常规RTK定位技术与多基准站RTK
摘要：本文简述了RTK的基本原理和定位误差分析及其产生的原因，并介绍了RTK技术的新发展，即多基准站RTK（虚拟基准站）的概念及其应用。
关键词：RTK（实时动态定位） 基准站 定位技术
在水运工程测量中RTK定位技术得到广泛的应用。但它的应用受到大气层影响的限制,往往使原始数据出现系统误差,定位成果的可靠性随距离增大而下降。从最近报道中获悉,近年来RTK-GPS技术又有了新的进展，这就是建立在常规RTK和差分GPS上的一种新技术——多基准站RTK又称GPS网络RTK技术。为此,本文主要对常规RTK技术的基本原理、各种误差分析以及GPS网络RTK技术的优势及其发展前景等予以学习交流。
1、RTK的基本原理
RTK是根据GPS的相对定位概念，将一台接收机安置于己知点，即称基准站，另一台或几台接收机放置在用户移动台，如测量船、挖泥船，同步采集相同卫星的信号，基准站通过数据链实时将其载波观测值和测站坐标信息一起传送给用户移动台。利用相对定位原理，将这些观测值进行差分，削弱和消除轨道误差、钟差、大气误差等的影响，使实时定位精度大大提高。由此可知，RTK技术是建立在实时处理两个测站的载波相位基础上的。与其它差分不同的是，基准台传送的数据是伪距和相位的原始观测值，用户移动接收机利用相对测量方法对基线求解、解算载波相位差分改正值，然后解算出待测点的坐标。
为了削弱卫星星历误差、对流层延迟误差和电离层延迟误差，消除卫星钟和接收机钟的误差的影响，在RTK定位技术中通常都采用双差观测值，其观测方程为：
λ•Δ▽φ=Δ▽ρ+Δ▽dρ－λ•Δ▽N－Δ▽dion+Δ▽dtrop+Δ▽dφmp +εΔ▽φ (1)
式中：Δ▽——双差算子(在卫星和接收机间求双差)；
φ——载波相位观测值；
ρ=║Xs-X║为卫星与接收机的距离，Xs为卫星星历给出的卫星位置矢量，X为测站的位置矢量：
dρ一卫星星历误差在接收机主卫星方向上的投影；
λ一载波的波长；
N一载波相位测量中的整周模糊度；
dion一电离层延迟：
dtrop一对流层延迟：
dφmp一载波相位测量中的多路径误差；
εΔ▽φ一双差载波相位观测值的测量噪声。
而在两者差分中，最后得到的结果是：
Rj0+λ(Njp0-Nj0)+ λ(Njp-Nj)+ φjp-φj0
=[(Xj-Xp)2+(Yj-Yp)2+(Zj-Zp)2]1/2+Δdρ （2）
式中，Rj0为基准站到卫星的真距离,是由卫星星历与基准站的坐标求出的；Njp0表示用户接收机起始相位模糊度；Nj0为基准点接收机起始相位模糊度；Njp为用户接收机起始历元至观测历元相位整周数；Nj为基准点接收机起始历元至观测历元相位整周数；φjp为用户接收机测量相位的小数部分；φj0为基准点接收机测量相位的小数部分；Δdρ为同一观测历元各项残差。
求解上述两个方程中最关键的问题是如何求解起始相位整周模糊值。由于RTK采用载波相位观测值，能直接推导出卫星和天线之间的总波长数,并能解算模糊值。在我们使用的DNSP 6502 GPS接收机就可实时解算模糊值，能在接收机运动过程中解算模糊值,一旦求出模糊值,即可开始RTK定位测量。
2、RTK定位的准确度和可靠性
RTK定位的精度（或准确度），多数厂商的标准值，平面为：10mm+(1～2)×10-6D，高程为：15～20mm+2×10－6D。例如离基准台20Km处,定位精度：平面可望为50mm,高程为60mm。这些值是在良好条件下,即星数至少为5颗，PDOP值小，无多径效应,甚至用户接收机处于静态或准动态等条件下得出的。在实际情况中不可能有那么好的条件，何况水（海）面是一个强反射面，多路径效应十分明显,因此影响RTK在水上定位准确度和可靠性的因素很多,现简析如下。
2.1误差分析
尽管常规RTK定位技术是目前最为广泛使用的测量技术之一，但它的应用受到一些误差源影响的限制，这些误差源从性质上一般可分为系统误差和偶然误差两类。系统误差包括：卫星星历误差、卫星钟误差、大气延时误差（包括电离层延时和对流层延时）以及天线相位中心变化等。偶然误差主要包括信号的多路径效应。
（1）系统误差
1）卫星星历误差
卫星星历分二种：一是精密星历,二是广播星历。在实践定位中通常使用广播星历。由于卫星在运动中受到各种摄动力的复杂影响，地面监控站又难以掌握作用在卫星上各种摄动力的大小及变化规律，一般估计由星历计算的卫星位置的误差为20～40m。它将严重影响单点定位精度，也是精密相对定位中的重要误差来源。
2）卫星钟误差
卫星钟差反映了卫星钟与标准GPS时之间的存在偏差和漂移。这在单点绝对定位中是无法消除的,只有采用相对定位或差分定位才能予以消除。
3）大气层延时误差
