连接受限的环境

《Internet of Things》：Integrated RTK-LoRaWAN for Energy-Efficient Precision IoT Positioning in Connectivity-Constrained Environments

实时定位技术在LoRaWAN框架下的集成与优化，结合RTK-GNSS与LoRaWAN技术，降低能耗并扩展通信覆盖，适用于农业等远程场景。

　　

郭一晨|廖全环|亚历克斯·科伊|张凯Max

康奈尔大学机械与航空航天工程学院，美国纽约州伊萨卡市14853

摘要

在农村和基础设施匮乏的环境中，为自主物联网系统实现精确的实时定位仍然是一个重大挑战，尤其是在能源和连接性方面。传统的实时运动学（RTK）全球导航卫星系统（GNSS）依赖Wi-Fi或蜂窝网络来传输校正数据以实现精确定位，但这需要大量能源，在农业或偏远地区往往不可用。本文提出了集成RTK-LoRaWAN架构，该架构将RTK GNSS校正服务与长距离广域网络（LoRaWAN）技术相结合，以降低与通信相关的能源需求，并将校正数据传输扩展到连接受限的环境中。该系统支持双重校正来源：在有互联网的情况下使用基于互联网的校正服务，在断开连接时通过本地网关进行传输，并通过消息分段和优先级下行链路调度来优化LoRaWAN上的RTK校正传输。现场实验表明，在所报告的测试环境中，LoRaWAN配置的接收器报告的水平精度与Wi-Fi RTK配置相当，同时将漫游器的通信能耗降低了约50%，总通信能耗降低了约15%。数据包接收实验进一步显示，LoRaWAN在远大于Wi-Fi的距离上保持了高校正传输可靠性，在测试环境中1.25公里的距离内数据包接收率超过80%。这些结果表明，集成RTK-LoRaWAN是一种适用于精准农业和远程基础设施监测等应用的节能高效高精度物联网定位的实用方法，而多设备可扩展性、外部真实验证以及详细的延迟特性分析仍是未来研究的重要方向。

部分摘录

术语表

物联网络通过互联网协议传输RTCM的数据通用异步收发器接收信号强度指示器信噪比先进先出微控制器

UGV	无人地面车辆
GNSS	全球导航卫星系统
RTK	实时运动学
LoRaWAN	长距离广域网络
IoT	物联网
RTCM	海事无线电技术委员会
LPWAN	低功耗广域网络
LNS	长距离广域网络服务器
TTN
SPI	串行外设接口
NTRIP
UART
RSSI
SNR
FIFO
MCU

方法

传统的RTK定位依赖于Wi-Fi或蜂窝网络，这在偏远或基础设施受限的地区可能能耗较高且不切实际。本研究的方法将GNSS校正数据传输集成到LoRaWAN框架中，创建了一个以网关为中心的架构，其中服务器、网关和终端设备协作通过长距离低功耗链路传播RTK校正数据。该方法设计用于支持两种操作条件：

能效

图6总结了三种评估配置下的平均通信相关功耗。仅使用GNSS的基线配置消耗的功率最低，因为它不需要外部校正数据传输，但代价是定位性能显著较差。Wi-Fi RTK配置的通信相关功耗最高，其中大部分功耗来自网关端的持续数据处理和高吞吐量操作。

结论

本文提出了集成RTK-LoRaWAN架构，该架构通过LoRaWAN在连接受限的环境中传输RTK GNSS校正数据。在所报告的测试环境中，LoRaWAN配置的接收器报告的水平精度与Wi-Fi RTK配置相当，同时降低了漫游器的通信能耗，并实现了更远的校正数据传输距离。这些结果表明，LoRaWAN可以作为一种实用的解决方案。

作者贡献声明

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  郭一晨：概念构思、方法论、研究、硬件和软件设计、初稿撰写。
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  廖全环：概念构思、方法论、研究、验证、初稿撰写、审稿与编辑。
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  亚历克斯·科伊：资源协调、验证、撰写、审稿与编辑。
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  张凯Max：项目监督、资金获取、项目管理、撰写、审稿与编辑。

手稿准备过程中生成式AI和AI辅助技术的使用声明

在准备这项工作时，作者使用了OpenAI GPT-5.4工具辅助语言编辑。使用该工具后，作者根据需要对内容进行了审阅和编辑，并对发表文章的内容负全责。

作者贡献声明

郭一晨：撰写、审稿与编辑、初稿撰写、软件开发、方法论研究、概念构思。廖全环：撰写、审稿与编辑、初稿撰写、软件开发、方法论研究、形式分析、数据整理。亚历克斯·科伊：撰写、审稿与编辑、方法论研究、形式分析。张凯Max：撰写、审稿与编辑、项目监督、方法论研究、资金获取、概念构思。