RTK定位理论及其应用探讨

RTK 定位理论及其应用研究摘要：目前，RTK 技术已广泛地应用于测绘行业，并随着科技的发展，硬软件的发展，它的应用领域还在不断扩展。集计算机网络管理技术、Internet 技术、无线通讯技术和GPS 定位技术于一身的网络技术的出现更是使的高精度 GPS 定位技术渗透到社会的各个方面，极大的扩展了它的应用范围。网络 RTK 已成为学者研究的一个热点。本文对 RTK的测量原理，系统组成，误差来源及削弱方法，网络 RTK 技术的工作原理和系统组成进行了介绍。并对网络 RTK 的代表 VRS 和基于 VRS 技术的 CORS 系统进行了介绍。关键字：RTK、网络 RTK、虚拟参考站、连续运行卫星定位服务系统Abstract: GPS RTK is widely used in surveying and mapping areas. and with the development of science and technology, as well the development of the hardware and software, its application is expanding continuously. Integrated with the techniques of network management, Internet, wireless communication and GPS positioning, network RTK is seeking application through many aspects of the society. This thesis introduced the GPS RTK theory, the system constitution, the error sources and their weaken method, the principle of the network RTK and systems constituted, and introduced VRS that the representation of the network RTK and the concept of CORS that based on VRS.KEY WORDS：Real Time Kinematic、network RTK 、Virtual Reference Station、Continuous Operational Reference System目 录第 1 章绪论1.1 GPS 卫星定位技术的发展51.2 RTK 技术的兴起6第 2 章 RTK 定位理论2.1 RTK 定位原理82.2 载波相位测量102.3 RTK 测量的误差及其影响132.4 RTK 测量的步骤152.5 RTK 测量须注意的一些问题152.6 RTK 的数据链路问题172.7 RTK 的差分数据格式19第 3 章网络 RTK 及其技术发展3.1 概述203.2 网络 RTK 的工作原理及组成213.3 连续运行卫星定位服务系统(CORS)223.4 虚拟参考站253.5 电离层延迟建模技术283.6 对流层延迟建模技术293.7 卫星完备性监测及实时定轨303.8 通信组成及无线通信技术313.9 网络 RTK（VRS）的软硬件开发33第 4 章 RTK 应用4.1 RTK 在公路测量中的应用 354.2 RTK 在数字测图中的应用 354.3 我国一些具体的 CORS 及 VRS 的建设及应用情况 364.4 RTK 市场及我们面临的挑战 41结论42致谢42参考文献43一章 绪论1.1 GPS 卫星定位技术的发展1.1.1GPS 全球定位系统的建立1973 年 12 月，美国国防部批准他的海陆空三军联合研制新的卫星导航系统：NAVSTAR/GPS。它是英文“Navigation Satellite Timing and Ranging/Global Positioning System”的缩写词。其意为“卫星测时测距导航/全球定位系统” ，简称GPS 系统。该系统是以卫星为基础的无线电导航定位系统，具有全能性、全球性、全天侯、连续性和实时性的导航、定位和定时的功能。能为各类用户提供精密的三维坐标、速度和时间。1.1.2 GPS 系统组成G PS 系统包括三大部分：空间部分GPS 卫星星座，地面控制部分地面监控系统，用户设备部分GPS 信号接收机。（1）GPS 卫星星座：由 21 颗工作卫星和 3 颗在轨备用卫星组成 GPS 卫星星座，记作（21+3）GPS 星座。24 颗卫星均匀分布在 6 个轨道平面内，卫星高度为 20200km，轨道倾角为 55 度，卫星运行周期为 11 小时 58 分（恒星时 12 小时） ，载波频率为 1575.42 MHz 和 1227.60 MHz。卫星通过天顶时，卫星可见时间为 5 小时，在地球表面上任何地点任何时刻，在高度角 15 度以上，平均可同时观测到 6 颗卫星，最多可达 9 颗卫星。 