大气层延时误差包括两部分延时误差,即电离层延时误差和对流层延时误差。
电离层是高度位于50～1000Km之间的大气层。当电磁波信号穿过电离层时,传播速度发生变化,从而引起测距误差。此误差称之电离层延时误差。电离层延时误差具有三大特性：扩散性、互补性和瞬变性，双频接收机就是利用电离层的扩散性，将L1和L2的观测值进行线性组合来消除电离层的影响。电离层对码观测值和载波相位观测值的影响，数值相同，符号相反，这就是电离层的互补性。电离层对定位的影响，随时间(每天、每月、每年)和地点而迅速变化，即称之电离层的瞬变性。
若采用性能较好的双频接收机，则基本上可以消除电离层影响。能提供±1～2m的测距精度。
电离层效应同太阳黑子活动有关，2003年仍是太阳黑子活动强烈的年份，在太阳黑子爆发的几天内，RTK定位测量则难以进行。
对流层是高度为40Km以下的大气层。由于大气压力、气温和湿度的变化,影响电波信号的传播速度。码和载波的观测值均受同样的时延。若采用可靠的对流层模型，有效精度可达到±1m或更高。
4) 天线相位中心变化
天线的几何中心和电子相位中心一般不重合。由于天线的相位中心随着信号输入的强度和方向的变化，造成天线相位中心位置的偏差，这种偏差的影响，可达到数厘米。因此，对水运工程测量中的水上动态平面定位来说，可以忽略不计。而RTK-GPS用于动态验潮时,就需要考虑其所造成的影响程度，确保潮位改正的准确度。
（2）偶然误差
多路径误差是RTK定位测量中最严重的误差。多径误差取决于天线周围的环境。多径误差一般为5cm,在高反射环境下可达20cm左右。在极端情况下,对测距的影响可达15m。 对RTK定位测量而言,会严重影响RTK定位测量的精度，甚者引起信号失锁。因此,要求特别对天线位置和高度进行选择，尤其是在测量船上,来最大限度地削弱多径误差。
另外，为了便于对各种误差的分析与研究，往往将误差换算为卫星至测站的距离，以相应的距离误差表示，称为等效距离误差。从公式(1)中也可知，当随着流动站和基准站间距离的增加，轨道偏差项△Vdp、电离应延迟的残余误差项△Vdion和对流层延迟的残余误差项△V dtrop也迅速增加。由于常规RTK定位技术是建立在流动站与基准站强相关这一个假设的基础上的，当流动站离基准站相距不超过20km，在一个或多个观测站同步观测相同卫星的情况下，卫星的轨道误差、卫星钟差、接收机钟差以及大气延时差等对观测量的影响具有一定的相关性，利用这些观测量的不同组合（求差）进行相对定位，可有效的消除或减弱相关误差的影响，定位精度可达到1cm+1ppm。若两站的距离增加时，其误差的相关性变差，导致难以确定整固模糊度，无法获得固定解。当流动站和基准站的距离大于50km，此时常规RTK的单历元解一般只能达到分米级的定位准确度。所以在使用常规RTK定位技术时。要知道这个特点，针对不同的定位准确度要求，考虑流动站与基准站的距离。同时．能否准确确定整周模糊度，这是常规RTK定位准确定位的关键。
2.2 GPS系统
从上述的误差分析可以看出，尽管常规RTK定位技术是目前最为广泛使用的测量技术之一，使它的应用受到不少因素影响与限制，但就GPS系统而言,仍有一些固有因素,用户无法控制,其使所测成果的可靠性带来影响。就这方面的问题提出笔者自己的看法。
（1）星数
在RTK定位测量中,不仅在OTF求解末知模糊度时,需要5颗共同星,而且在RTK动态验潮过程中,也需要能跟踪到5颗星。
截止高度角低于150时,共同星数将增加。但是,由此而采集到的数据含有较差的信噪比,这将使求解模糊值的时间延长。虽然,星数增加太多对RTK定位的精度没有显著提高,但定位的可靠性有了很好提高。
（2）卫星几何强度因子
卫星几何强度因子将影响最后定位成果的质量。目前常用PDOP（或XDOP）来衡量其优劣。在RTK中,PDOP不宜大于3。
2.3 RTK系统
目前，RTK系统的种类繁多,RTK设备优劣不仅严重影响定位精度、所测成果的质量,而且也影响成果的可靠性。其中关键问题有
二：在定位结果中如何发现误差超限？出现可疑的不良定位结果时,RTK系统能否发出示警？为此,提出以下看法。
（1）数据链
目前,大多数RTK都采用VHF或UHF无线电数据链,其有效通讯工作距离受发射功率和天线高度的限制。因此,存在求解模糊度值所需最大时间的距离与有效通讯最大距离相匹配的问题。为此,需要进行拉距试验，测得在最大有效通讯工作距离处,求解摸糊度的时间能否可被接受。从而确保定位可靠性的边界。
（2）天线类型
基准站和用户移动站之间使用不同类型的天线时，在不理想的环境下将导致定位精度下降，甚至解算模糊度时间增长。
（3）软件
