RTK使用原理及应用

2019RTK的原理和应用部门业务培训前言|Introduction

RTK是近年来GPS应用发展的重大里程碑，这种技术方法的出现和发展为工程测量做出了巨大的贡献，有效的提高了户外测量作业的工作效率。随着我国技术水平的显著提高，各类工程规模越来越大，为社会经济的进步奠定了坚实的基础。将GPS-RTK技术广泛应用在工程测量中，可以为工程测量精度提供充分的保障。今天，我们就来介绍一下RTK测量系统的工作原理、技术特点，探讨一下RTK技术在工程测量中的应用，进行一个交流学习。PART01GNSS的概念目录CONTENTSPART03网络RTK技术PART04RTK的使用PART05在工程中的应用PART02RTK的原理GNSS的概念说到RTK测量，我们都知道是接收卫星信号来进行坐标的定位，那又是接收哪些卫星的信号呢？GPS、GNSS、和RTK，这三者分别代表着什么？有哪些区别？01GPS是英文GlobalPositioningSystem（全球定位系统）的简称。GPS起始于1958年美国军方的一个项目，1964年投入使用。20世纪70年代，美国陆海空三军联合研制了新一代卫星定位系统GPS。主要目的是为陆海空三大领域提供实时、全天候和全球性的导航服务，并用于情报搜集、核爆监测和应急通讯等一些军事目的，经过20余年的研究实验，耗资300亿美元，到1994年，全球覆盖率高达98%的24颗GPS卫星星座己布设完成。GPS导航系统是以全球24颗定位人造卫星为基础，向全球各地全天候地提供三维位置、三维速度等信息的一种无线电导航定位系统。它由三部分构成，一是地面控制部分，由主控站、地面天线、监测站及通讯辅助系统组成。二是空间部分，由24颗卫星组成，分布在6个轨道平面。三是用户装置部分，由GPS接收机和卫星天线组成。民用的定位精度可达10米内。美国的GPS系统。什么是GPS？GNSS的全称是全球导航卫星系统（GlobalNavigationSatelliteSystem），是对北斗系统、GPS、GLONASS、Galileo系统等这些单个卫星导航定位系统的同一称谓，也可指代他们的增强型系统，又指代所有这些卫星导航定位系统及其增强型系统的相加混合体，也就是说它是由多个卫星导航定位及其增强型系统所拼凑组成的大系统，GNSS是以人造卫星作为导航台的星级无线电导航系统，为全球陆、海、空、天的各类军民载体提供全天候、高精度的位置、速度和时间信息，因为它又称为天基定位、导航和授时系统。国际GNSS系统是个多系统、多GPS定位系统的工作原理是由地面主控站收集各监测站的观测资料和气象信息,计算各卫星的星历表及卫星钟改正数,按规定的格式编辑导航电文,通过地面上的注入站向GPS卫星注入这些信息，测量定位时,用户可以利用的储存星历得到各个卫星的粗略位置。根据这些数据和自身位置,由计算机选择卫星与用户联线之间张角较大的四颗卫星作为观测对象。GNSS的定义。什么是GNSS？格洛纳斯（GLONASS），是俄语“全球卫星导航系统GLOBALNAVIGATIONSATELLITESYSTEM”的缩写，该系统最早开发于苏联时期，后由俄罗斯继续该计划。俄罗斯1993年开始独自建立本国的全球卫星导航系统。该系统于2007年开始运营，当时只开放俄罗斯境内卫星定位及导航服务。到2009年，其服务范围已经拓展到全球。该系统主要服务内容包括确定陆地、海上及空中目标的坐标及运动速度信息等。格洛纳斯”系统标准配置为24颗卫星，而18颗卫星就能保证该系统为俄罗斯境内用户提供全部服务。该系统卫星分为“格洛纳斯”和“格洛纳斯－M”两种类型，后者使用寿命更长，可达7年。研制中的“格洛纳斯－K”卫星的在轨工作时间可长达10年至12年。目前有24颗卫星正常工作、3颗维修中、3颗备用、1颗测试中。GLONASS。俄罗斯的GLONASSGalileo（伽利略卫星导航系统），伽利略计划是欧洲于1999年初正式推出的旨在独立于GPS和GLONASS的全球卫星导航系统。目前全世界使用的导航定位系统主要是美国的GPS系统，欧洲人认为这并不安全。为了建立欧洲自己控制的民用全球导航定位系统，欧洲人决定实施“伽利略”计划。伽利略系统是由欧盟主导的新一代民用全球卫星导航系统，耗资超过30亿欧元。系统由两个地面控制中心和30颗卫星组成，其中27颗为工作卫星，3颗为备用卫星。卫星轨道高度约2.4万公里，位于3个倾角为56度的轨道平面内。作为欧盟主导项目，伽利略并没有排斥外国的参与，中国、韩国、日本、阿根廷、澳大利亚、俄罗斯等国也在参与该计划，并向其提供资金和技术支持。伽利略系统于2016年12月15日投入使用，并免费服务。目前在轨卫星达到18颗。Galileo。欧洲的Galileo中国北斗卫星导航系统（BDS）是我国自行研制的全球卫星导航系统。北斗卫星导航系统由空间段、地面段和用户段三部分组成。北斗系统具有以下特点：一是北斗系统空间段采用三种轨道卫星组成的混合星座，与其他卫星导航系统相比高轨卫星更多，抗遮挡能力强，尤其低纬度地区性能特点更为明显。二是北斗系统提供多个频点的导航信号，能够通过多频信号组合使用等方式提高服务精度。三是北斗系统创新融合了导航与通信能力，具有实时导航、快速定位、精确授时、位置报告和短报文通信服务五大功能。2018年12月，北斗系统已可提供全球服务，在轨工作卫星共33颗，包含15颗北斗二号卫星和18颗北斗三号卫星，具体为5颗地球静止轨道卫星、7颗倾斜地球同步轨道卫星和21颗中圆地球轨道卫星，包括“一带一路”国家和地区在内的世界各地均可享受到北斗系统服务。计划2020年年底前，完成北斗三号系统全部30颗卫星发射组网，全面建成北斗三号系统。北斗（BDS）介绍。我国的北斗定位精度高观测时间短测站间无须通视可提供三维坐标操作简便全天候作业功能多、应用广免费。GNSS的特点军事测绘林业农业地质电力水利交通环保气象地震石油通讯海洋城建科研院所院校医疗消防国土

