韋延忠

(中國鐵建十一局集團(tuán)建筑安裝工程有限公司，湖北 襄陽 441057)

常規(guī)與網(wǎng)絡(luò)實時動態(tài)差分的比較與分析

韋延忠

(中國鐵建十一局集團(tuán)建筑安裝工程有限公司，湖北 襄陽 441057)

隨著全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)的快速發(fā)展，實時動態(tài)差分技術(shù)已在厘米級精度要求的測量與放樣工程中表現(xiàn)出其無可比擬的優(yōu)勢。從載波相位差分定位原理出發(fā)，詳細(xì)地解析了常規(guī)實時動態(tài)差分、常規(guī)實時動態(tài)分法任意基準(zhǔn)站的工作原理，在此基礎(chǔ)上，介紹了網(wǎng)絡(luò)實時動態(tài)差分的工作原理，并比較、分析了常規(guī)與網(wǎng)絡(luò)實時動態(tài)差分工作原理的異同之處與相互聯(lián)系。從應(yīng)用的角度考慮，給出了常規(guī)實時動態(tài)差分、常規(guī)實時動態(tài)差分任意基準(zhǔn)站以及網(wǎng)絡(luò)實時動態(tài)差分的作業(yè)流程，比較分析了各種方法的作業(yè)流程異同點(diǎn)，并通過實例數(shù)據(jù)說明了各種作業(yè)流程的正確性。

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)；實時動態(tài)差分法；任意基準(zhǔn)站；網(wǎng)絡(luò)實時動態(tài)差分法

1 引言

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(global navigation satellite system，GNSS)為測繪行業(yè)帶來了革命性的變化，尤其是我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou navigation satellite system，BDS)的建成與運(yùn)營，將進(jìn)一步深化測繪行業(yè)的技術(shù)變革[1]。相對于傳統(tǒng)的測圖、放樣、勘測方法，實時動態(tài)差分(real-time kinematic，RTK)具有效率高、勞動強(qiáng)度低、操作簡單等優(yōu)勢，已廣泛應(yīng)用于許多cm級精度要求的工程中。

在最初的RTK應(yīng)用中，必須有一臺接收機(jī)安置在已知點(diǎn)上作為基準(zhǔn)站，但在實際應(yīng)用中，由于工程區(qū)域缺乏已知點(diǎn)或已知點(diǎn)上不便于設(shè)置基準(zhǔn)站，通常采用任意點(diǎn)上設(shè)置基準(zhǔn)站，然后通過點(diǎn)校正的方法配置坐標(biāo)參數(shù)。把用戶自己需要配置基準(zhǔn)站的方法稱為常規(guī)RTK技術(shù)。隨著通信技術(shù)和常規(guī)RTK技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，從資源共享和拓展常規(guī)RTK的作業(yè)范圍的角度出發(fā)，出現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)是基于連續(xù)運(yùn)行參考站系統(tǒng)(continuous operational reference system，CORS)的網(wǎng)絡(luò)實時動態(tài)定位系統(tǒng)，用戶無需配置基準(zhǔn)站[2]。

對于很多RTK使用者，尤其是初學(xué)者，還存在對常規(guī)RTK、常規(guī)RTK任意基準(zhǔn)站法、網(wǎng)絡(luò)RTK認(rèn)識不清的問題，本文從工作原理、作業(yè)流程方面詳細(xì)地解析、闡述和比較各種RTK，從原理上解答RTK使用者的疑惑，從應(yīng)用角度幫助使用者會用各種RTK技術(shù)進(jìn)行測量、放樣、勘測等工作。

2 工作原理比較與分析

常規(guī)RTK和網(wǎng)絡(luò)RTK的基本工作原理都是載波相位差分定位原理。在衛(wèi)星導(dǎo)航定位中，由于星歷誤差、衛(wèi)星鐘差、電離層及對流層等誤差的存在，導(dǎo)致單點(diǎn)絕對定位的精度較低。當(dāng)兩測站相距較近時(一般小于30 km)，認(rèn)為兩測站所受到上述誤差具有很強(qiáng)的時空相關(guān)性，通過求差的方法可消除或消弱相關(guān)的誤差，從而得到兩測站間高精度的基線向量，這就是載波相位差分定位的基本原理。

