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    什么是RTK
    文章作者:handler 時間:2019-03-21 10-47-23

    什么事RTK?




    曾經和一個粉絲有如下對話:

    開個玩笑,以上對話純屬虛構,不過國內習慣把GNSS接收機叫成RTK這倒是真的,因為RTK技術的普及,讓大家對接收機的作用就“限定”在了RTK,在之前沒有RTK時,接收機就是接收機。

    目前,GNSSj接收機約99%的時間都用作RTK模式進行測量,只有1%的時間用作靜態測量做控制網等。所以,大部分人都習慣把GNSS接收機喊成RTK了。

    不過除去GNSS接收機,你知道RTK是什么意思嗎?

    1定位

    在說RTK之前,大家首先要認識這個詞的含義——衛星定位,是一種使用衛星對某物進行準確定位的技術。

    而衛星定位技術的應用,從早先的子午衛星系統發展到現在大家所熟知的全球定位系統和區域定位系統,發展十分迅速。

    那么你知道是如何通過衛星知道你的位置的嗎?

    以美國的GPS系統為例,我們看一看GPS衛星定位基本原理:測量出已知位置的衛星到用戶接收機之間的距離,然后綜合多顆衛星的數據就可知道接收機的具體位置。又因為需要計算三維位置及偏差,所以需要至少4顆衛星。(你要是使用測量時,只能搜到3顆衛星,是絕對不可能固定的。)

    這里面最重要的就是測量出衛星與用戶接收機之間的距離,怎么測呢?先說一個基本的數學原理:距離 = 速度 X 時間。

    衛星定位技術也是如此,簡答來說就是衛星在太空中給用戶發信號,經過時間N后,用戶在地球上接到了衛星信號。用時間N乘以光速就得到了衛星和用戶之間的距離。

    衛星的位置可在衛星星歷中得到,已知衛星的位置和衛星至用戶的距離,從而求得用戶的地理位置信息。

    由于大氣層電離層的干擾,這一距離并不是用戶與衛星之間的真實距離,而是偽距。我們把這種測量方法叫偽距測量。因為定位精度原因,又開發出了載波相位測量。

    對于衛星定位的干擾當然不僅僅只是大氣層電離層干擾,還包括鐘誤差、星歷誤差等等,想要詳細了解得,參考小編之前的文章《了解一下GPS定位中的誤差源及削弱方法》。

    好了,關于定位就說到這里,接下來就和小編一起認識一下RTK技術。

    首先,大家要認識RTK的基本概念,RTK是英文Real – time kinematic的縮寫,中文意思是實時動態。RTK是一種衛星導航技術,用于提高從基于全球衛星導航系統(GPS/BeiDou/Galileo/Glonass)獲得的定位數據的精度。

    那么,RTK的概念是什么呢?它是一種利用GPS載波相位觀測值進行實時動態相對定位的技術,它能夠實時地提供測站點在指定坐標系中的三維定位結果。在使用RTK測量時……

    等等,載波是什么意思?有人可能不懂是什么意思,小編來簡單的為大家解釋一下。

    2載波相位

    載波載波,根據名字就能大致了解它的含義,載是運載的意思,波就是電波的意思,當然這里要運載的是衛星的信號,合在一起就是可運載調制信號的高頻率震蕩波,稱之為載波。

    以GPS系統為例,GPS衛星發射的信號由載波、測距碼和導航電文三部分組成(不要問小編為什么是這三個組成)。載波和測距碼用來進行距離測量,導航電文包含了衛星星歷、衛星鐘的改正參數

    在GPS建成之初,是通過偽距測量來進行定位的,因為精度低的原因(C/A碼的測距精度只能達到2.93m),后來人們在20世紀90年代中期開發基于GPS測量(或更一般地,基于GNSS測量)的實時厘米級精度定位,也就是現在的RTK(“實時動態”)定位。

    好奇為什么偽距測量比載波相位的精度低嗎?