。GNSS的应用行业1、军事用途

GNSS本身就是军事竞赛的产物。精码保密，主要提供给本国和盟国的军事用户使用；粗码提供给本国民用和全世界使用。2、民用导航占据了民用领域的绝大部分，一般精度要求不高，5-15米，飞机、轮船、车载定位等领域。3、测绘要求精度高，早期主要在石油部门使用，现在已在测绘相关行业中广泛普及，成为一种新的测绘方式。4、GIS地学信息系统，现在处于起步阶段，随着数字地球、数字中国的进程，必将成为一个庞大的新兴产业。。GNSS的产业RTK的原理了解天上的GNSS系统，我们来了解一下RTK测量系统的工作原理和组成部分02RTK（Real-timekinematic）实时动态载波相位差分定位技术，这是一种新的常用的GPS测量方法，是一种技术。以前的静态、快速静态、动态测量都需要事后进行解算才能获得厘米级的精度，RTK测量系统是GPS测量技术与数据传输技术构成的组合系统，RTK定位技术就是基于载波相位观测的实时动态差分定位技术，它能够实时实实地提供测站点在指定坐标系中的三维定位结果，并达到厘米级精度。整套RTK系统由三部分组成：基准站、数据链、移动站。RTK技术的介绍。什么是RTK？RTK（Real-timekinematic）实时动态载波相位差分定位技术，这是一种新的常用的GPS测量方法，是一种技术。以前的静态、快速静态、动态测量都需要事后进行解算才能获得厘米级的精度，RTK测量系统是GPS测量技术与数据传输技术构成的组合系统，RTK定位技术就是基于载波相位观测的实时动态差分定位技术，它能够实时实实地提供测站点在指定坐标系中的三维定位结果，并达到厘米级精度。其工作原理是利用两台以上GNSS接收机同时接收卫星信号，其中一台为架设在已知点的基准站，对设站区域上空所有可见卫星进行连续观测，并通过外置无线电台等传输设备将观测数据和测站信息实时的发送给另一台在未知点的移动站，而移动站GNSS接收机一边接收卫星信号的同时又接收到基准站传输来的数据，根据载波相位差分技术的原理，实时演算出移动站在所在未知点的平面坐标和高程数据，以实现高精度的定位。RTK技术的介绍。什么是RTK？。动态载波相位差分定位工作原理（数据链）基准站载波相位观测值、已知坐标

