网络RTK工程测量相关关键技术研究

2022-11-24

1 网络RTK的定义

网络RTK就是在一定区域内建立多个 (一般为三个或三个以上) 参考站, 对该地区构成网状覆盖, 并以这些参考站中的一个或多个为基准, 计算和发播改正信息, 对该地区内的卫星定位用户进行实时改正的定位方式, 又称为多参考站RTK。与常规 (即单参考站) RTK相比, 该方法的主要优点为覆盖面广, 定位精度高, 可靠性高, 可实时提供厘米级定位。

网络RTK的基本思想是:在一定区域内, 多种系统误差, 如电离层延迟、对流层延迟和轨道误差等具有较强的相关性, 因此根据多个参考站的已知误差用一定的算法可以推算或消除该区域内任何一处流动站的未知误差, 此过程一般也是基于双差组合的, 然后再解算整周模糊度, 得到高精度的实时R T K定位结果。

2 网络RTK的基本原理

GPS参考站系统的RTK也就是我们通常所说的网络R T K。网络R T K是近年来在常规RTK和差分GPS的基础上发展起来的一种新技术。常规R T K是建立在流动站与参考站误差强相关这一假设的基础上的。当流动站离参考站较近 (例如不超过10～15km) 时, 一般均能较好, 然而随着流动站和参考站间间距的增加, 这种误差相关性将变得越来越差。

在这种情况下为了获得高精度的定位结果就必须采取一些特殊的方法和措施, 即在一个较大的区域内能稀疏地、较均匀地布设多个参考站, 构成一个参考站网, 借鉴广域差分GPS和具有多个参考站的局域差分GPS中的基本原理和方法, 通过借助于GPS参考站系统的网络型解算模型进行RTK作业, 通过观测值、模型及模拟与距离相关的系统误差源, 消除或削弱各种误差的影响, 从而获取均匀的、高精度的、可靠性的定位结果, 这就是网络RTK的基本原理。

3 网络RTK的几种技术

网络RTK技术依靠网络将参考站连接到计算中心, 联合若干参考站数据解算或消除电离层、对流层等影响, 以提高RTK定位可靠性和精度。通过对GPS天线、处理器等内部结构的改造以及对通讯手段的完善, 打破了电台传输有效范围小的限制。目前, 网络RTK根据技术类型及代表软件, 主要采用以下几种技术。

3.1 MAX (主辅站) 技术——改进的FKP技术研究

3.1.1 主辅站技术原理

主辅站技术 (MAX) 是由瑞士徕卡测量系统有限公司基于“主辅站概念”推出的新一代参考站技术。主辅站技术的基本概念就是从参考站网以高度压缩的形式, 将所有相关的、代表整周未知数水平的观测数据, 如弥散性的和非弥散性的差分改正数, 作为网络的改正数据播发给流动站。它是R T C M 3.0版网络R T K信息的基础。

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已经被消去, 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, 我们就可以说两个参考站具有一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, 以及每一个频率分别计算出弥散性的和非弥散性的误差。

对于用户来说, 主参考站并不要求是最靠近的那个参考站, 尽管那样会更好一些。因为它仅仅被用来简单地实现数据传输的目的, 而且在改正数的计算中没有任何特殊的作用。如果由于某种原因, 主站传来的数据不再具有有效性, 或者根本无法获取主站的数据, 那么, 任何一个辅站都可以作为主站。在任何时候, RTCM3.0版主辅站网络改正数都是相对于真正的参考站的, 因此也是完全可以追踪的。主辅站改正数包含主站的全部观测值, 所以流动站既使无法解读网络信息, 它仍然可以利用这些改正数据计算单基线解。

3.1.2 主辅站技术优势

徕卡主辅站技术采用最新国际标准RTCMV3.0格式, 支持单向和双向通讯, 克服以前方法的缺点 (如误差模拟不完善, 仅仅使用三个最近的参考站的信息生成网络改正数据, 需要双向通讯, 数据量大且不标准等问题) , 将成为网络RTK的标准, 可以使用单向通讯, 为用户带来更大的好处。另外, 参考站和流动站设备的兼容性好。由于Spider进行全面的系统误差模拟, 无网的大小限制, 可用于全球、区域和地方应用, 没有网中台站的数量限制, 对流动用户的数量也不限制。

徕卡公司基于“主辅站概念”新一代参考站网软件采用最新国际标准, 软件结构灵活, 功能强大, 模块化设计, 可以为大型、小型、简单及复杂的参考站网的需要进行软件定制。它采用最新MAX专利技术的“主辅站方案”, 大大减少了数据负荷, 支持单向通讯, 主参考站不需要最近的站, 因此如主站出现问题, 另一个辅站可自动成为主站, 徕卡主辅站技术提供的R T C M V 3.0MAC网络数据是相对于真实的参考站, 而不是虚拟的。它是基于最新多站、多系统、多频 (L1, L2, L5) 和多信号非差处理算法, 采用著名的LAMBDA算法和SmartCheck技术及卡尔曼滤波方法进行严格实时平差的通用软件包, 提供真正的网解, 可用于计算参考站标准格式 (Leica, RTCMV2.X, CMR, CMR+) 以及最新RTCMV3.0格式的改正数据, 支持单向和双向通讯, 支持多个CPU, 支持因特网网络RTK (NTRIP) 技术。

