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来源：《测绘与空间地理信息》2019年第1期 作者：彭旭飞，佀荣，李立功，余文明 摘 要: RTK 技术是卫星导航技术的一个分支，利用卫星信号中的载波相位差分可实现实时动态的精密相对定位，在导航与定位中拥有广泛的应用前景。本文介绍了RTK 系统基准站、移动站和数据链三大组成部分和载波相位双差观测的基本原理，利用Lambda 算法求解整周模糊度的关键技术，从卫星导航系统、信号传播、RTK 系统等方面分析了影响RTK 定位精度和可靠性的因素并提出解决措施。最后论述RTK 技术在导航与定位领域的应用现状及未来发展趋势。 关键词: RTK; 载波相位差分; 导航; 定位 0 引言 RTK是卫星导航技术的一个分支，利用卫星信号中的载波相位观测量组成差分方程，通过整周模糊度快速求解，实现基准站与移动站之间实时动态相对定位。RTK 可获得厘米级的定位精度。 与惯性导航系统、罗兰C 系统、多普勒导航仪等相比，RTK 定位精度高，没有误差积累，可全天候工作，而且设备简单、成本低廉、操作简便、使用容易。RTK 技术导航领域有着广泛的应用，目前较多应用于小型无人、精准农业、高精度导航等，随着设备硬件性能提高以及软件算法优化完善，RTK 技术的定位精度、可靠性、实时性、动态性会进一步提高。 本文通过介绍RTK 的系统组成和基本原理，研究其关键技术，分析影响精度和可靠性的因素，并根据应用现状展望其未来发展趋势。 1 RTK 的系统组成及基本原理 1.1 RTK 的系统组成 如图1 所示，RTK 系统主要由基准站部分、移动站部分和数据链子系统组成。 图1 RTK 系统组成 1) 基准站部分主要包括卫星天线和卫星接收机。卫星接收机通过卫星天线接收GPS、BDS、GLONASS 等导航卫星信号，测出基准站位置的三维坐标。然后将载波相位观测值、测站坐标信息等通过数据链子系统播发给移动站。 2) 移动站部分主要包括卫星天线和卫星接收机。与基准站不同的是，卫星接收机除了通过卫星天线接收卫星观测数据以外，还通过数据链接收来自基准站的数据。移动站在系统内对采集和接收的两组载波相位观测值组成双差方程，根据相对定位原理实时解算移动站与基准站的基线信息以及移动站的三维坐标。 3) 数据链子系统主要包括发射电台、发射天线、接收电台和接收天线。RTK 数据链子系统一般采用UHF 电台播发信号，其频率为450—470 MHz。根据电磁波理论，高频无线电信号是沿直线传播的，要求发射天线和接收天线之间无遮挡信号的障碍物，同时距离较远时要考虑地球曲率的影响。 1.2 RTK 的基本原理 图2 单差、双差示意图 如图2 所示，基准站r 和移动站u 对卫星i 的载波相位观测值φr(i) 和φu(i) 可分别表示为: 将上面两式做差，可得单差的计算公式: 在短基线情况下，单差电离层延迟Iur(i) 和单差对流层延迟Tur(i) 约等于零，因此可将上式简化为 通过单差可以消除卫星钟差、电离层延迟和对流层延迟。 假设移动站接收机u 和基准站接收机r 同时跟踪卫星i 和卫星j，那么可得对卫星j 的单差载波相位测量值φur(j) 为: 将两个单差测量值做一次差分，可得双差载波相位测量值为: 假设基准站与移动站之间的基线向量为bur，因此 双差载波相位测量值可表示为: 双差整周模糊度Nur(ij) 是个未知整数，整周模糊度的求解是利用载波相位测量值实现精密相对定位的关键。 2 整周模糊度求解技术 对于导航与定位来说，需要整周模糊度在动态情况下快速求解。这些动态快速求解整周模糊度的算法统称为在航模糊度解算( On the Fly，OTF) ，其中，Lambda 算法可满足在导航与定位中的应用需求。 用Lambda 算法求解整周模糊度需双差载波相位测量值。当基准站与移动站同时观测M 颗卫星，可形成( M-1) 个独立的观测值。假设1 号星作为基准星，则载波相位观测值可写为φur(21) 、φur(31) 、…、φur(M1) 。那么这( M - 1) 个双差方程式集中在一起可组成一个如下的矩阵方程: 可以表示为: 其中：
解决该线性观测方程的最小二乘目标函数为:
式中， 是双差载波相位值的协方差阵，Zn 为n 维整数空间，R3 为3 维实数空间。由于模糊度a 存在整数条件约束，因此上式定义的最小化问题就是整数最小二乘问题。 将上式展开，可得:
其中: 根据以上分解形式，使用Lambda 算法解决整数最小二乘问题可分为三步: 第一步是不考虑整周模糊度的整型约束，使用最小二乘法或卡尔曼滤波估计出浮点解，其估计值和协方差阵可以表示为:
第二步是利用模糊度浮点解及其协方差阵，计算模糊度的整数解
第三步是在得到模糊度向量的整数解