GPS 卫星的作用：发送用于导航定位的信号；其他特殊用途，如通讯、监测核暴等。（2）地面监控系统：包括一个主控站、三个注入站和五个监测站。作用：监测和控制卫星运行，编算卫星星历（导航电文） ，保持系统时间。 主控站设在美国本土科罗拉多。主控站的任务是收集各监测站的数据，编制导航电文，监控卫星状态；三个注入站分别设在大西洋的阿森松岛、印度洋的迪戈加西亚岛和太平洋的卡瓦加兰。任务是将主控站发来的导航电文注入到相应卫星的存储器。五个监测站除了位于主控站和三个注入站之处的四个站以外，还在夏威夷设立了一个监测站。监测站的任务是为主控站提供卫星的观测数据。（3）GPS 信号接收机：任务是能够捕获到一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号，并跟踪这些卫星的运行，对所接收到的 GPS 信号进行变换、放大和处理，以便测量出 GPS 信号从卫星到接受机天线的传播时间，解译出 GPS 卫星所发送的导航电文，实时地计算出测站的三维位置，甚至三维速度和时间。1.1.3 GPS 的特点GPS 系统具有以下特点：（1）定位精度高；（2）观测时间短；（3）测站间无需通视；（4）可提供三维坐标；（5）操作简便；（6）全天候工作；（7）功能多，应用广。1.14 应用GPS 应用广泛，可以进行海陆空的导航，导弹的制导，大地测量和工程测量的精密定位，时间的传递和速度的测量等。对于测绘领域，GPS 卫星定位技术已经用于建立高精度的全国性的大地测量控制网，测定全球性的地球动态参数；用于建立陆地海洋大地测量基准，进行高精度的海岛陆地联测以及海洋测绘；用于监测地球板块运动状态和地壳形变；用于工程测量，成为建立城市与工程控制网的主要手段；用于测定航空航天摄影瞬间的相机位置，实现仅有少量地面控制或无地面控制的航测快速成图，导致地理信息系统、全球环境遥感监测的技术革命。1.2 RTK 技术的兴起随着通信技术和信号处理技术的快速发展，更精确、更有效的定位方式层出不穷，实时动态测量技术(Real Time Kinematic,简称 RTK)就是其中比较有代表性的技术之一。实时动态测量的基本思想是在基准站上安置一台 GPS 接收机，对所有可见 GPS 卫星进行连续地观测，并将其观测数据，通过无线电传输设备，实时地发送给用户观测站。在用户站上，GPS 接收机在接收 GPS 卫星信号的同时，通过无线电接收设备，接收基准站传输的观测数据，然后根据相对定位的原理，实时的计算并显示用户站的三维坐标及其精度。RTK 技术始于 20 世纪 90 年代初，经过十几年的发展，它的技术已趋于成熟，并以其实时、高效的特点广泛应用于控制测量、地形测图、工程测量等实际生产中，并且受到测绘人士的热烈欢迎。目前，我国国内很多单位都配置了 RTK 接收机。RTK 技术的关键是：快速准确地求解整周模糊度技术。目前，OTF（on the fly）已能在 1 分钟内实现整周模糊度的快速求解。较好的解决 GPS 信号失锁状态下快速重新初始化。数据链问题。一般通过民用无线电台来实现。坐标参数的转化问题。RTK 技术是建立在流动站和基准站误差强相关的假设基础上，当流动站和基准站距离较近时，假设可较好成立，但当它们距离逐渐变远时，误差相关性便越来越差，各项误差迅速增加，从而导致难以确定整周模糊度，无法获得固定解。在这种情况下为了获得高精度的定位结果就必须采取一些特殊的方法和措施,于是网络 RTK 技术便应运而生了。网络RTK，又称多基站RTK。它是指在一定区域内建立多个（最少三个）基准站，对该地区构成网状覆盖，并以这些基准站中的一个或多个为基准，计算和发播改正信息，对该地区内的卫星定位用户进行实时误差改正的定位技术。它可以克服常规RTK的不足，实现差分作用广、定位精度高的优点。且可靠性、可用性比常规 RTK 有了很大提高。20世纪90年代以来，国际上逐渐开始了对网络RTK的研究，目前网络RTK技术已成了GPS 精密定位研究的一个热点。经过多年的研究，已出现了较成熟的理论，其中最具代表性的是：VRS（virtual reference stations）和FKP（network area corrections）技术。目前，日本、新加坡、德国和香港等国家和地区都已建立了自己的网络RTK系统。在我国国内，几个城市也都开始建立自己的网络RTK定位系统。深圳市于2001年建成了我国第一个基于网络RTK技术的连续运行卫星定位服务系统。本文分四章。第一章主要介绍了GPS的建立，以及RTK的兴起。第二章主要介绍了常规RTK的基本原理、误差影响、以及常规RTK测量一些需要注意的问题。这是本文的基础。第三章介绍了网络RTK的基本理论、及其代表算法VRS和基于网络RTK技术的连续运行卫星定位服务系统。这是本文的重点。第四章介绍了基于常规RTK和网络RTK技术的应用。第二章 RTK 定位理论2.1 RTK 定位原理实时动态测量技术（Real Time Kinematic，简称 RTK） ，是以载波相位观测量为根据的实时差分 GPS 测量技术，它是 GPS 测量技术发展中的一个新突破。