第04章 网络RTK技术 第七稿 廖

1、第04章 网络RTK技术CORS最基本和最主要的应用是高精度实时差分定位服务与事后差分解算服务，即为用户提供高精度的定位服务，主要服务测量测绘工程用户。早期的CORS采用的普通单站RTK方式进行广播差分数据发送服务，这种差分解算和服务方法与普通RTK基本相同，服务范围小、精度较低、使用限制多且可靠性差。随着CORS网络的形成，为以多个参考站数据为基础网络差分数据计算提供了基础，并形成了各种网络RTK的差分算法，极大提高了差分解算的服务范围、精度和可靠性。并在全球范围内形成了几种主要的网络RTK差分解算方法。同时CORS数据中心存储参考站数据为GPS静态观测后差分解算提供了数据基础，可以为用户提

2、供GPS静态观测后差分解算服务。本章将具体讲解网络RTK的基本原理、分类，并介绍利用CORS数据进行GPS静态观测后的基本过程以及GPS数据分析技术。4.1 网络RTK概述 网络RTK是CORS系统产生的原因和最主要的应用之一。目前，我国大多数CORS均由测绘部门或国土部门承建，其主要目的就是进行网络RTK作业，用于测量和测绘工作。网络RTK从最早的单站载波相位差分发展到今天采用多站进行差分解算，但是各地的CORS不是采用统一的解算方式，目前世界上有多种网络RTK解算技术，其解算的理论基础和方法都不相同，主流的网络RTK差分解算方法包括五种。 4.1.1网络RTK概念 网络RTK技术就是利用C

3、ORS各个参考站观测信息，以CORS网络体系结构为基础，建立精确的差分信息解算模型，解算出高精度的差分数据，然后通过无限通讯数据链路将差分改正数发送给用户。网络RTK技术集Internet技术、无线通讯技术、计算机网络管理技术和GPS定位技术于一体，是CORS网络服务系统和核心支持技术和解决方案。依靠网络将参考站连接到计算中心，联合若干参考站数据解算或消除电离层、对流层等影响，以提高RTK定位可靠性和精度的方法，其主要特点包括：l CORS网络范围：从RTK的点到参考站覆盖的区域，即从早期单站RTK覆盖范围发展到CORS网络的整网范围；l 资源共享：参考站之间通过通讯系统实现数据共享，并通过互

4、联网络实现参考站数据和基准共享；l 标准：网络RTK采用统一的标准和统一差分格式，确保系统的兼容性l 差分解算模型：以CORS网络为框架，以参考站数据和基准坐标为基础建立专门的解算数学模型。4.1.2基本原理 1.目标：减少或消除误差的影响 l 电离层延迟：建立区域电离层模型或通过误差内插进行消除。 l 对流层延迟：模型消除或误差内插消除。 l 卫星轨道和钟差：可利用精密星历消除。 2.常规RTK与网络RTK的比较l 精度比较单点定位常规RTK采用单点差分解算，且解算模型与用户位置和状态无关，差分信息为通用差分信息，解算精度低；网络RTK解算是采用3个以上的参考站数据和坐标基准数据，并且结合了

5、用户位置和环境情况进行差分解算，极大提高了差分解算精度。l 服务范围比较单点常规RTK服务范围仅限于以参考站为中心大约10公里范围内，如果采用点对点的网络传输，差分服务范围最大也能只能勉强达到20公里，而且差分精度随着流动站和参考站距离增大衰减严重。网络RTK在整网范围内任何地点的网络RTK精度在理论上是相同的（在CORS网络合理的条件下），并且网外差分服务范围可以延伸网外约60公里，与传统RTK相比，网络RTK差分服务范围提高了100以上。l 可靠性单点常规RTK，用户接收单个参考站站差分信息，一旦该参考站出现故障，则其原有服务范围内的用户不能继续接受差分数据服务，因此可靠率极低。网络RTK

6、差分解算是采用多参考站整网解算差分信息，当一个参考站出现故障时，系统可以立刻重新组网提供网络差分解算服务，网内用户几乎不受影响。与传统常规RTK相比，可靠性很高。4.1.3网络RTK的关键技术 1.利用多个参考站观测数据对电离层、对流层、观测误差的误差模型进行优化。2.多个参考站已知坐标和观测数据快速确定某类整周模糊度值，然后进一步确定误差模型的精细结构。3.利用上述误差模型和整周模糊度寻找确定流动站的误差修正的算法。4.利用修正后的流动站观测值和参考站坐标固定流动站整周模糊度。5.快速、实时性解算技术，结果精度和可靠性的检验。 4.1.4 网络RTK的基本计算方法网络RTK改正数计算是通过相