2.1 常規(guī)RTK工作原理

常規(guī)RTK的最初基本思想是：在基準(zhǔn)站上安置一臺GNSS接收機(jī)，對衛(wèi)星進(jìn)行連續(xù)觀測，并通過無線電傳輸設(shè)備實時地將觀測數(shù)據(jù)及基準(zhǔn)站坐標(biāo)信息傳送給流動站；流動站一方面通過接收機(jī)接收GNSS衛(wèi)星信號，同時還通過無線電接收設(shè)備接收基準(zhǔn)站傳送的觀測數(shù)據(jù)，然后根據(jù)相對定位原理，實時地進(jìn)行處理數(shù)據(jù)，并實時地以厘米級的精度給出流動站的三維坐標(biāo)[2]。從常規(guī)RTK的工作原理可見，基準(zhǔn)站一般要設(shè)置在坐標(biāo)已知的點(diǎn)上，且對天觀測條件較好[3]。如圖1所示，圖中Sj(j=1,2,3,…6)表示可觀測衛(wèi)星的編號，當(dāng)用戶流動站相對于基準(zhǔn)站的基線向量lik求得，用戶流動站的坐標(biāo)就可表述為

(1)

式(1)中，[xkykzk]T為用戶流動站的坐標(biāo)；[xiyizi]T為基準(zhǔn)站的坐標(biāo)；[ΔxikΔyikΔzik]T為基準(zhǔn)站至流動站的基線向量lik。

圖1 常規(guī)RTK工作原理圖

2.2 常規(guī)RTK任意基準(zhǔn)站法工作原理解析

在測區(qū)缺少已知點(diǎn)或已知點(diǎn)上對天觀測條件較差時，常常將基準(zhǔn)站設(shè)在對天觀測條件較好的任意點(diǎn)處。那么，常規(guī)RTK任意基準(zhǔn)站法能否與上述傳統(tǒng)的常規(guī)RTK一樣滿足用戶所要求的高精度測量任務(wù)呢？不管何種RTK，首先其屬于GNSS載波相位相對定位。通過GNSS載波相位相對定位，可得到兩測站間高精度的基線向量，該基線向量類似于導(dǎo)線測量所得到的坐標(biāo)增量。那么，在獲得高精度的基線向量的基礎(chǔ)上，用戶只要給出測量基線中，某一基線的一個已知點(diǎn)坐標(biāo)作為起算數(shù)據(jù)，在設(shè)置好坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換參數(shù)后，就可得到其他流動站的坐標(biāo)。如圖2所示，圖2中Sj(j=1,2,3,…6)表示可觀測衛(wèi)星的編號。

圖2 常規(guī)RTK任意基準(zhǔn)站法工作原理圖

當(dāng)基準(zhǔn)站i向外播發(fā)接收的衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)，流動站k1、k2、k3接收后，通過載波相位求差模型，可獲得高精度的基線向量lik1、lik2、lik3。此時，若用戶坐標(biāo)系內(nèi)k1點(diǎn)的坐標(biāo)已知，由空間幾何向量關(guān)系可得

lk1k2=lik2-lik1

(2)

lk1k3=lik3-lik1

(3)

求解出基線向量lk1k2、lk1k3后，根據(jù)式(1)的方法，可求得k2、k3點(diǎn)的精確坐標(biāo)。若有n個流動站，則可依次類推得到其相應(yīng)點(diǎn)的精確坐標(biāo)。

