王卓念 劉曉琴

北斗網(wǎng)絡(luò)RTK接收機(jī)校準(zhǔn)方法

王卓念 劉曉琴

（廣州廣電計(jì)量檢測(cè)股份有限公司，廣東 廣州 510656）

介紹了北斗網(wǎng)絡(luò)RTK接收機(jī)的工作原理，提出北斗網(wǎng)絡(luò)RTK接收機(jī)的校準(zhǔn)方法，并對(duì)測(cè)量不確定度進(jìn)行分析。該方法可滿足各類RTK儀器的校準(zhǔn)需求，且測(cè)量參數(shù)更容易溯源。

北斗導(dǎo)航；網(wǎng)絡(luò)RTK；校準(zhǔn)

0　引言

北斗網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)（real - time kinematic, RTK）接收機(jī)是一種采用載波相位差分技術(shù)并支持無線網(wǎng)絡(luò)傳輸修正信息的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BeiDou navigation satellite system, BDS）接收機(jī)。它相較其他衛(wèi)星定位接收機(jī)能提供更高精度的定位、測(cè)距功能，因此在智能網(wǎng)聯(lián)交通、國(guó)土測(cè)繪、礦山地災(zāi)、水利水電、農(nóng)林建筑等領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用[1-3]。北斗網(wǎng)絡(luò)RTK接收機(jī)在獲取地理位置信息方面發(fā)揮了重要作用，所提供的數(shù)據(jù)在相關(guān)行業(yè)均與工程質(zhì)量安全密切關(guān)聯(lián)，儀表用戶對(duì)其測(cè)試質(zhì)量非常重視，對(duì)其進(jìn)行校準(zhǔn)和量值溯源的需求也十分迫切。

目前常規(guī)RTK接收機(jī)采用現(xiàn)行規(guī)程“JJG（測(cè)繪） 2301—2013”進(jìn)行校準(zhǔn)。但網(wǎng)絡(luò)RTK接收機(jī)無需用戶自己搭建參考站，無法按照規(guī)程中直接測(cè)量流動(dòng)站到參考站的距離[4-5]來開展校準(zhǔn)工作。“BS ISO 17123-8: 2015”提供了一種在無法自行搭建參考站情況下的RTK測(cè)試方法。該方法得到許多生產(chǎn)廠家的認(rèn)可并作為內(nèi)部功能測(cè)試方法之一，但該試驗(yàn)規(guī)范聲明因測(cè)試內(nèi)容不夠全面，不建議將其作為驗(yàn)收或性能評(píng)估的測(cè)試[6]?！癇D 420023—2019”提供了RTK接收機(jī)靜態(tài)模式以及網(wǎng)絡(luò)RTK模式的測(cè)試方法。該方法作為性能檢測(cè)方法合理可靠，若在校準(zhǔn)工作中使用，基線場(chǎng)上的固定點(diǎn)坐標(biāo)或者坐標(biāo)系下的基線分量作為溯源的參考值，由接收機(jī)進(jìn)行標(biāo)定。該方法的溯源鏈為接收機(jī)→基線場(chǎng)→接收機(jī)，無法滿足校準(zhǔn)工作中精度傳遞要求[7]。

本文提出一種基于因瓦基線尺→基線場(chǎng)→接收機(jī)的溯源鏈，通過流動(dòng)站位移長(zhǎng)度來判定RTK測(cè)量誤差的校準(zhǔn)方法。該校準(zhǔn)方法應(yīng)用范圍更為廣泛，可滿足各類RTK儀器的校準(zhǔn)需求，且精度測(cè)量參數(shù)更容易溯源，適合校準(zhǔn)工作開展。

1 北斗網(wǎng)絡(luò)RTK接收機(jī)工作原理

北斗網(wǎng)絡(luò)RTK接收機(jī)包含多種工作模式，其中最為主要的網(wǎng)絡(luò)RTK測(cè)量模式需要已組網(wǎng)的參考站、數(shù)據(jù)處理中心、數(shù)據(jù)通信鏈路進(jìn)行輔助工作。用戶使用網(wǎng)絡(luò)RTK測(cè)量模式過程如圖1所示。多個(gè)參考站建立在已知坐標(biāo)點(diǎn)并按規(guī)定的采樣率進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)；數(shù)據(jù)處理中心對(duì)各參考站的同步觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、生成差分信息并通過網(wǎng)絡(luò)播發(fā)；該區(qū)域內(nèi)的流動(dòng)站接收衛(wèi)星信號(hào)和差分信息，從而實(shí)現(xiàn)高精度實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位。