7、位观测值与改正数（差分数据）联合计算获得高精度解算坐标，差分改正数包括MSTIDs的电离层改正数，对流层改正数和轨道改正数。其中网络中相位观测值可由式(1)决定 （1）其中，为载波相位长，为载波相位观测值，为站星间几何距离，I为电离层延迟，T为对流层偏差，O为卫星轨道偏差，M为多路径效应误差，为接收机噪声，i、k为卫星标号，、分别为单差及双差因子；A、V为主参考站及VRS标号；在小范围内，式子可以简化为 (2)可见网络RTK观测值的关键是精确计算空间相关改正数。下面论述具体改正模型1 MSTIDs电离改正数模型电离层改正模型内插公式为 （3） 其中=(,., , )是各参考站基线双差电离层延时

8、矢量，（. . ）是各基线对应的内插系数矢量。2 改进的对流层改正数计算模型对流层延迟误差受高程方向因子影响显著，当对流层与参考站高程差异达到900m时，其区域内插模型的负面值可以达到6.8cm。为消除上述高程方向模型偏差影响，将对流层模型相对纠正结果引入网络区域内插模型中，建立自主修正高程方向偏差的距离相关模型，如式（4）所示（4）其中，u,j分别表示用户和参考站，i，k为卫星号；n为网络中参考站数量，为内插模型系数；、为各参考站与用户接收机之间的距离。3 轨道改正数轨道改正数法综合利用IGS精密预报星历和GPS广播星历信息，实现卫星轨道改正数的直接计算和预报，其计算公式为 （5）其中为广播

9、星历计算的双差几何距离，为IGS精密预报星历的几何距离。通过相位观测值和各改正数计算获得基本网络RTK解算结果。以上为网络RTK基本计算公式，但是实际计算差分改正数包括、内插模型系统等，还需要网络RTK解算模型。网络RTK差分解算模型是网络RTK的核心，也是网络RTK软件的核心，网络RTK最终通过数学模型实现用户高精度差分定位功能。目前主流的网络RTK技术有VRS技术、MAX技术、FKP技术和CBI技术等。下一节将详细介绍各种网络RTK算法。4.2 主流网络RTK技术4.2.1 VRS技术VRS(Virtual Reference Stations)技术，全称虚拟参考站技术，是由Herbert

10、 Landau（兰道）博士提出的基于VRS（Virtual Reference System）理论的虚拟参考站系统，并由Spectra/Terrasat公司推向市场的模型。Trimble VRS系统是一个集GPS硬件、软件和网络通讯技术于一体新型系统。虚拟参考站技术是利用布设在地面上的多个参考站组成GPS连续运行参考站网络（CORS），综合利用各参考站的卫星观测数据，通过软件处理建立精确的误差模型来修正相关误差。移动用户在工作前，先通过GPRS或CDMA等通讯手段向数据中心发送一个概略坐标，数据中心收到这个位置信息后，根据用户流动站发来的信息，整体的改正GPS的轨道误差，电离层，对流层和大气折

11、射引起的误差，将高精度的差分信号发给移动站。这个差分信号的效果相当于在移动站旁边，生成一个虚拟的参考基站，从而解决了RTK作业距离上的限制问题，并保证了用户的精度。虚拟参考站通过流动站用户接收机的单点定位解来确定，所以与流动站组成的基线一般只有十几米。流动站接收VRS平台发布的RTCM差分改正数后，就能得到厘米级精度的坐标解。1VRS工作原理和流程（1）各个参考站通过Internet连续不断地向数据控制中心传输GPS卫星观测数据；（2）控制中心实时在线解算网内各基线的载波相位整周模糊度值和建立误差模型；（3）流动站将单点定位/或DGPS 确定的位置坐标（NMEA 格式），通过无线移动数据链路（

12、如GSM/GPRS、CDMA）传送给数据控制中心，控制中心在流动站附近位置创建一个虚拟参考站，通过内插得到虚拟参考站各误差源影响的改正值，并以RTCM格式通过NTRIP协议发给流动站用户；（4）流动站与虚拟参考站构成短基线。流动站接收控制中心发送的虚拟参考站差分改正信息或者虚拟观测值，进行差分解算得到用户厘米级的定位成果。VRS技术是目前全球普及范围最广的网络RTK差分解算技术。其工作基本原理见图3.1所示。图4.1 VRS工作原理图2VRS算法特点l VRS修正区分误差和观测值修正，分别估计电离层、对流层模型，可能与不同类型仪器流动站所使用的模型相冲突；l 对于连续RTK，流动站不知道真实参

