几种常用网络RTK技术比较     DATE: 2019-11-22 14:10

RTK(RealTimeKinematic)技术是GPS测量技术与数据传输技术相结合而构成的组合系统,形成于20世纪90年代中期。
目前RTK技术主要分为常规RTK技术和网络RTK技术。

RTK 测量技术

常规RTK是建立在流动站与基准站误差强相关基础上的,当流动站离基准站较近时,误差是强相关的,此时利用一个或数个历元的观测资料即可获得厘米级精度的定位结果。然而随着流动站与基准站距离的逐渐增加,这种误差相关性越来越差,定位精度迅速下降,当流动站和基准站的距离大于50km时,常规RTK单历元解一般只能达到分米级的精度(李征航等,2002)。

为了实现更好的精度,网络RTK技术便应运而生。

网络RTK是由基准站网、数据处理中心、数据通信链路和流动站组成。基准站需要配备双频全波长GPS接收机,基准站的站坐标应精确已知并按规定的采样率进行连续观测,并通过数据通信链路将观测资料实时地传输给数据处理中心,数据处理中心根据流动站发送的近似坐标计算误差改正信息,然后将信息播发给流动站。相对于常规RTK技术,网络RTK覆盖的范围更广,精度和可靠性更高,应用的范围更广,前景广阔。
 
1、网络RTK的基本原理
 
在常规RTK工作模式中,只有1个基准站,流动站与基准站的距离不能超过10km-15km,并且没有多余的基准站。在网络RTK中,有多个基准站,用户不需要建立自己的基准站,用户与基准站的距离可以扩展到上百公里,网络RTK减少了误差源,尤其是与距离相关的误差。
 
一般来说,网络RTK可以分成3个基础部分。分别是基准站数据采集;数据处理中心进行数据处理得到误差改正信息;播发改正信息(Cruddace等,2002)。首先,多个基准站同时采集观测数据并将数据传送到数据处理中心,数据处理中心有1台主控电脑能够通过网络控制所有的基准站。所有从基准站传来的数据先经过粗差剔除,然后主控电脑对这些数据进行联网解算。最后播发改正信息给用户。为了增加可靠性,数据处理中心会安装备用电脑以防主机发生故障影响系统运行。
 
网络RTK至少要有3个基准站才能计算出改正信息。改正信息的可靠性和精度会随基准站数目的增加而得到改善。当存在足够多的基准站时,如果某个基准站出现故障,系统仍然可以正常运行并且提供可靠的改正信息(El-Mowafy,2005)。
 
2、网络RTK技术的比较
 
目前,网络RTK根据技术类型和软件主要有以下
 
几种:单参考站网模式、虚拟参考站技术(VRS)、区域改正参数法(FKP)、主辅站技术(MAX)、综合误差内插法(CBI)。
 
2.1单参考站网模式
 
此模式原理上与普通GPS作业时的参考站没有太大的区别,每一个参考站服务于一定作用半径内所有的GPS用户。对于长时间静态跟踪数据后处理的用户,借助于接收调频副载波、宽带快速网络通信,以及其他数据通信手段提供的DGPS伪距差分改正数信息,对于从事准实时定位或实时精密导航的用户来说,服务半径可以达到几十千米、几百千米,甚至更长一些。至于需要实时给出厘米级定位精度的用户来说,单参考站的服务半径目前可以达到30km上。
 
该模式优势在于:首期投入较少;随时可以升级和扩展;系统灵活、安全、可靠、稳定;不需要任何额外的装置,不需要报告流动站点位的双向数据通信设备,施工周期短。
 
2.2虚拟参考站技术(VRS)
 
VRS(virtualreferencestation)由美国Trimble公司研究开发。在VRS网络中,各基准站不直接向移动用户发送任何改正信息,而是将所有的原始数据通过数据通信链路发给控制中心。同时用户在工作前,先向控制中心发送一个概略坐标,控制中心收到这个位置信息后,根据用户位置,由计算机自动选择最佳的一组固定基准站,根据这些站发来的信息,整体的改正GPS的轨道误差,电离层、对流层和大气折射引起的误差,将高精度的差分信号发给用户。这个差分信号的效果相当于在移动站旁边,生成一个虚拟的参考基站,从而解决了RTK作业距离上的限制问题,保证了用户的精度(王平,2001)。
 
虚拟基准站法就是设法在流动站附近建立一个虚拟的基准站,并根据周围各基准站上的实际观测值算出该虚拟基准站上的虚拟观测值。由于虚拟参考站离流动站很近,一般仅相距数米至数十米。故动态用户只需采用常规RTK技术就能与虚拟基准站进行实时相对定位,获得较准确的定位结果。如果网络RTK的数据处理中心能按常规RTK中所用的数据格式来播发虚拟基准站的观测值及站坐标,那么网络RTK中的动态用户就可用原有的常规RTK软件来进行数据处理。在虚拟基准站法中,动态用户也需要根据伪距观测值和广播星历进行单点定位,求得流动站的粗略位置并实时将它们传送给数据处理中心。数据处理中心通常就将虚拟基准站P设在该点上。此时虚拟站P离真正的流动站位置可能相距20m-40m左右。虚拟参考站技术的关键在于如何构建出虚拟的观测值。一旦构建出虚拟的观测值,在数据处理时就可把它看作一般的基准站来处理。
 