從以上的解析可見，常規(guī)RTK任意基準(zhǔn)站法是常規(guī)RTK的推廣，二者工作原理的本質(zhì)是相同的。

2.3 網(wǎng)絡(luò)RTK工作原理

網(wǎng)絡(luò)RTK是在常規(guī)RTK的理論和應(yīng)用基礎(chǔ)上，以資源共享為宗旨，在一定的區(qū)域范圍內(nèi)根據(jù)需求建立若干個固定的CORS站，利用現(xiàn)代通信技術(shù)將這些參考站與數(shù)據(jù)中心組成網(wǎng)絡(luò)，如圖3所示，其中參考站負(fù)責(zé)GNSS數(shù)據(jù)采集，通信鏈路負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)中心則根據(jù)多個基準(zhǔn)站的已知誤差，用一定的算法來推算該區(qū)域內(nèi)任何一處流動站的未知誤差，然后在此基礎(chǔ)上，建立高精度的雙差解算模型，解算整周模糊度，得到基準(zhǔn)站與用戶流動站的高精度基線向量，類似于常規(guī)RTK基準(zhǔn)站法，進(jìn)一步得到用戶流動站的高精度實時定位結(jié)果。

圖3 網(wǎng)絡(luò)RTK工作原理圖

在處理星歷誤差、衛(wèi)星鐘差、電離層及對流層等誤差的計算，以及建立高精度的載波相位雙差解算模型中，當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)RTK采取的具體技術(shù)主要有：虛擬參考站(virtual reference station，VRS)[4-5]、區(qū)域改正數(shù)(Fl?chen Korrektur Parameter，F(xiàn)KP)技術(shù)[6]、主輔站技術(shù)(master-auxiliary concept，MAC)[7-8]以及綜合誤差內(nèi)插法(combined bias interpolation，CBI)[9-10]。

2.4 比較與分析

載波相位相對定位是常規(guī)RTK、常規(guī)RTK任意基準(zhǔn)站法以及網(wǎng)絡(luò)RTK的共同基本原理。從工作原理的具體技術(shù)方面比較，它們的區(qū)別主要有：(1)資源共享方面，網(wǎng)絡(luò)RTK優(yōu)于常規(guī)RTK。常規(guī)RTK作業(yè)中，每一單位用戶需要自己配置基準(zhǔn)站，而網(wǎng)絡(luò)RTK用戶只需處于網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍即可，無需配置基準(zhǔn)站；(2)多基準(zhǔn)站網(wǎng)絡(luò)RTK的作業(yè)范圍較大。最初的網(wǎng)絡(luò)RTK為單基準(zhǔn)站法，除基準(zhǔn)站的配置與否外，其差分定位原理與常規(guī)RTK任意基準(zhǔn)站法相同，都是依據(jù)載波相位的原始觀測值建立雙差模型，通過求差的方式消除或消弱誤差的影響，這就要求基準(zhǔn)站與流動站必須相距較近，以保證各種誤差的時空相關(guān)性；而多基準(zhǔn)站網(wǎng)絡(luò)RTK則根據(jù)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)基準(zhǔn)站的已知信息、基準(zhǔn)站和流動站的觀測數(shù)據(jù)，求解了網(wǎng)覆蓋范圍內(nèi)的相關(guān)誤差改正信息，在構(gòu)建雙差模型時，綜合考慮了這些改正信息，保證了其定位精度，克服了常規(guī)RTK的定位精度隨著流動站離基準(zhǔn)站距離增加而降低的缺陷；(3)多基準(zhǔn)站網(wǎng)絡(luò)RTK的系統(tǒng)穩(wěn)定性較好?，F(xiàn)行的網(wǎng)絡(luò)RTK系統(tǒng)一般有多個基準(zhǔn)站，當(dāng)一個或多個參考基準(zhǔn)站出現(xiàn)故障時，利用剩余的參考基準(zhǔn)站仍能正常工作，故系統(tǒng)的可靠性相對較高。

3 工作流程比較與分析

正確的儀器設(shè)置和作業(yè)流程是利用RTK進(jìn)行作業(yè)的前提，以下首先介紹常規(guī)RTK、常規(guī)RTK任意基準(zhǔn)站法以及網(wǎng)絡(luò)RTK的作業(yè)流程，并對各種方法的作業(yè)流程進(jìn)行比較分析。