用户可直接接收徕卡参考站网的网络RTK数据, 兼容性强, 杰出的可靠性和性能, 而且具备可扩展性。另外, SPider利用RTK代理服务器和访问路由器, 采用中心化的RTK服务机制, 大大增强了系统和用户的安全性。

3.2 VRS (虚拟参考站) 技术研究

3.2.1 VRS系统组成及工作原理

VRS的出现, 得益于现代高科技的发展。实际上, VRS系统已不仅仅是GPS的产品, 而是集Internet技术、无线通讯技术、计算机网络管理和GPS定位技术为一体的定位系统。

(1) 系统组成。

VRS系统包括3个部分:控制中心、固定站和用户部分。

(1) 控制中心 (Control center) 。控制中心是整个系统的核心。它即是通讯控制中心, 也是数据处理中心。它通过通讯线 (光缆, ISDN, 电话线) 与所有的固定参考站通讯, 通过无线网络 (GSM, CDMA, GPRS……) 与移动用户通讯。由计算机实时系统控制整个系统的运行, 所以控制中心的软件GPS-NET既是数据处理软件, 也是系统管理软件。

(2) 固定站。固定参考站是固定的GPS接收系统, 分布在整个网络中, 一个VRS网络可包括无数个站, 但最少要3个站, 站与站之间的距离可达70公里, (传统高精度GPS网络, 站间距离不过10～20公里) 。固定站与控制中心之间有通讯线相连, 数据实时地传送到控制中心。

(3) 用户部分。用户部分就是用户的接收机, 加上无线通讯的调制解调器。根据自己的不同需求, 放置在不同的载体上, 如:汽车, 飞机, 农业机器, 挖掘机等等, 当然测量用户也可以把它背在肩上。接收机通过无线网络将自己的初始位置发给控制中心, 并接收中心的差分信号, 生成厘米级的位置信息。

(2) 工作原理。

VRS技术是通过与流动站相邻的几个参考站 (典型的是三个) 之间的基线计算各项误差, 采用一定的算法来消除或大幅削弱这些偏差项所造成的影响。数据处理中心根据流动站送来的近似坐标 (可据伪距法单点定位求得) 判断出该站位于由哪三个参考站所组成的三角形内, 然后根据三角形插值方法建立一个对应于流动站点位的虚拟参考站 (VRS) , 将这个虚拟参考站的改正数信息传输给流动站, 流动站结合自身的观测值实时解算出流动站的精确点位, 有必要时可将上述过程迭代一次。

服务区内每一个流动站对应着一个不同的VRS参考站, 由于VRS参考站发送的是正常格式的R T C M信息, 因而流动站并不需要知道参考站所用的参数模型。参考站需要根据流动站点位建立相应的局部改正数模型, 所以流动站必须通过服EA格式把它的点位信息发送给中央控制站, 即流动站需要配备类似GSM移动电话的双向数据通讯装置。V R S技术的代表软件为G P S Network。

3.2.2 VRS技术在理论上的优势及不足

(1) 优势。

系统在DGPS、准实时定位及事后差分处理的服务半径上与单参考站没有任何差别, 但是在RTK作业半径方面应该可以得到较大距离的延伸。只要无线电通信或其他数据传输手段能够保证, 那么RTK的作业半径也有可能达到30km以上, 未来的潜力甚至可以更大。虚拟参考站技术的另一个显著优点就是它的成果的可靠性、信号可利用性和精度水平在系统的有效覆盖范围内大致均匀, 同离开最近参考站的距离没有明显的相关性。

(2) 不足。

其缺陷是电离层、对流层的影响只能借助改正模型来修正, 改正效果受外界影响较大;不能消除或者只能借助其他方法去消除轨道误差的影响。

3.3 FKP (区域改正参数) 技术研究

FKP是由Leica公司提出的基于全网整体解算模型的区域改正数技术。它要求所有参考站将每一个观测瞬间所采集的未经差分处理的同步观测值, 实时地传输给中心控制站, 通过中心控制站的实时处理, 产生一个称为区域改正参数 (FKP) 发送给移动用户。

为了降低参考站网网络中的数据播发量, 使用主辅站技术来播发区域改正参数。主辅站概念为每一个单一参考站发送相对于主参考站的全部改正数及坐标信息。对于网络 (子网络) 中所有其他参考站, 即所谓的辅参考站, 播发的是差分改正数及坐标差。主辅站概念完全支持单向数据通讯, 流动站用户接收到改正数后, 可以对网络改正数进行简单的、有效的内插, 也可进行严格的计算, 获得网络固定解。

FKP技术是集Internet技术、无线通讯技术、计算机网络管理技术和GPS定位技术于一体的定位系统。由若干个连续运行的参考站、数据控制中心、移动站 (用户——GPS接收机) 组成。

摘要：本文基于笔者多年从事工程测量的相关工作经验, 以网络RTK在工程测量应用中的关键技术为研究对象, 从实践经验出发, 结合笔者参考的大量文献, 对其中涉及的三项关键技术的原理、优势和不足给出了分析评价, 全文是笔者长期工作实践基础上的理论升华, 相信对从事相关工作的同行有着重要的参考价值和借鉴意义。

关键词：网络RTK,工程测量,VRS,FKP,MAX