    因為碼元寬度和波長,偽距測量是以測距碼作為量測信號的,而采用碼相關法時,測量精度是碼元寬度的百分之一,由于測距碼的碼元寬度較大(精碼碼寬30m,C/A碼碼寬300m),所以導致測量精度不高。

    碼寬計算:碼寬=光速÷碼頻率,光速為

    ,C/A碼的碼頻率為1.023Mhz

    精碼的碼頻率為10.23Mhz

    而載波的波長則要短上很多(19.0cm/24.4cm/25.5cm),把載波當做測距信號進行相位測量,就能達到很高的精度。

    說到這,小編突然想到一件事情,載波之前作為運載衛星信號的載體(苦力勞動),而測距碼也包含在衛星信號里,說明載波是給測距碼當運輸工具的,突然發現作為運輸工具的載波的精度要比測距碼還要高,大起大落。

    但是使用載波時也不是都是好的,也有缺點。例如會出現周跳與整周模糊度的問題,小編為大家解釋一下兩個詞。

    首先,周跳,是因為由于衛星信號的失鎖而導致的整周計數的跳變或中斷,導致觀測值不精確。

    整周模糊度是因為載波是一個沒有任何標記的余弦波,接收機內的鑒相器只能測定不足一周的部分,對產生的整周數不確定。這個問題就需要考驗看各廠商的測量軟件對整周技術的計算能力了。

    接著我們看一下載波相位測量的原理是,先看一下公式

    是衛星到地球的距離,也叫衛地距,

    為載波的波長,

    為相位差,這里的相位差包含著不足一周的小數部分,也包含著整周波段數。

    所以載波相位測量實際就是以波長作為長度單位,以載波作為一把“尺子”來測量衛星至接收機間的距離。

    3RTK

    載波說完了,接著說RTK,RTK是一種利用GPS載波相位觀測值進行實時動態相對定位的技術,關鍵詞:實時、動態和相對定位。

    以前的靜態、快速靜態、動態測量都需要事后進行解算才能獲得厘米級的精度,而RTK是能夠在野外實時得到厘米級定位精度的測量方法,極大地提高了作業效率。

    RTK的工作原理是基準站通過數據鏈將其觀測值和測站坐標信息一起傳送給流動站。流動站不僅通過數據鏈接收來自基準站的數據,還要采集GPS觀測數據,并在系統內組成差分觀測值進行實時處理,同時給出厘米級定位結果。

    所以RTK測量至少需要2臺GPS接收機(一臺作為基準站一臺或多臺作為移動站)、數據通信鏈(電臺等)和測量軟件。

    上面小編說的是傳統RTK,傳統RTK也有一個缺陷,就是GPS誤差會隨參考站和移動站距離的增加而逐漸失去線性,在較長距離下(單頻>10km,雙頻>30km),經過差分處理后的用戶數據仍然含有很大的觀測誤差,從而導致定位精度的降低和無法解算載波相位的整周模糊。

    所以在20世紀90年代中期,人們提出了網絡RTK技術。通過多個參考站組成的GPS網絡來估計一個地區的GPS誤差模型,并為網絡覆蓋地區的用戶提供校正數據,用一個虛擬參考站的數據,為用戶提供距離自己位置較近的某個參考網格的校正數據,因此網絡RTK技術又被稱為虛擬參考站技術(Virtual Reference)。

    近些年隨著技術的發展,RTK技術早已由傳統的1+1或1+2發展到了廣域差分系統WADGPS,有些城市建立起CORS系統,有的公司也自己建立了CORS系統,例如千尋CORS,這就大大提高了RTK的測量范圍,解決了傳統RTK距離限制的問題。

     總結 

    RTK是一種利用GPS載波相位觀測值進行實時動態相對定位的技術,載波雖然測量精度高,但是也會出現周跳及整周模糊度的問題。

    RTK的發展由傳統RTK到網絡RTK再到現在的CORS,測量越來越方便精度也更加精確。

    RTK技術的關鍵在于數據處理技術和數據傳輸技術,RTK定位時要求基準站接收機實時地把觀測數據(偽距觀測值,相位觀測值)及已知數據傳輸給流動站接收機,數據量比較大。

    RTK數據的傳輸也由電臺傳輸發展到現在的GPRS和GSM網絡傳輸,大大提高了數據的傳輸效率和范圍。