RTK技术原理及应用

GNSScenter,WuhanUniversity网络RTK技术及应用薛晓轩吉林省第一测绘院2010年01月10日GNSScenter,WuhanUniversity1全球定位系统-GPS授时与测距导航系统/全球定位系统(NavigationSatelliteTimingandRanging/GlobalPositioningSystem--GPS)：是以人造卫星为基础的无线电导航系统，可提供高精度、全天候、实时动态定位、定时及导航服务。GNSScenter,WuhanUniversity1.1GPS系统由三个独立的部分组成空间部分：21颗工作卫星，3颗备用卫星（白色）。它们在高度20200km的近圆形轨道上运行，分布在六个轨道面上，轨道倾角55°，两个轨道面之间在经度上相隔60°，每个轨道面上布放四颗卫星。卫星在空间的这种配置，保障了在地球上任意地点，任意时刻，至少同时可见到四颗卫星。GNSScenter,WuhanUniversity地面支撑系统：1个主控站，3个注入站，5个监测站。它向GPS导航卫星提供一系列描述卫星运动及其轨道的参数；监控卫星沿着预定轨道运行；保持各颗卫星处于GPS时间系统及监控卫星上各种设备是否正常工作等。GNSScenter,WuhanUniversity用户设备部分：GPS接收机——接收卫星信号，经数据处理得到接收机所在点位的导航和定位信息。通常会显示出用户的位置、速度和时间。还可显示一些附加数据，如到航路点的距离和航向或提供图示。GNSScenter,WuhanUniversityGPS控制网国家测绘局GNSScenter,WuhanUniversity1.2GNSS定位的基本原理(1)绝对定位GNSScenter,WuhanUniversity1.2GNSS定位的基本原理(2)需解决的两个关键问题如何确定卫星的位置如何测量出站星距离GNSScenter,WuhanUniversity1.3GPS卫星信号的组成和观测值类型(1)GPS卫星信号的组成部分载波（Carrier）•L1•L2测距码（RangingCode）•C/A码（目前只被调制在L1上，新一代卫星L2上）•P(Y)码（被分别调制在L1和L2上）卫星（导航）电文（Message）GNSScenter,WuhanUniversityGNSS定位技术发展历史非差相位精密单点定位（PPP）网络RTK技术伪距单点定位伪距差分定位载波静态定位绝对定位相对定位常规RTK广域差分定位定位技术-X第一代第二代第三代第四代GNSScenter,WuhanUniversity目前GNSS定位研究的热点非差相位精密单点定位技术结合广域差分技术和单点定位技术。要求：精密卫星轨道、卫星钟参数。定位精度：0.1-0.5m网络RTK定位技术结合RTK和基准站技术要求：在区域内架设多个基准站定位精度：0.01-0.05m（水平实时）GNSScenter,WuhanUniversity精密单点定位概念及原理利用预报的GPS卫星的精密星历或事后的精密星历作为已知坐标起算数据；同时利用某种方式得到的精密卫星钟差来替代用户GPS定位观测值方程中的卫星钟差参数；用户利用单台GPS双频双码接收机的观测数据在在数千万平方公里乃至全球范围内的任意位置都可以分米级的精度进行实时动态定位或以厘米级的精度进行较快速的静态定位，这一导航定位方法称为精密单点定位（PrecisePointPositioning），简称为（PPP）。GNSScenter,WuhanUniversity精密单点定位优缺点优点：•处理非差伪距和相位观测值•估计位置、接收机钟差、对流层延迟历元•支持静态和动态定位•支持全球定位•与坐标框架直接联系•无需基准站支持即可实现厘米级到分米级定位•提高效益，降低成本挑战•卫星星历和钟差的可用性问题•相位模糊度收敛问题•误差处理问题GNSScenter,WuhanUniversity与卫星有关的误差卫星轨道误差卫星钟差相对论效应与传播途径有关的误差电离层延迟对流层延迟多路径效应与接收设备有关的误差接收机天线相位中心的偏移和变化接收机钟差接收机内部噪声1.5GNSS误差源的分类GNSScenter,WuhanUniversity消除或消弱各种误差影响的方法①模型改正法原理：利用模型计算出误差影响的大小，直接对观测值进行修正适用情况：对误差的特性、机制及产生原因有较深刻了解，能建立理论或经验公式所针对的误差源•相对论效应•电离层延迟•对流层延迟•卫星钟差限制：有些误差难以模型化改正后的观测值=原始观测值+模型改正GNSScenter,WuhanUniversity消除或消弱各种误差影响的方法②求差法原理：通过观测值间一定方式的相互求差，消去或消弱求差观测值中所包含的相同或相似的误差影响适用情况：误差具有较强的空间、时间或其它类型的相关性。所针对的误差源•如电离层延迟•对流层延迟•卫星轨道误差限制：空间相关性将随测站间距离的增加而减弱GNSScenter,WuhanUniversity消除或消弱各种误差影响的方法③参数法原理：采用参数估计的方法，将系统性偏差求定出来适用情况：几乎适用于任何的情况限制：不能同时将所有影响均作为参数来估计GNSScenter,WuhanUniversity3.常规RTK技术3.1概述3.2RTK类型3.3RTK系统3.4RTK的作业误差3.5多基准站RTK3.6RTK应用常见问题GNSScenter,WuhanUniversity3.1RTK概述RTK（RealTimeKinematics）：利用载波相位进行实时定位。RTK算法本质上是载波相位相对处理：单差，双差。RTK技术的关键是动态双差整周模糊度搜索和定位可靠性。