3.1 常規(guī)RTK作業(yè)流程

利用常規(guī)RTK作業(yè)時，其工作流程是：(1)新建工程項目；(2)基準(zhǔn)站設(shè)置。用電子手簿及RTK軟件連接基準(zhǔn)站，使得基準(zhǔn)站的外掛/內(nèi)置電臺按照一定頻道播發(fā)基準(zhǔn)站觀測數(shù)據(jù)。設(shè)置基準(zhǔn)站坐標(biāo)及儀器高，設(shè)置坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)(如7參數(shù)、投影參數(shù)等)；(3)連接用戶流動站，設(shè)置流動站儀器高、差分?jǐn)?shù)據(jù)格式等，當(dāng)RTK軟件處于測量狀態(tài)時，其解顯示為固定即可，在已知點(diǎn)上進(jìn)行檢核；(4)當(dāng)檢核結(jié)果符合厘米級精度后，開始碎部點(diǎn)采集、放樣、勘測等測量工作。

3.2 常規(guī)RTK任意基準(zhǔn)站作業(yè)流程

利用任意基準(zhǔn)站RTK作業(yè)時，其工作流程大致為：(1)新建工程項目；(2)基準(zhǔn)站設(shè)置。用電子手簿及RTK軟件連接基準(zhǔn)站，使得基準(zhǔn)站的外掛/內(nèi)置電臺按照一定頻道播發(fā)基準(zhǔn)站觀測數(shù)據(jù)；(3)連接用戶流動站，設(shè)置流動站儀器高、差分?jǐn)?shù)據(jù)格式等，當(dāng)RTK軟件處于測量狀態(tài)時，其解顯示為固定即可進(jìn)入下一步；(4)點(diǎn)校正法配置坐標(biāo)系統(tǒng)。在2～3個已知點(diǎn)上進(jìn)行坐標(biāo)采集，然后調(diào)用參數(shù)設(shè)置的“坐標(biāo)系統(tǒng)”菜單項，利用“平面+高程擬合”或“七參數(shù)”菜單功能，進(jìn)行已知點(diǎn)兩套坐標(biāo)配準(zhǔn)，并進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)計算；(5)到其他已知點(diǎn)進(jìn)行檢核，如符合厘米級測量精度，則可開始碎部點(diǎn)采集、放樣、勘測等測量工作。

3.3 網(wǎng)絡(luò)RTK作業(yè)流程

利用網(wǎng)絡(luò)RTK作業(yè)時，其工作流程大致為：(1)新建工程項目；(2)流動站設(shè)置。移動站使用內(nèi)置網(wǎng)絡(luò)功能，數(shù)據(jù)鏈選擇內(nèi)置網(wǎng)絡(luò)，內(nèi)置網(wǎng)絡(luò)的類型有GPRS、CDMA、GSM，可通過點(diǎn)擊右端網(wǎng)絡(luò)模式選擇其中的一種。如圖4，給出了中海達(dá)網(wǎng)絡(luò)RTK的流動站網(wǎng)絡(luò)設(shè)置示意。

當(dāng)流動站的網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)置好后，當(dāng)RTK軟件處于測量狀態(tài)時，其解顯示為固定即可進(jìn)入下一步；(3)點(diǎn)校正法配置坐標(biāo)系統(tǒng)。在2～3個已知點(diǎn)上進(jìn)行坐標(biāo)采集，然后調(diào)用參數(shù)設(shè)置的“坐標(biāo)系統(tǒng)”菜單項，利用“平面+高程擬合”或“七參數(shù)”菜單功能，進(jìn)行已知點(diǎn)兩套坐標(biāo)配準(zhǔn)，并進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)計算；(4)到其他已知點(diǎn)進(jìn)行檢核，如符合厘米級測量精度，則可開始碎部點(diǎn)采集、放樣、勘測等測量工作。