圖1　網(wǎng)絡(luò)RTK測(cè)量模式過程

2　校準(zhǔn)條件

2.1　環(huán)境條件

校準(zhǔn)工作應(yīng)在待校準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)RTK接收機(jī)標(biāo)稱工作環(huán)境下進(jìn)行。RTK接收機(jī)在校準(zhǔn)場(chǎng)地能夠接收5顆高度角大于15°的單星座或多星座導(dǎo)航定位衛(wèi)星，且衛(wèi)星分布情況良好，位置精度衰減因子（PDOP）值應(yīng)小于6?，F(xiàn)場(chǎng)無線網(wǎng)絡(luò)性能良好，無強(qiáng)電磁信號(hào)干擾，環(huán)視高度角15°以上無障礙物遮擋。

2.2　標(biāo)準(zhǔn)裝置

1）秒表：測(cè)量范圍（0~3600）s，儀表顯示分辨力不大于0.1 s；

2）基線場(chǎng)：基線場(chǎng)至少包含3個(gè)固定點(diǎn)，各點(diǎn)之間距離不等且高度可調(diào)，固定點(diǎn)絕對(duì)地心坐標(biāo)精度優(yōu)于1 m，基線長(zhǎng)度精度優(yōu)于1 mm。

3　校準(zhǔn)項(xiàng)目和方法

3.1　初始化時(shí)間

按照網(wǎng)絡(luò)RTK接收機(jī)操作方式，設(shè)置其工作模式并安置在基線場(chǎng)內(nèi)的固定點(diǎn)；用秒表記錄流動(dòng)站觀測(cè)衛(wèi)星數(shù)據(jù)完成初始整周未知數(shù)解算的過程；從開啟電源到首次獲得固定解的時(shí)間1，關(guān)機(jī)后重復(fù)次取最大值為結(jié)果：

3.2　RTK測(cè)量誤差

設(shè)置網(wǎng)絡(luò)RTK接收機(jī)為流動(dòng)站，工作模式為RTK模式以及數(shù)據(jù)鏈參數(shù)。流動(dòng)站至少在2個(gè)固定點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量并獲得固定解的坐標(biāo)信息，在每個(gè)點(diǎn)至少測(cè)量5次，固定點(diǎn)位置如圖2所示。選擇安置流動(dòng)站的各固定點(diǎn)間距小于20 m，參考站到流動(dòng)站間距根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置。流動(dòng)站在所測(cè)固定點(diǎn)均獲得固定解后計(jì)算流動(dòng)站各點(diǎn)之間的距離、高程差測(cè)量值。

圖2 RTK測(cè)量誤差校準(zhǔn)示意圖

通過觀測(cè)值計(jì)算各點(diǎn)坐標(biāo)平均值：

結(jié)合觀測(cè)值和式(2)計(jì)算點(diǎn)殘差：

計(jì)算殘差平方和：

式中，各點(diǎn)測(cè)量次數(shù)= 1,2,…,5；固定點(diǎn)個(gè)數(shù)= 1,2；自由度v=v=v= (?1)·= (5 ? 1)×2，因此各點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)差s，s，s為

由式(5)可得水平標(biāo)準(zhǔn)差s和垂直標(biāo)準(zhǔn)差s：

計(jì)算流動(dòng)站在各固定點(diǎn)之間的距離和高程差Δ：

計(jì)算5組水平距離測(cè)量值D與參考值*之差ε和高程差測(cè)量值h與參考值*之差ε：

式中，基線場(chǎng)上的*和*均由因瓦基線尺標(biāo)定得出。

為保障校準(zhǔn)結(jié)果可靠，ε和ε需要滿足以下條件：

若ε和ε不滿足式(9)中任意一項(xiàng)，則建議該項(xiàng)目重新進(jìn)行校準(zhǔn)。若ε和ε均滿足上述條件，則RTK測(cè)量水平精度m和垂直精度m可表示為

3.3　靜態(tài)測(cè)量誤差

設(shè)置各接收機(jī)工作模式為靜態(tài)模式以及數(shù)據(jù)鏈參數(shù)，至少在3個(gè)固定點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，各接收機(jī)必須保證同步觀測(cè)時(shí)間滿足技術(shù)指標(biāo)要求，在每個(gè)點(diǎn)至少測(cè)量5次，固定點(diǎn)位置如圖3所示。選擇安置接收機(jī)的各固定點(diǎn)間距小于20 m。接收機(jī)在所測(cè)固定點(diǎn)均獲得固定解后計(jì)算各點(diǎn)之間的距離、高程差測(cè)量值。誤差計(jì)算以及判斷可參考3.2。