FARA技术LAMDA技术双频P码技术OTF技术……GNSScenter,WuhanUniversity3.2RTK类型载波相位差分基准站发送未改正的观测值RTCMSC-104数据报文18，19精度：厘米级准载波相位差分基准站发送载波相位改正值RTCMSC-104数据报文20，21精度：分米级GNSScenter,WuhanUniversity3.3RTK系统基准站单元，数据链单元，流动站单元基准站流动站GNSScenter,WuhanUniversityRTK系统-基准站要求：双频，具有RTK差分基准站数据输出功能，带有可抑制多路径效应的天线。观测值：P1，P2，L1，L2采样率：根据实际要求，一般要求1S或以上。输出：RTCMSC104标准格式或CMRplus。结构：GPS接收机、天线、数据发播设备GNSScenter,WuhanUniversity3.4RTK作业误差与卫星有关与传播路径有关与接收机有关与观测环境有关GNSScenter,WuhanUniversity3.5多基站RTK流动站处理方式单站处理•根据信号强度或距离选择基准站进行常规RTK作业•在某基准站出问题的情况下进行切换。•本质上是常规RTK。•要求流动站通信设备具备自动扫频功能。多站处理•同时接收各基准站数据，处理时进行加权或组合处理•对接收机运算能力要求很高•要求流动站通信设备具备多通道接收能力。GNSScenter,WuhanUniversity3.6RTK常见问题可用性可靠性适用性定位延迟GNSScenter,WuhanUniversity常规RTK存在的问题工作距离短定位精度随距离的增加而显著降低单参考站模式可靠性差大的区域内作业需要多次设站或设立多个参考站。GNSScenter,WuhanUniversityRTK作业可用性问题可用性问题：初始化时间过长（浮动解到固定解的时间），主要受卫星数、电离层、多路径等综合影响。空间可用性•距离：一般作业不要超过15km，南方地区更短。•环境：实验表明，距离地面1-2米的地方多路径影响最为明显。时间可用性•时间段：避免中午及下午电离层高峰时期的作业•卫星数：6颗卫星作业较为可靠。GNSScenter,WuhanUniversityRTK作业中可靠性的问题可靠性问题：固定解的可靠程度精度指标：各种仪器给出的RTK精度实际上是固定整周后的定位精度（内符合），不是与已知结果的比较（外符合）。整周固定：某些情况下固定的整周数是错误的，内符合很好，但外符合很差。可靠性指标：某些仪器给出了95%、99%或者99。999%的精度指标，实际是可靠性指标，即达到正常精度的概率。GNSScenter,WuhanUniversityRTK作业中适用性和定位延迟适用性问题：遮挡条件下的作业原因：遮挡造成信号失锁，导致重新搜索整周解决方法：•单历元整周模糊度的固定，但目前的算法可靠性不高，是目前的研究热点。•运动中初始化：OTF，必须具备双频，采样率提高会有一定的好处。定位延迟原因：信号传输、RTK计算解决方法：控制运动速度，正反向运动。GNSScenter,WuhanUniversity5.1网络RTK技术的定义网络RTK技术在某一区域内建立多个(一般为3个或3个以上)的GNSS基准站,对该地区构成网状覆盖,并以这些基准站中的一个或多个为基准,计算和发播GNSS改正信息,对该地区内的GNSS用户进行实时改正的定位方式,称为GNSS网络RTK。网络RTK技术包括了利用连续运行GNSS参考站网络、计算机网络通讯、无线通讯、GNSS高精度定位技术等，为覆盖范围内的流动站用户实时提供高精度的GNSS定位结果的一系列技术。网络RTK系统利用网络RTK技术建立起来的实时GNSS连续运行卫星定位服务网络。硬件，软件，服务综合GNSScenter,WuhanUniversity网络RTK,PPP和CORS网络RTK是一种技术，是相对于常规RTK提出出来的。PPP是一种技术，是相对应单点定位（SPP)提出来的。网络RTK系统是CORS系统中为用户提供实时高精度动态定位服务系统CORS是一种基础设施、系统，可以应用网络RTK技术、PPP技术为用户提供实时服务。同时CORS还具有很多其他的功能GNSScenter,WuhanUniversity连续运行卫星定位服务系统-CORSCORS是利用GNSS技术、计算机网络技术、通信技术组成的网络，提供移动定位、动态框架等空间位置信息的服务系统。CORS不仅是动态的、连续的空间数据参考框架，同时也是快速、高精度获取空间数据和地理特征的设施之一。CORS是地球空间信息网格的网格具体应用，同时也是RT-CORS也是构造层重要的组成部分，提供网格框架基准。GNSScenter,WuhanUniversity5.2网络RTK技术的基本思想目的解决差分GNSS定位中，流动站离基准站距离较远情况下，差分观测值的某些误差残余大（对流层，电离层等），无法实现精确定位的问题。方法利用流动站周围的基准站的观测数据和已知坐标，计算出流动站处的误差改正数C(XC,YC)A(XA,YA)B(XB,YB)u(Xu,Yu)GNSScenter,WuhanUniversity5.3网络RTK的优势（相对于常规RTK）覆盖范围更广成本更低精度和可靠性更高应用范围更广改进了OTF初始化时间GNSScenter,WuhanUniversity常规RTK与网络RTK－覆盖范围和精度GNSScenter,WuhanUniversity5.5网络RTK系统示意图GNSScenter,WuhanUniversitySatelliteCGPSstationCGPSstationSatelliteCGPSstationSatelliteRealTimeCorrectionsCGPSstationServerCentralPostProcessingDataAvailable(cmaccuracy)网络RTK系统示意图GNSScenter,WuhanUniversity网络RTK系统的作用提供GPS基准站原始数据服务分米级