13、考站的坐标，只知道“移动的”虚拟参考站的坐标。l 一般情况下，流动站需要通过NMEA格式把它的点位信息发送给中央控制站，如果需要借助于GSM 等类型的双向数据通讯装置，流动站个数受限制l 误差估计基于基线解l 采用距离最近的三个参考站采集的同步观测值进行差分处理，每个三角形产生一组区域改正参数l 模型建立在单站的基础上，结合所在三角形的信息在流动站点位上生成一个“虚拟参考站”l VRS数据能够通过正常的RTCM信息发送给流动站VRS算法的优势在于允许服务器应用整个网络的信息来计算电离层和对流层的复杂模型，在于一旦完成了数据的完整性检测，中央服务器就通过双差观测计算电离层、对流层和星历误差。这样

14、该区域内的误差模型化，可以明显地剔除常规RTK下的系统误差。VRS一个有争议的劣势是它在支持流动站进行动态应用方面有局限性，特别是在大型网络内在运动中进行拨号服务时段内。因为在VRS中，修正信息是在拨号时对初始的流动站位置进行优化而得到的 ，如果流动站在拨号后位置已经移动了，则这种修正对流动站的新位置不一定合适。虽然这种效果仅影响长距离运动的流动站 (几公里)，但通过采用附加的信息，流动站也能在这种情况下工作。VRS算法是目前全球应用最广泛的网络RTK技术，采用VRS解算方法的软件有Trimble公司的GPSNet。另外Topcon公司的TopNet和我国南方测绘公司的Venus也可以采用VR

15、S算法进行差分解算。4.2.2 MAX/MAC技术副站技术(Master-Auxiliary Concept，MAC)是由瑞士徕卡测量系统有限公司基于"主副站概念"推出的新一代参考站技术。主副站技术是基于最新多基站、多系统、多频（L1,L2,L5）和多信号非差分处理算法，是从参考站网以高度压缩的形式，将所有相关的，代表整周未知数水平的观测数据，如弥散性的和非弥散性的差分改正数，作为网络的改正数据播发给流动站；它本质上是区域改正数（FKP）的一种优化，选择距流动站最近的一个有效参考站作为主站，一定半径范围内至少二个其他有效的参考站作为副站，主站和副站自动组成一个单元进行网解，

16、发送主站差分改正数和副站与主站改正数的差值给流动站，对流动站进行加权改正，最后得到精确坐标。主副站技术的基本概念就是从参考站网以高度压缩的形式，将所有相关的，代表整周未知数水平的观测数据，如弥散性的和非弥散性的差分改正数，作为网络的改正数据播发给流动站。它是RTCM 3.0 版网络RTK 信息的基础。为了降低参考站网系统网络中数据的播发量，主副站方法发送其中一个参考站作为主参考站的全部改正数及坐标信息，对于网络(子网络)中所有其它台站，即所谓辅参考站，播发的是相对于主参考站的差分改正数及坐标差。主站与每一个辅站之间的差分信息从数量上来说要少得多，而且，能够以较少数量的比特来表达这些信息。差分改

17、正信息可以被流动站简单地用于内插用户所在点位的误差，或重建网络(或子网络)中所有参考站的完整改正数信息。因此，主副站概念完全支持单向的数据通信，而且不会影响流动站的定位性能。播发数据所需的带宽可以进一步被减少，具体方法就是通过分解改正数为两个部分：弥散性的和非弥散性的。弥散性的误差是直接相应于信号的频率，而非弥散性的误差则对所有的频率来说都是相同的。主辅站的原理见图3.2所示。主副站技术是全球CORS采用第二多的网络RTK解算方式，主要的主副站解算技术的软件包括Leica公司的SpiderNet和Topcon公司的TopNet。图4.2 主辅站技术原理图4.2.3 FKP技术FKP技术是由GE

18、O+公司Gerhard Wuebenna博士提出的全网整体解算模型，这是一种动态模型。它要求所有参考站将每一个瞬时采集的未经差分处理的同步观测值实时传回数据处理中心，通过数据处理中心实时处理，产生一个称为FKP的空间误差改正参数，然后将这些参数通过扩展信息发送给服务区内的所有流动站进行空间位置解算。系统传输的FKP能够比较理想的支持流动站的应用软件，但是流动站必须知道相关的数学模型，才能利用FKP参数生成相应的改正数。为了获取瞬时解算结果，每个流动站需要借助一个被称为Adv盒的外部装置内置解译软件，配合流动站接收机实现作业。由于采用FKP算法的用户需要附加解译设备，所以FKP解算的保密性非常好