将接收的载波相位与来自基准站的载波相位组成相位差分观测值，通过实时处理确定用户站的坐标。接收GNSS卫星的载波相位。移动站接收机基准站:已知坐标(X0,Y0,Z0)1、基准站接收GNSS信号,包括：导航电文信号；提供差分坐标，星历等信息2、移动站接收GNSS信号及基准站差分信号，并进行解算，得到实时的高精度定位结果3、数据链（差分传送）将基准站的差分数据传输给移动站包括测站坐标、观测值、卫星跟踪状态等数据4、手簿内置RTK测量软件，可设置基准站，移动站的工作参数，显示移动站实时坐标成果，计算测量参数，进行辅助线路设计等功能。。RTK测量系统的组成部分。RTK测量系统的组成部分基站移动站主机主机延长杆手簿对中杆三脚架基座差分天线差分天线基站移动站。数据链传输示意图基站移动站基站移动站1、电台传输差分数据传统的差分数据传输模式：差分数据通过电台传到移动站优点：信号稳定，速度快缺点：距离受地形限制，作用距离较近（一般小于10KM）2、网络传输差分数据（GPRS\GSM\CDMA）新的差分数据传输模式：差分数据通过手机网络传到移动站优点：距离不受受地形限制，作用距离远。（手机网络信号，不受距离限制，因为主板解算原因，解算距离可达30KM）缺点：信号受手机网络信号质量影响，手机网络信号不好的地方无法使用。数据链传输模式优劣对比数据链传输差分数据的两种方式网络RTK技术由于传统的基站+移动站的RTK技术具有一定的局限性，随着技术的发展，出现了网络RTK技术。03传统RTK技术有着一定局限性,使得其在应用中受到限制,主要表现为：

1.用户需要架设本地的参考站；

2.误差随距离增长；

3.误差增长使流动站和参考站距离受到限制，距离越远初始化时间越长；

4.可靠性和可行性随距离降低。传统RTK技术即基准站+移动站技术。传统的RTK技术的局限性网络RTK技术实际上是一种多基站技术，它在处理上利用了多个参考站的联合数据。该系统不仅仅是GPS产品，而是集internet技术，无线通讯技术，计算机网络管理和GPS定位技术于一身的系统，包括，通讯控制中心，固定站，用户部分。。网络RTK技术1.天宝的VRS(VirtualReferenceStation)GPSnet2.莱卡的MAX(主辅站技术)（SpiderNET软件）3.拓普康的TOPnet华测的APIS各省市组建的省级、市级CORS系统千寻网络提供的付费VPS服务。网络RTK技术基站移动站基站移动站无需架设基准站，省去了野外工作中的值守人员和架设基准站的时间，降低了作业成本，提高了生产效率；传统“1+1”GNSS接收机真正等于2，生产效率双倍提高；不需要在四处搬站，加密控制点；扩大了作业半径，不受基站距离限制，网络覆盖范围内能够得到均等的精度；在网络覆盖区域内，能够实现测绘系统和定位精度的统一，便于测量成果的系统转换和多用途处理。。网络RTK技术的优点。CORS系统的组成基站移动站基站移动站参考站+控制中心+用户部分。CORS系统的组成基站移动站基站移动站参考站及控制中心目前，国内外多CORS的研究主要集中在基础设施建设、系统自动化管理、数据采集域分发、基于网络的GNSS定位技术的开发等方面。先后出现了大量的CORS工程项目。一、其中具有代表性的全球和国家的项目包括：⑴IGS跟踪站网络⑵美国NGSCORS⑶欧洲EPN永久性连续网等二、国内主要有：⑴中国地壳运动观测网络CMONOC⑵中国沿海无线电指向标－差分定位系统(RBN-DGPS)等项目。CORS系统的发展。CORS系统的综合应用基站移动站基站移动站参考站+控制中心+用户部分RTK的使用本节简单介绍一下RTK在的使用方法041.各种坐标系统2.转换参数（点校正）3.RTK动态测量基本操作方法。RTK的使用我国目前常用的有以下5种坐标系和两个高程基准坐标系统：1，WGS-84大地坐标系2，1954北京坐标系3，1980西安坐标系4，CGCS2000国家坐标系5，地方独立坐标系国内常用的坐标系统。1.各种坐标系统美国国防部研制确定的大地坐标系，Z轴指向BIH（国际时间局）1984.0定义的协议地球极（CTP）方向，X轴指向零子午面与CTP赤道交点，Y轴与X、Z轴构成右手坐标系。长半轴

a=6378137m;