圖4 網(wǎng)絡(luò)RTK流動站網(wǎng)絡(luò)設(shè)置

3.4 比較與分析

從上述的工作流程可見，常規(guī)RTK是需要設(shè)置基準(zhǔn)站的測站坐標(biāo)和儀器高信息，通過設(shè)置7參數(shù)和投影參數(shù)的方法實現(xiàn)坐標(biāo)成果的轉(zhuǎn)換；常規(guī)RTK任意基準(zhǔn)站法不需要設(shè)置基準(zhǔn)站的測站坐標(biāo)和儀器高信息，通過點(diǎn)校正法配置坐標(biāo)系統(tǒng)；網(wǎng)絡(luò)RTK不需要另設(shè)基準(zhǔn)站，通過通信網(wǎng)絡(luò)，直接接收CORS站的觀測數(shù)據(jù)和差分信息，這些功能在流動站的設(shè)置中完成。其坐標(biāo)系統(tǒng)的配置與常規(guī)RTK任意基準(zhǔn)站法相同。

為了驗證上述方法作業(yè)流程的正確性，以某校的實習(xí)基地為實驗場地，以中海達(dá)GPS V30 RTK為實驗儀器設(shè)備，分別以常規(guī)RTK、常規(guī)RTK任意基準(zhǔn)站法和網(wǎng)絡(luò)RTK進(jìn)行了實驗，實驗數(shù)據(jù)列于表1，因為RTK測量可達(dá)厘米級，故只給出小數(shù)點(diǎn)后面的部分。

表1 常規(guī)RTK、常規(guī)RTK任意基準(zhǔn)站及網(wǎng)絡(luò)RTK測量結(jié)果

從表1的結(jié)果可以看出，相對于已知坐標(biāo)，常規(guī)RTK、常規(guī)RTK任意基準(zhǔn)站法和網(wǎng)絡(luò)RTK都可達(dá)到厘米級的測量結(jié)果。說明上述各作業(yè)流程都是正確的。

4 結(jié)束語

文中針對RTK技術(shù)的理論和應(yīng)用問題，詳細(xì)地解析了常規(guī)RTK、常規(guī)RTK任意基準(zhǔn)站法及網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)的工作原理，并對其相應(yīng)的作業(yè)流程進(jìn)行了詳細(xì)的闡述和分析比較。對于RTK的使用者，尤其是初學(xué)者，這些研究成果可幫助其理解RTK、使用RTK。

隨著GNSS技術(shù)的發(fā)展，尤其是我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)與運(yùn)行，我國測繪行業(yè)將面臨重大的變革，懂得GNSS定位原理、會用GNSS技術(shù)進(jìn)行測量工作將是大勢所趨。

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Comparison and Analysis of Standard RTK & Network RTK Methods

WEI Yan-zhong

(Construction & Installation Engineering Co.Ltd of CR11BG，Xiangyang 441057，China)

Along with the rapid development of global navigation satellite system (GNSS) technologies，real time kinematic (RTK) is showing its incomparable advantages in the centimeter level requirements projects，such as surveying and setting-out.In this paper，according to the theories of GNSS carrier phase differential positioning，the operational principles of standard RTK，and arbitrary base station RTK are analyzed in detail.On the basis of these，the operational principle of network RTK is introduced.And the similarities & differences，and the intercommunications between standard RTK and network RTK are compared and analyzed.From the application point of view，the operational steps of standard RTK，arbitrary base station RTK and network RTK are given here.And the similarities & differences of their operational steps are compared and analyzed.Moreover，the validities of their operational steps are proved by the surveying data.For the standard RTK & network RTK users，the results of this paper have a certain reference value.

global navigation satellite system (GNSS)；real time kinematic (RTK)；arbitrary base station；network RTK

2014-07-21

韋延忠(1962)，男，湖北襄陽人、工程師，主要從事衛(wèi)星導(dǎo)航定位的應(yīng)用研究。

P228

A

2095-4999(2015)-01-0015-04