19、，但是使用比较复杂，对用户流动站要求高，因此普及率很低，目前全世界只有极少数地区采用FKP技术进行差分解算。4.2.4 综合内插技术（CBI）综合内插技术是武汉大学提出的CORS系统建设技术，CBI技术的特点是利用卫星定位误差的相关性计算各基准站上的综合误差，并发送到用户，用户根据此误差和自己位置内插出用户的综合误差，系统中心与用户只需要单向通信，同时用户需要增加解码设备。这种解算方法简单可靠，性能稳定，单向通信可以实现解算，可以采用电波发送的方式，但是需要用户端有解算设备。目前这种技术还处于评估阶段，未大规模推广。4.2.5 联合单参考站RTK技术联合单参考站差分解算技术是有限的网络RTK技

20、术，其原理与普通RTK载波相位差分解算原理完全一样，但是联合单参考站作业时，用户将概率坐标发送到数据中心，数据中心通过概率选用最近的参考站，并将最近参考站的差分数据发送给用户，即以最近的参考站为基准站进行载波相位差分测量。其原理图如图 所示与传统的RTK相比，联合单参考站有以下特点：1 多个单参考站进行联合差分服务，在某些服务重叠地区可靠性较高；2 选择最佳参考站进行差分，避免了接受多个站的差分信息的情况；3 采用数据中心到流动站点对点的无限网络通讯方式，没有受到诸如电波受距离、地形和环境等因素的影响，可以实现了较长距离的RTK。但由于只采用一个参考站进行差分解算，单参考站的解算精度和系统可靠

21、性不及多参考站联合解算的网络RTK，但是单参考站CORS也有其自身的优势，如建设费用、管理成本较低，建站要求不高，可以随时升级扩展、施工周期短等。随着CORS技术的越来越成熟，联合采用单参考站进行解算的方式越来越少，一般只在县一级或者某个小区域范围内采用。4.3 几种网络RTK技术之算法比较 根据几种网络RTK算法的技术特点，我们对几种算法作一个比较，见表3.1所示：表4.1 网络RTK算法技术对比表VRSMAC/MAXFKP联合单参考站解算精度高较高高一般解算稳定性高较高非常高一般可靠性高高非常高一般兼容性高高低很高最少基站数3231保密性高高很高低建设经费高高一般较低普及率高一般低很高注：

22、综合内插技术（CBI）还未普及使用，因此这里不做对比。网络RTK的各种解算技术是通过网络RTK软件实现的，目前市场上最流行的网络RTK软件包括Trimble GPSNet、Leica SpiderNet、Topcon Topnet和我国南方测绘的 Venus等。这些软件都是以网络RTK解算为核心，各种功能组成框架实现CORS的各种服务功能。网络RTK软件将在第七章讲解。4.4 网络RTD4.4.1 RTD基本特点网络RTD（Real Time DGPS ），即实时差分GPS，是CORS系统提供的除网络RTK外的另一项主要功能，网络RTD于网络RTK有较大区别，主要体现在以下几个方面：(1)定位

23、精度为亚米级精度；(2)流动站设备小，不需要双频GPS接收天线,一般采用手持GPS接收机可以实现，但是网络RTK设备也有RTD功能；(3)定位速度快，基本不需要等待，可以进行连续动态测量。由此可见，网络RTD与网络RTK作用和侧重点不同，RTD一般情况下不用于精密测量工作，主要用于地理信息调查、更新工作以及与地理方位相关但是精度要求不高的工作，如环境调查、海岸线与海洋测量、地质勘察等。采用RTD的工作手簿最大的优点是可以实现内外业一体化。4.4.2 RTD 定位原理目前采用的RTD解算在一般情况下都是指实时伪距相位差分。实时伪距相位差分根据解算参考站数量和覆盖地区大小可以分为单站RTD、多站局

24、部区域RTD和广域RTD。我国尚未建成全国性的CORS，因此目前国内CORS提供的RTD服务都是前两种。系统一般可以根据RTD流动站与参考站距离和网络组网情况选择解算方式。下面分别介绍单站和多站的RTD(1)单站差分RTD单站差分数学模型比较简单，即用户的伪距观测值加上距离改正数，然后按照普通方法进行单点定位即可。已知参考站坐标是（）和测出的各卫星的地心坐标（），然后求出每颗卫星准确时刻到基站的距离=其伪距，则伪距改正数为其变化率为 基准站将和发送给用户，用户在测出的伪距上加改正，求出经改正后的伪距：并按以下公式解算坐标：其中为钟差，为接收机噪声。单站伪距差分的优点是基站提供所有卫星改正数而用户接收机观测任意4颗卫星就可以完成定位。单站伪距差分的缺点是差分精度随基准站到用户的距离增大而降低。(2)多站区域RTD系统由于单站伪距差分精度随基准站到用户距