VRS的出现是现代科技高速发展的结果,它的代表软件是GPSNetwork(Trimble)。VRS不仅是GPS的产品,而是集互联网技术、无线通信技术、计算机技术和GPS定位技术于一身的系统。VRS的出现,降低了用户的定位成本,用户不需要自己架设基准站,只需要一个简单的GPS接收机就可以达到厘米级的定位水平。VRS扩展了GPS的应用领域,代表了GPS的发展方向。但是VRS并不是完美的,也存在缺陷。在VRS技术中,电离层、对流层的影响只能借助改正模型来修正,改正效果容易受外界的影响,另外VRS无法消除轨道误差的影响。
 
2.3区域改正参数法(FKP)
 
区域改正参数(FKP)法最早是由德国的Geo++GmbH提出来的。该方法基于状态空间模型,采用整体的网络解,对数据用卡尔曼滤波进行非差处理,并将所有参考站每一个观测瞬间所采集的未经差分处理的同步观测值,实时地传输给数据处理中心并实时处理,产生一个FKP的网络地区修正参数,然后将这种FKP参数通过扩展的RTCM信息,发送给所有服务区内的流动站。
 
该技术存在同VRS技术相同的缺陷,电离层、对流层只能通过模型来改正,并且易受外界的影响,不能消除轨道误差,只能借助其他的方法。在VRS中要用所有的基准站来计算改正信息,而在FKP方法中只需取距离流动站最近的3个基准站(王艳梅等,2005)。
 
2.4主辅站技术(MAX)
 
主辅站技术(MAX)是瑞士徕卡公司基于“主辅站概念”推出的新一代参考站网软件。MAX技术的基本思想是计算出辅站相对于主站的弥散性和非弥散性的差分改正数,利用主站的改正数和辅站的相对改正数计算流动站的误差,流动站观测值进行改正后,进行高精度定位。
 
主辅站技术的基本要求就是将参考站的相位距离简化为一个公共的整周未知数水平。如果相对于某一个卫星与接收机"对"而言,相位距离的整周未知数己经被消去,或被平差过,那么当组成双差时,整周未知数就被消除了,此时,我们就可以说2个参考站具有1个公共的整周未知数水平。网络处理软件的主要
 
任务就是将网络中(或子网络中)所有参考站相位距离的整周未知数归算到一个公共的水平。一旦此项任务得以完成,接着就有可能为每一对卫星-接收机及为每一个频率分别计算出弥散性的和非弥散性的误差(吴星华等,2005)。
 
2.5综合误差内插法(CBI)
 
综合误差内插法(CBI)由武汉大学卫星导航定位技术研究中心提出。在GPS的观测过程中,由于电离层、对流层延迟以及卫星轨道误差等对观测值的影响,使得所得到的观测值不可避免的含有多种误差。在网络RTK差分算法研究过程中,由于许多误差的影响很难进行区分,并进行单个精确计算或改正,但是它们的综合影响却可以用简单精确的方法统一计算或消除。基于上述原因,便提出了综合误差的概念。这里的综合误差,准确地说,是指GPS观测值中除观测噪声之外的所有系统误差的综合影响。因为观测噪声一般情况下都很小,且具有随机性,因此有时也可以说综合误差是观测值中所有误差的综合影响。
 
综合误差内插法是在多种系统误差在一定区域内具有较强的相关性的基础上,用一定的算法通过多个基准站的已知误差直接内插该区域内任何一处流动站的综合误差。使用综合误差内插法只需一个历元的数据便可很好地消除流动站的双差综合误差。
 
CBI技术是利用双差组合的优点,在基准站计算改正信息时不区分电离层、对流层延迟等造成的误差,而是由各监控中心统一集中所有的基准站观测数据选择、计算和播发给用户综合误差信息。因为多种误差在主辅站之间存在较强的线性相关性,用综合误差表示双差观测方程中的所有系统误差的综合影响.该技术利用卫星定位误差的相关性计算基准站上的综合误差,并内插出用户站的综合误差.研究表明,综合误差内插法的精度最弱点是位于基准站基线的中间,对于随位置不同而呈线性变化的误差,如电离层延迟和轨道误差,可以基本完全消除其影响,同时消除绝大部分不符合线性变化的误差,如对流层延迟等系统误差.综合误差内插法的代表软件为PowerNET(武汉大学GNSS中心)。
 
相对于前面讨论的网络RTK技术,CBI方法具有较大的优势,针对电离层、对流层延迟的影响,CBI方法不是用模型进行改正,而是由误差直接改正,改正效果受外界的影响小,不需要借助其他的方法就可以消除或者削弱轨道误差造成的影响。
 
3、结论与展望
 
目前正值网络RTK技术蓬勃发展之际,国内很多省市已经建立了完整的基于网络RTK技术的CORS系统。网络RTK技术日趋完善,应用范围不断扩大.但是由于目前网络RTK中所采用的技术都不是十分成熟,在应用上还存在很多问题.国际上针对网络RTK技术没有制定相应的标准,各地所建系统的数据处理方式和数据格式都不相同,造成系统的兼容性差;误差模型的生成还存在许多问题,在电离层和对流层强烈活动条件下出现的误差仍然是一个影响实际应用的问题;在网络RTK中,网络稳定性是影响定位精度的主要因素,因此应尽量保证网络的稳定.未来的网络RTK技术将会向着长距离、高精度、多频多模、高稳定性的方向发展。
 
 
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