扁率α=1/298.257223563。属地心坐标系，原点在地球质心。。1.各种坐标系统WGS-84大地坐标系

50年代从前苏联引入（1942年普尔科夫坐标系），未进行整体平差，属参心坐标系,

克拉索夫斯基椭球体，长半轴a=6378245m;扁率α=1/298.3。原点在普尔科夫天文台。主要缺点：

1．长半轴约大了108m；

2．椭球定位西高东低，东部高程异常达67m；

3．不同区域接边处大地点坐标差达1～2m。。1.各种坐标系统1954年北京坐标系定义为“1980国家大地坐标系”。1982年，经天文大地网整体平差建立，全网共48433点。属参心坐标系，

IAG-75椭球（IAG—国际大地测量学协会），长半轴

a=6378140m;扁率α=1/298.257，原点在陕西省泾阳县。

椭球定位：1．椭球短轴平行于地球地轴（由地球质心指向1968.0JYD方向）；2．起始子午面平行于格林威治天文台平均子午面；3．椭球面与似大地水准面在我国境内密合得最佳。。1.各种坐标系统1980西安坐标系2000国家大地坐标系，是我国当前最新的国家大地坐标系，英文名称为ChinaGeodeticCoordinateSystem2000，英文缩写为CGCS2000。2000国家大地坐标系是全球地心坐标系在我国的具体体现，其原点为包括海洋和大气的整个地球的质量中心。Z轴指向BIH1984.0定义的协议极地方向（BIH国际时间局），X轴指向BIH1984.0定义的零子午面与协议赤道的交点，Y轴按右手坐标系确定。椭球参数：长半轴a=6378137m扁率f=1/298.257222101地心引力常数GM=3.986004418×1014m3s-2自转角速度ω=7.292l15×10-5rads-1短半轴b=6356752.31414m极曲率半径=6399593.62586m第一偏心率e=0.0818191910428。1.各种坐标系统CGCS2000坐标系独立坐标系（地方坐标系）为了减少投影变形或满足保密需要，也可使用独立（地方）坐标系，坐标原点一般在测区或城区中部，投影面多为当地平均高程面。。1.各种坐标系统独立坐标系1、1956年黄海高程系

水准原点设在观象山，采用1950～1956年7年的验潮结果计算的黄海平均海水面，推得水准原点高程为72.289m。2、1985国家高程基准

水准原点同1956年黄海高程系，采用1952～1979年共28年的验潮结果，并顾及了海平面18.6年的周期变化及重力异常改正，计算的黄海平均海水面，推得水准原点高程为72.260m。。1.各种坐标系统高程基准1、1956年黄海高程系

水准原点设在观象山，采用1950～1956年7年的验潮结果计算的黄海平均海水面，推得水准原点高程为72.289m。2、1985国家高程基准

水准原点同1956年黄海高程系，采用1952～1979年共28年的验潮结果，并顾及了海平面18.6年的周期变化及重力异常改正，计算的黄海平均海水面，推得水准原点高程为72.260m。。2.转换参数、点校正高程基准。2.转换参数、点校正

点校正就是求出WGS-84和当地平面直角坐标系统之间的数学转换关系（转换参数）。

在工程应用中使用GPS卫星定位系统采集到的数据是WGS-84坐标系数据,而目前我们测量成果普遍使用的是以1954年北京坐标系或是地方（任意|当地）独立坐标系为基础的坐标数据。因此必须将WGS-84坐标转换到BJ-54坐标系或地方(任意)独立坐标系。点校正的含义。2.转换参数、点校正把GPS坐标系统转换到我们的当地平面坐标系统包括基准转换、投影、水平&垂直平差GPS点校正WGS-84平面坐标系注：此独立坐标系是以北京54椭球为参考椭球的坐标系统。。2.转换参数、点校正WGS-84当地平面坐标

要使一个坐标系统和另一个坐标系统产生关系，需要一组具有这两套坐标系统下坐标的地面点。因此，就需要一组WGS-84坐标和一组当地平面坐标：北,东和高程。。2.转换参数、点校正旋转。2.转换参数、点校正平移2.转换参数、点校正比例系数2.转换参数、点校正求转换参数水平平差垂直平差2.转换参数、点校正控制点单点校正：1.三参数法：七参数方法的简化，只取X平移，Y平移，Z平移。只能适用于坐标轴旋转很小的两椭球间。大多运用于使用信标，SBAS差分等精度要求不高的工程。2.布尔莎七参数法：标准的七参数方法，使用X，Y，Z平移，X，Y，Z旋转，K尺度。作用范围较大和距离较远，通常用于RTK模式或者RTD模式的WGS84到北京54和国家80的转换，已知点要三个或三个以上。3.一步法参数形式和标准七参数一样，X，Y，Z平移，X，Y，Z旋转，K尺度。可以一步完成WGS84到当地地方坐标系统的转换工作。也是要三个或三个以上已知点。