各种RTK系统都有使用自已的软件处理数据。如求解模糊度的软件也很多,方法各异。因此不同软件采用不同的方法,在解算模糊值的可靠性方面,其程度不一。在这方面的问题还需进一步探讨。
此外,各种软件还存在的差别：控制定位质量的方法。如能计算定位误差超限的方法（或数学模型）,一旦发现超限便予以剔除或予以示警。
3、多基准站RTK（虚拟基准站法）
虚拟基准站是多基准站RTK(又称网络RTK)中一种较好的方法。针对上述的常规RTK定位测量中的误差与可靠性的问题,在常规RTK和差分GPS的基础上研究、开发而建立起来的一种新技术。目前应用于网络RTK数据处理方法有：虚拟RTK基准站法（Virtual Reference Station―VRS）、偏导数法、线性内插法和条件平差法，其中虚拟RTK基准站（VRS）技术最有前途的方法。到目前为止，在欧洲瑞士与丹麦之间的海上工程中已使用了虚拟RTK基准站(Virtual Reference Station)技术，在日本也开始开发VRS GPS技术。我国深圳市连续运行GPS系统就采用VRS技术。
3.1多基准站RTK系统工作原理
如果在某一大区域内，均匀布设若干个（三个以上）连续运行的GPS基准站，构成一个基准站网，我们就可以借鉴广域差分GPS和具有多个基准站的局域差分GPS中的基本原理和方法，经过有效的组合，移动站将其概略坐标播发给控制中心；然后控制中心搜集周围基准站的数据进行网平差,算出移动站的虚拟观测值；又将这些观测值播发给移动站,从而实时算出移动站精密坐标。这就是多基准站RTK系统工作原理。
3.2多基准站RTK系统组成及数据流程
整个系统由基准站网、数据处理中心和数据通讯线路组成。
基准站上应配置双频全波长GPS接收机，该接收机能同时提供精确的双频伪距观测值。基准站按规定的采样率进行连续观测，并通过数据链实时将观测资料传送给数据处理中心，其通信方式可采用数字数据网DON或其他方式。而流动站可以采用数字移动电话网络，如GSM、CDMA、COPD或GPKS等方式向控制中心传送标准的NMEA位置信息，告知它的概位。控制中心接收到其信息后重新计算所有GPS观测数据，并内插到与流动站相匹配的位置。数据处理中心根据流动站送来的近似坐标来判断该站位于哪三个基准站所组成的区域内，然后根据这三个基准站的观测资料求出该流动站处所受到的系统误差，再向流动站发送改正过的KTCM信息，流动站根据接收到的KTCM信息，结合自身GPS观测值，组成双差相位观测值，快速确定整周模糊度参数和位置信息，完成实时定位。流动站可以位VRS网络中任何一点，这样流动站的RTK接收机的定位系统误差就能减少或削弱，提高了定位的准确度、可靠度。这是一种为一个虚拟的、没有实际架设基准站建立原始基准数据的技术，故称之“虚拟基准站”(VRS)。
由此可知，虚拟基准站法是设法在移动站相距数米或数十米处建立虚拟的“基准站”。并根据周围各基准站上的实际观测值算出该虚拟“基准站”上的虚拟观测值，由于虚拟站离移动站相当近，故流动站只需采用常规RTK技术就能利用虚拟基准站进行实时相对定位，获得较准确的定位结果。据国外资料报道。当站间距离为70Km时，用VRS法进行实时动态定位，可以使RTK接收机的准确度(Accuracy of a meauring RTK Receiver)可达2—3cm量级。
3．2多基准站RTK的技术优势
与常规RTK相比，多基准站RTK的优势有以下几点：
1)扩大了移动站与基准站的作业距离（可达到70Km），且完全保证定位精度；
2)常规RTK的测量准确度1cm+lppm•D中的lppm•D的概念取消了，在控制的测区范围内始终可以达到1—2cm左右。
3）对于长基线GPS网络，用户无需架设自己的基准站，费用大幅度降低；
4）改进了OTF初始化时间，提高了作业效率；
5)提高了定位的可靠性，确保了定位质量；
6)可以进行实时定位，又可以进行事后差分处理；
7)应用范围更广泛，可以满足各种控制测量、水运工程测量、疏浚定位、施工放样定位、变形观测、工程监控、船舶导航、生态环保以及城市测量与城市规划等。
4、结束语
多基准站RTK的技术的发展与应用代表了GPS发展未来的方向。由于多基准站RTK技术的先进性，它一经问世便受到世界各国广泛关注。德国、瑞士、日本等一些国家已建成或正在建设，我国也已开始着手VRS技术的应用。作为水运工程科技人员，管理人员要充分认识到采用VRS技术的必要性和紧迫性。如果能将长江口深水航道区域，杭州湾东海大桥区域、洋山深水港区域连在一起，建立起VRS，水运工程建设的成果将会对社会产生极大的社会效益和经济效益。
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