为什么单基站RTK的测量距离是有限的     DATE: 2019-11-28 12:00

随着卫星定位技术的快速发展。而目前使用最为广泛的高精度定位技术就是RTK(实时动态定位:Real-TimeKinematic),RTK技术的关键在于使用了GPS的载波相位观测量,并利用了参考站和移动站之间观测误差的空间相关性,通过差分的方式除去移动站观测数据中的大部分误差,从而实现高精度的定位。

具体地说就是如图1,卫星离我们很远,假设是A点,RTK测量时有一个基准站和一个流动站,基准站是不动的,我们通过流动站来测我们要的点的坐标。假设现在基准站在B点,我们的流动站在C点。B点和C点都有GPS接收机,GPS信号从卫星到达B、C两点,实际上由于受大气影响会产生很多误差(因为电磁信号在真空的中的传播速度才是定值,而在实际空气中的传播速度要慢一些,并且慢多少跟空气的密度、温度等等都有关系),并且这个误差无法实际测定(因为气温气压都是实时变化的),因此实际上B、C的实际准确位置都无法测定。

但是由于卫星离我们的距离相对于BC之间的距离L3是非常大的,所以可以认为信号从A传到B跟从A传到C的路径是一样的,误差也是一样的,那么把两个作差这个误差常数就可以抵消,这时可以得到C到B的一个距离向量(可认为是三维坐标差)。而B点坐标已知,那么C点的坐标就是B点坐标加上这个坐标差。这种方法就是差分。而BC之间通过电台信号或GPRS等数据链进行通讯,实时解算这个坐标差值,这就是RTK测量的基本原理。

RTK单基站作用距离
图1,基站、移动站、卫星位置

由此可见,RTK系统本身的影响因素用户无法控制,这些因素包括GPS卫星星数、卫星图形和大气状况。对流层和电离层都会对GPS信号传播造成影响,电离层的影响随时间和空间波动较大,因此信号到达基准站和流动站时将不同程度的受其影响,而且基线(基站到移动站的距离)越长,影响越大。在正常情况下,当点间距离较短时,其影响能够模拟,残差可通过观测值的差分处理得到削弱或消除。RTK测量的基线长度,同轨道误差和大气影响密切相关,基线越长,电离层和对流层的误差越大,观测结果的误差也越大,解算结果的可靠度也越低。

所以从理论上讲GPS误差的空间相关性随基准站站和移动站距离的增加而逐渐失去线性,因此在较长距离下(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,从仪器上来看就会出现不固定或者DOP超限。但具体到实际情况,除了差分数据随距离增大失去线性相关外还有很多因素,如图2
RTK单基站差分定位
图2,实际情况模拟

除了差分参数随距离失去线性这个主要原因外,还有当移动站和基站之间达到一定的距离时,此时如果卫星相对两台(或多台)接收机的位置不够均匀,或受地形影响遮挡部分卫星信号。B,C各自定位时选择的卫星可能会有所不同,导致差分参数的不同。从而使得移动站位置解算缓慢,甚至无法解算。

与此同时,受到电台功率的限制以及电台信号、GPRS信号受测区内的无线电或者磁场影响丢失数据,也会导致解算出现问题。所以在实际野外操作过程中,受到上述条件影响RTK的使用距离最大往往在10km左右。

为了克服传统RTK技术的缺陷,在20世纪90年代中期,人们提出了网络RTK技术。在网络RTK技术中,线性衰减的单点GPS误差模型被区域型的GPS网络误差模型所取代,即用多个参考站组成的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。而用户收到的也不是某个实际参考站的观测数据,而是一个虚拟参考站的数据,和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)。这种网络RTK技术在结合了计算机技术等运用于现实,就是我们现在所使用的连续运行参考站系统(CORS)

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