3 RTK 精度及可靠性分析 RTK 系统的定位精度可达厘米级甚至毫米级，是在良好的条件下得出的。实际在导航与定位应用时，影响RTK 精度及可靠性的因素很多，具体分析如下。 3.1 卫星导航系统的影响 1) 卫星数及其分布: RTK 技术是通过观测多颗卫星组成载波相位双差观测方程，求解整周模糊度实现相对定位的。卫星数目越多，解算整周模糊度的速度越快、越可靠。RTK 的定位精度还与卫星的几何分布有关。空间位置精度因子( PDOP) 是用来表征卫星空间分布的值。在RTK 中，PDOP 值不宜大于6。 2) 卫星钟差: 通过连续监测卫星钟运行状态而精确地确定钟差，影响基线的相对误差为0.1 cm±2 ppm。 3) 卫星轨道误差: 目前，轨道误差只有几米，其参与的相对误差影响约为1 ppm，对短基线( 10 km) 的影响可忽略不计，但对20—30 km 的基线则可达几厘米。 3.2 信号传播的影响 1) 电离层: 卫星信号在通过电离层时，会受到自由电子、离子等的作用而发生折射。在太阳黑子平静期，小于5 ppm; 当太阳黑子爆发时，其影响可达50 ppm。 2) 对流层: 对流层延迟主要由干分量和湿分量组成，其中对流层延迟的80%—90%由干分量造成，10%—20%的延迟由湿分量造成。对流层误差同点间距离和点间高度差密切相关，一般可达3 ppm。 3) 电磁干扰: 高压线、雷达装置、无线电发射源等都可能形成对信号的干扰，引起信号中断甚至卫星失锁。基准站要远离干扰源，以削弱电磁波辐射副作用的影响。 3.3 RTK 系统的影响 1) 数据链: 目前大多数RTK 都采用无线电数据链，信号的传播受到周围环境的影响。弱信号或受干扰的信号将使解算模糊度值和保持模糊度值不变更加困难。 2) 天线类型: 卫星天线主要有两种误差，即物理相位中心之间的偏差和相位中心变化。当基准站和移动站不使用同一类型的天线时，PCV 能在几毫米和几厘米之间变化，而相位中心的偏差可到几分米。 3) 软件算法: 不同RTK 系统使用不同软件处理数据，这导致观测质量控制方法、整周模糊度解算方法、固定解的检验标准存在差异，进而影响定位精度和可靠性。 4) 基线长度: RTK 测量的基线长度与轨道误差和大气影响密切相关，研究表明: 轨道误差、电离层误差和对流层误差对所测结果的影响分别为: ( 0.1—0.5) ×10-6D、( 0.1—50) ×10-6D 和( 0.1—3) ×10-6D。基线长度越长，所测结果的误差越大。 4 导航与定位中的应用现状及发展趋势 4.1 着陆着舰中的应用及发展 RTK 技术在着陆着舰中的典型应用就是联合精密进近与着陆系统( JPALS) 。 JPALS 是美国海军从20 世纪90 年代后期开始研究的利用GPS 军用增强信号实现飞机着陆着舰的技术。JPALS 利用分别安装于航母和舰载机上的两台GPS 接收机，采用载波相位测量和差分计算的方法，解算出两台GPS 接收机之间的相对位置，即得到航母和舰载机的相对位置。2001 年7 月，美国海军在马里兰州用F /A-18飞机完成了首次自主着舰试验。在未来几年内， JPALS 的开发将集中在于F - 35 的集成，以及改进对无人机的支持。 4.2 网络RTK 的应用及发展 传统RTK 存在需要架设本地基准站、覆盖区域有限、精度不均匀等缺点。使用网络RTK 可解决该问题。网络RTK 是由CORS 站网、数据处理中心、数据通信链路和移动站组成。CORS 站的坐标精确已知并按规定的采样率连续观测，并通过数据通信链将观测资料实时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。与传统RTK 技术相比，网络RTK 的覆盖范围更广，成本更低、精度和可靠性更高，应用范围更广，并且改进了OTF 初始化时间。 4.3 多星联合RTK 的应用及发展 美国GPS、俄罗斯GLONASS、中国BDS、欧洲GALILEO 等导航系统的不断组网完善，未来可用的卫星数目将超过100 颗。多星联合RTK 将使卫星的选用、组合最优化，卫星的可见性大大提高，卫星空间图形结构强度提高，RTK 测量变得真正全天候。 4.4 多传感器融合RTK 的应用及发展 RTK 技术存在固有的缺陷，如卫星信号容易被欺骗、干扰、遮挡; 在整周模糊度快速求解时，由于观测历元少，卫星的空间分布变换缓慢，导致观测矩阵存在复共线性，影响了RTK 的实时性和动态性。可以将RTK 与惯性导航系统( INS) 结合起来，通过多传感器融合，实现惯性辅助的载波相位差分求解，提高RTK 的连续性、快速性和鲁棒性。 4.5 融合新型传输技术的应用及发展 目前RTK 数据传输主要采用UHF，在城市高楼、树木密集区和山区，RTK 的数据覆盖能力明显减弱。将GSM、CDMA、GPRS 等移动传输技术作为RTK 数据链逐步成为新的趋势。这样做具有以下优点: 数据链覆盖能力强、作业半径广、稳定性好、安全性高; 能够获取全天候、适时、连续的数据。除了使用移动通信网络之外，使用蓝牙技术也可以实现RTK 数据的传输。 5 结束语 RTK 技术是卫星导航定位技术的延伸与拓展，由于其实时性与动态性的特点，适合为飞机、舰船、车辆等提供高精度导航与定位信息。随着技术的进步以及算法的优化，RTK 必将在硬件、应用技术和数据处理等方面继续不断地改善和提高，价格更加便宜、硬件更小更轻，应用多功能，使用智能化，其精度、可靠性、实时性、动态性将大幅度提高。在可预见的将来，RTK 技术必将在导航与定位领域得到越来越广泛的应用。 参考文献:略 声明：勘测联合网转载本文仅限行业学习交流之用，版权、著作权归原载平台及作者所有。 |
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