常规 RTK 测量是根据 GPS 的相对定位理论，将一台接收机设在基准站，另一台或几台接收机放在流动站上，同步采集相同卫星的信号。基准站在接收 GPS 信号并进行载波相位测量的同时，通过数据链将观测值、卫星跟踪状态和测站坐标信息按照 RTCM 数据格式一起传送给流动站，流动站通过数据链接收来自基准站的数据，并对数据解调后，利用 GPS 控制器内置的随机实时数据处理软件，与本机采集的 GPS 观测数据组成差分观测值，进行实时处理，给出待测点的坐标、高程及实测精度。为消除卫星钟和接收机钟的钟差，削弱卫星星历误差、电离层延迟误差和对流层延迟误差的影响，在常规 RTK 中通常都采用双差观测值。RTK 技术根据差分方法的不同分为修正法和差分法。所谓修正法，即将基准站的载波相位修正值发送给用户，改正用户接收到的载波相位，再解求坐标。所谓差分法，即是将基准站采集的载波相位发送给用户，进行求差解算坐标。可见，修正法属准 RTK，差分法为真正 RTK。RTK技术的关键在于数据处理和数据传输技术。主要有三个方面,一是求解起始的整周模糊度(初始化)；二是基准站与流动站间的数据传输；三是合适的坐标转换参数。整周模糊度的确定：目前应用最多的为 OTF 算法,它是在流动站近似坐标和协方差的基础上确定整周模糊度的搜索空间,在此空间内计算所有的可能模糊度解,然后通过比较最小方差选择最大优解和次优解,最后确定整周模糊度。它能在 1 秒内确定模糊度,对于失锁后再次锁定将更快。数据的传输及坐标转换参数在后面详细介绍。RTK 系统的组成：基准站、流动站、数据链。基准站：接收机设在具有已知坐标的参考点位上，连续接收所有可视 GPS 卫星信号。由于 GPS 卫星处在 210 km 的高空，从卫星发出的信号到接收机接收，中间经过电离4层、对流层以及多方面的干扰，信号十分微弱。同时，RTK 的数据链采用超高频（UHF）电磁波，它的传输距离与接收机天线的高度、地球曲率的半径及大气折射等因素有关。故要提高 GPS 信号接收的质量，基准站必须远离各种强电磁干扰源（如高压线、电视台等）；同时为减少多路径效应的影响，基准站周围应无明显的大面积的信号反射物（如大面积水域、大型建筑物等）；另外，基准站电台天线之间无大的遮挡物（如高层建筑物、高山等），且天线尽量设置高些，以提高数传电台的传输距离。流动站：要先初始化，即确定整周未知数，完成整周未知数的搜索求解后，进入动态作业。可以先在已知点上初始化后，再进入动态作业；也可在动态条件下直接初始化。在正常条件下,地面两点间距离较短时,系统能够模拟电离层和对流层的影响,其残余影响也可通过对观测值的差分处理予以消除或减弱。但电离层的电子含量会随时空发生剧烈变化,卫星信号到达基准站和移动站将有不同的影响,且基线越长,影响越大,当电离层剧烈活动时,将导致周跳或失锁,即使是短基线也需要大大延长观测时间才能固定整周模糊值,严重时(如太阳黑子爆发时) 甚至根本不能固定整周模糊值。实践证明,确定整周模糊值的时间和可靠性取决于 4 个因素,即接收机类型(单频或双频)、所观测卫星的个数、移动站至基准站的距离及 RTK 软件质量。一般地,双频 RTK 初始化的时间比单频RTK 要短,而且同距离的关系不大；解算时采用的星数越多,RTK 的精确性和可靠性越好；移动站至基准站的距离越近,其初始化的时间也越短。数据链：能否实时接收基准站的差分信号，是 RTK 能否成功的决定因素，也是制约RTK 测程的关键因素。测绘领域，目前都采用 UHF 电台播发的差分数据，其频率大约为450-470MHz，波长约 60cm 左右。其最大的传输距离是由接收机天线的高度、地球的曲率半径及大气折射等因素决定的。因此，在沙漠、戈壁、平原、海域等地区 RTK 定位的效果较好；而在城区、山地、森林等地进行 RTK 测量时，其成果质量及作业效率将受一定影响，甚至无法进行作业。RTK测量工作时的要求： （1）能接收5个以上的卫星。 （2）迁站过程中不能关机，不能失锁。 （3）必须能同时接收到GPS 卫星的信号和基地站播发的差分信号。星数问题限制了 RTK 技术的应用范围。在城镇、林荫、山地等地区，凡所测星数少于5个时，RTK测量就会遇到困难。将来，当GLONASS卫星全部组投入生产后，困难会少些。RTK已在测量和工程界产生了重要影响，带来了空前的高效率。而随着最新计算机网络管理技术、Internet技术、无线通讯技术和GPS定位技术于一身的网络RTK技术的出现，将使GPS的发展进入一个新的阶段，使GPS的应用范围更加扩大，从根本上提高测量的质量和效率。2.2 载波相位测量2.2.1 载波相位测量原理：载波相位测量的观测量是 GPS 接收机所接收的卫星载波信号与接收机本振参考信号的相位差。以 表示 k 接收机在接收钟面时刻 时所接收到的 j 卫星载波信号的相)(kjtkt位值， 表示 k 接收机在钟面时刻 时所产生的本地参考信号的相位值，则 k 接收kt kt机在接收机钟面时刻 时观测 j 卫星所取得的相位观测量可写为：kt)()(kjj t（2.1）通常的相位或相位差测量只是测出