圖3　靜態(tài)測(cè)量誤差校準(zhǔn)示意圖

4　RTK測(cè)量不確定度分析

以華測(cè)導(dǎo)航I80 RTK測(cè)量系統(tǒng)為例，依據(jù)3.2校準(zhǔn)方法對(duì)RTK測(cè)量誤差進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)工作在如圖4所示的基線場(chǎng)內(nèi)開展。在上一級(jí)溯源過程中，各固定點(diǎn)坐標(biāo)由接收機(jī)標(biāo)定得出，固定點(diǎn)之間的水平距離和高程差由因瓦基線尺標(biāo)定得出。校準(zhǔn)過程無線網(wǎng)絡(luò)性能良好且衛(wèi)星分布情況正常。

圖4　北斗網(wǎng)絡(luò)RTK接收機(jī)校準(zhǔn)場(chǎng)地布點(diǎn)圖

在2個(gè)固定點(diǎn)分別進(jìn)行5次測(cè)試，按式(2)~式(8)計(jì)算水平距離、高程差，并判斷測(cè)量誤差是否均滿足式(9)。觀測(cè)數(shù)據(jù)由式(6)可得水平標(biāo)準(zhǔn)差s=1.665 mm 和垂直標(biāo)準(zhǔn)差s=3.273 mm。將其他主要不確定度來源匯總后如表1所示。

表1　測(cè)量不確定分量

因測(cè)量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度包含儀器顯示分辨力、對(duì)中桿和各部件引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度，取其中最大者，將表1數(shù)據(jù)代入式(11)計(jì)算合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

可得RTK測(cè)量不確定度：?xy= 1.666 mm，?h= 3.273 mm；擴(kuò)展不確定度：取= 2，U=?xy= 3.3 mm，U= 2?h= 6.5 mm。

5　結(jié)語

本文根據(jù)北斗網(wǎng)絡(luò)RTK接收機(jī)的工作原理，提出了初始化時(shí)間、RTK測(cè)量誤差、靜態(tài)測(cè)量誤差的校準(zhǔn)方法。本校準(zhǔn)方法已通過大量的實(shí)地測(cè)試驗(yàn)證其可行性和適用性，可作為北斗網(wǎng)絡(luò)RTK接收機(jī)校準(zhǔn)的參考依據(jù)，其他具有類似功能的設(shè)備也可以參照該方法對(duì)設(shè)備測(cè)量性能進(jìn)行校準(zhǔn)。

[1] 錢志鴻,田春生,郭銀景,等.智能網(wǎng)聯(lián)交通系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)與發(fā)展[J].電子與信息學(xué)報(bào),2020,42(1):2-19.

[2] 杜仲進(jìn).基于多模CORS的網(wǎng)絡(luò)RTK服務(wù)性能測(cè)試[J].地理空間信息,2019,17(4):32-34,47.

[3] 羅衛(wèi)國(guó).基于北斗的網(wǎng)絡(luò)RTK實(shí)時(shí)定位服務(wù)分析[J].北京測(cè)繪,2019,33(7):787-791.

[4] 國(guó)家測(cè)繪地理信息局.JJG(測(cè)繪) 2301—2013 全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)測(cè)量型接收機(jī)RTK檢定規(guī)程[S].北京:測(cè)繪出版社,2013.

[5] 侯建明.對(duì)網(wǎng)絡(luò)RTK接收機(jī)檢定方法的探討[J].華北國(guó)土資源,2013(4):96-97,102.

[6] ISO 17123-8:2015 Optics and optical instruments - Field procedures for testing geodetic and surveying instruments - Part 8: GNSS field measurement systems in real-time kinematic (RTK) [S]. Switzerland: ISO, 2015.

[7] 全國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).BD 420023—2019 北斗/全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS）RTK接收機(jī)通用規(guī)范[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2019.

Calibration Method of BDS Network RTK Receiver

Wang Zhuonian Liu Xiaoqin

(Guangzhou GRG Metrology & Test Co., Ltd. Guangzhou510656, China)

This paper introduces the working principle of BDS Network RTK receiver, presents a calibration method for BDS Network RTK receiver, and analyzes the measurement uncertainty. This method can meet the calibration requirements of all kinds of RTK receivers, and the measurement parameters are more easily traceable.

BDS; Network RTK; calibration

王卓念，男，1991年生，碩士，主要研究方向：光電信息技術(shù)。E-mail：wangzn@grgtest.com

TH71

A

1674-2605(2020)04-0008-04

10.3969/j.issn.1674-2605.2020.04.008