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什么是RTK?

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  RTK是英文Real - time kinematic的缩写,中文意思是实时动态。RTK作为现代测量中的测绘仪器,已经非常普及。RTK是一种卫星导航技术,用于提高从基于全球卫星导航系统(GPS/BeiDou/Galileo/Glonass)获得的定位数据的精度。RTK又称载波相位差分技术,是实时处理两个载波相位观测量的差分方法。即是将基准站采集的载波相位发给用户接收机,进行求差解算坐标。载波相位差分可以使定位精度达到厘米级。大量应用于动态需要高精度位置的领域。

  那么,RTK的概念是什么呢?它是一种利用GPS载波相位观测值进行实时动态相对定位的技术,它能够实时地提供测站点在指定坐标系中的三维定位结果。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,而RTK是能够在野外实时得到厘米级定位精度的测量方法,极大地提高了作业效率。

  RTK的工作原理是基准站通过数据链将其观测值和测站坐标信息一起传送给流动站。流动站不仅通过数据链接收来自基准站的数据,还要采集GPS观测数据,并在系统内组成差分观测值进行实时处理,同时给出厘米级定位结果。

  在利用GPS进行定位时,会受到各种各样因素的影响,为了消除这些误差源,必须使用两台以上的GPS接收机同步工作。所以RTK测量至少需要2台GPS接收机(一台作为基准站一台或多台作为移动站)、数据通信链(电台等)和测量软件。也就是说,两台接收机都在观测卫星数据,同时,基准站通过其发射电台把所接收的载波相位信号发射出去。

  GPS的概念及组成

  GPS(Global Positioning System)即全球定位系统,是由美国建立的一个卫星导航定位系统,通过GPS系统可以在全球范围内实现全天候、连续、实时的三维导航定位和测速;另外,还能够进行高精度的时间传递和高精度的精密定位。GPS的整个系统由空间部分、地面控制部分和用户部分所组成。

  空间部分

  GPS的空间部分是由24颗GPS工作卫星所组成,这些GPS工作卫星共同组成了GPS卫星星座,其中21颗为可用于导航的卫星,3颗为活动的备用卫星。这24颗卫星分布在6个倾角为550的轨道上绕地球运行。卫星的运行周期约为12恒星时。每颗GPS工作卫星都发出用于导航定位的信号。GPS用户正是利用这些信号来进行工作的。

  控制部分

  GPS的控制部分由分布在全球的由若干个跟踪站所组成的监控系统所构成,根据其不同的作用,这些跟踪站被分为主控站、监控站和注入站。主控站有一个,它的作用是根据各监控站对GPS的观测数据,计算出卫星的星历和卫星钟的改正参数等,并将这些数据通过注入站注入到卫星中去;同时,它还对卫星进行控制,向卫星发布指令,当工作卫星出现故障时,调度备用卫星,替代失效的工作卫星工作;另外,主控站也具有监控站的功能。监控站共有五个,监控站的作用是接收卫星信号,监测卫星的工作状态;注入站有三个,它的作用是将主控站计算出的卫星星历和卫星钟的改正数等注入到卫星中去。

  目前GPS系统提供的定位精度是优于10米,而为得到更高的定位精度,我们通常采用差分GPS技术:将一台GPS接收机安置在基准站。上进行观测。根据基准站已知精密坐标,计算出基准站到卫星的距离改正数,并由基准站实时将这一数据发送出去。 用户接收机在进行GPS观测的同时,也接收到基准站发出的改正数,并对其定位结果进行改正,从而提高定位精度。差分GPS分为两大类:伪距差分和载波相位差分。

  伪距差分原理

  这是应用最广的一种差分。在基准站上,观测所有卫星,根据基准站已知坐标和各卫星的坐标,求出每颗卫星每一时刻到基准站的真实距离。再与测得的伪距比较,得出伪距改正数,将其传输至用户接收机,提高定位精度。

  载波相位

  可运载调制信号的高频率震荡波,称之为载波。以GPS系统为例,GPS卫星发射的信号由载波、测距码和导航电文三部分组成。在GPS建成之初,是通过伪距测量来进行定位的,因为精度低的原因(C/A码的测距精度只能达到2.93m),后来人们在20世纪90年代中期开发基于GPS测量的实时厘米级精度定位,也就是现在的RTK(实时动态)定位。

  伪距测量比载波相位的精度低是因为码元宽度和波长,伪距测量是以测距码作为量测信号的,而采用码相关法时,测量精度是码元宽度的百分之一,由于测距码的码元宽度较大(精码码宽30m,C/A码码宽300m),所以导致测量精度不高。

  载波之前作为运载卫星信号的载体,而测距码也包含在卫星信号里,说明载波是给测距码当运输工具的,突然发现作为运输工具的载波的精度要比测距码还要高,大起大落。

  但是使用载波时也不是都是好的,也有缺点。例如会出现周跳与整周模糊度的问题。周跳,是因为由于卫星信号的失锁而导致的整周计数的跳变或中断,导致观测值不精确。整周模糊度是因为载波是一个没有任何标记的余弦波,接收机内的鉴相器只能测定不足一周的部分,对产生的整周数不确定。

  载波相位测量的原理是

  ρ=λ(φs -φR)

  是卫星到地球的距离,也叫卫地距,为载波的波长,(φs -φR)为相位差,这里的相位差包含着不足一周的小数部分,也包含着整周波段数。

  所以载波相位测量实际就是以波长λ作为长度单位,以载波作为一把“尺子”来测量卫星至接收机间的距离。

  传统RTK的缺点

  传统RTK也有一个缺陷,就是GPS误差会随参考站和移动站距离的增加而逐渐失去线性,在较长距离下(单频>10km,双频>30km),经过差分处理后的用户数据仍然含有很大的观测误差,从而导致定位精度的降低和无法解算载波相位的整周模糊。

  所以在20世纪90年代中期,人们提出了网络RTK技术。通过多个参考站组成的GPS网络来估计一个地区的GPS误差模型,并为网络覆盖地区的用户提供校正数据,用一个虚拟参考站的数据,为用户提供距离自己位置较近的某个参考网格的校正数据,因此网络RTK技术又被称为虚拟参考站技术(Virtual Reference)。

  近些年随着技术的发展,RTK技术早已由传统的1+1或1+2发展到了广域差分系统WADGPS,有些城市建立起CORS系统,有的公司也自己建立了CORS系统,例如千寻CORS,这就大大提高了RTK的测量范围,解决了传统RTK距离限制的问题。


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