网络RTK测量MAX与VRS技术优势分析

2022-09-11

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RTK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RTK。网络RTK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RTK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10km~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。

网络RTK是由参考站网、数据处理中心和数据通信线路组成的。参考站上应配备双频全波长GPS接收机, 该接收机最好能同时提供精确的双频伪距观测值。参考站的站坐标应精确已知, 其坐标可采用长时间GPS静态相对定位等方法来确定。此外, 这些站还应配备数据通信设备及气象仪器等。参考站应按规定的采样率进行连续观测, 并通过数据通信链实时将观测资料传送给数据处理中心。数据处理中心根据流动站送来的近似坐标 (可根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, 然后根据这三个参考站的观测资料求出流动站处所受到的系统误差, 并播发给流动用户来进行修正以获得精确的结果。必要时可将上述过程迭代一次。

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技术

3.1.1 MAX技术原理

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。MAX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RTCM3.0版网络RTK信息的基础。

MAX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。

3.1.2 MAX技术优势

徕卡MAX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MAX技术提供的RTCMV3.0MAC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。

3.2 VRS技术研究

3.2.1 VRS系统组成及工作原理

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141, 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。

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。

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, 从实践经验处罚, 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