浅谈GPS实时动态定位原理及应用

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引言
    随着我国经济的高速发展，为了满足工程施工、测绘等工作的需要,采用GPS实时动态定位技术的测绘系统逐步进入我国市场。采用传统 GPS RTK（Real-Time-Kinematic）技术的测绘系统的数据链路电台，必须经过无线电管理部门批准才可设置使用，但在此前的几起此类设备所造成的无线电干扰案例中，所查获的无线电台均未向无线电管理部门申报。目前这类设备使用时所造成的无线电干扰越来越多，因此无线电管理部门应该加强对这类设备的管理。而增加对GPS RTK技术的了解和认识，将会对查处工作及无线电管理工作大有帮助。
一、RTK 概述
    RTK（Real-Time-Kinematic）技术是GPS实时载波相位差分的简称。这是一种将GPS与数传技术相结合，实时解算并进行数据处理，在1～2秒时间内得到高精度位置信息的技术。
    1.1 RTK的工作原理
    RTK的工作原理是将一台接收机置于基准站上，另一台或几台接收机置于载体（称为流动站）上，基准站和流动站同时接收同一时间、同一GPS卫星发射的信号，基准站所获得的观测值与已知位置信息进行比较，得到GPS差分改正值。然后将这个改正值通过无线电数据链电台及时传递给共视卫星的流动站精化其GPS观测值，从而得到经差分改正后流动站较准确的实时位置。
    精密GPS定位均采用相对技术。无论是在几点间进行同步观测的后处理(RTK)，还是从基准站将改正值传输给流动站(DGPS)，这些都称为相对技术，以采用值的类型为依据可分为4类：
     （1）实时差分GPS，其精度为1m～3m；
     （2）广域实时差分GPS，其精度为1m～2m；
     （3）精密时差分GPS，其精度为1cm～5cm；
     （4）实时精密时差分GPS，其精度为1cm～3cm。
    差分的数据类型有伪距差分、坐标差分和相位差分三类。前两类定位误差的相关性，会随基准站与流动站的空间距离的增加而迅速降低。故RTK采用第三类方法。
    RTK的观测模型为：

    因轨道误差、钟差、电离层折射及对流层折射的影响在实际的数据处理中一般采用双差观测值方程来解算，在定位前需确定整周未知数，这一过程称为动态定位的“初始化”（On The Fly即OTF）。实现OTF的方法有很多种，美国天宝导航有限公司的做法是：采用伪距和相位相结合的方法，首先用伪距求出整周未知数的搜索范围，再用相位组合和后继观测历元解算和精化；利用伪距估计初始位置和搜索空间，快速确定精确的初始位置。
    1.2 RTK的系统组成
    我们以美国天宝导航有限公司生产的4800GPS双频接收机为例介绍RTK系统组成。
    天宝RTK系统由两部分组成，如图1所示。

图1 天宝RTK系统组成

二、RTK系统基准站的组成和作用
    RTK系统基准站由基准站GPS接收机及卫星接收天线、无线电数据链电台及发射天线、直流电源等组成，如图2所示。
    RTK系统基准站的作用是求出GPS实时相位差分改正值，然后将改正值通过数传电台及时传递给流动站以精化其GPS观测值，进而得到更为精确的实时位置信息。

图2 RTK系统基准站的组成

    GPS－RTK作业能否顺利进行，关键因素是无线电数据链的稳定性和作用距离是否满足要求。它与无线电数据链电台本身的性能、发射天线类型、参考站的选址、设备架设情况以及无线电电磁环境等有关。
    一般数据链电台采用400MHz～480MHz高频载波发送数据，而高频无线电信号是沿直线传播的，这就要求参考站发射天线和流动站接收天线之间没有遮挡信号的障碍物。这些障碍物在陆地上主要是建筑物、无线电信号发射台等，在海上则主要是地球曲率的影响。
    为了尽量避免参考站设备之间的干扰，在GPS-RTK作业时，大于25W的数据链电台的发射天线，应距离GPS接收天线至少2m，最好在6m以上；发射天线与电台的连接电缆必须展开，以免形成新的干扰源。
    电台所使用的频率和电台功率必须经过国家和当地无线电管理部门批准，使用时可能会受到某些限制。
    RTK数据链无线电发射机（TRIMMRKⅡ）的工作频率为UHF频段（400MHz～480MHz），当功率一定时，发射距离随天线高度增加而增加，如下式所示：
    发射距离（半径） （2）。
    式中：4.24 ——天宝公司的经验值；
    H1 ——电台的天线高度；
    H2 ——流动站的天线高度。
    我们通过举例来说明流动站工作范围的计算过程。
    例：天宝4800GPS接收机使用的TRIMMRKⅡ无线电数据链电台发射功率为25W，电台天线高度为9m，流动站的天线高度为2m，试计算流动站工作的最远距离？
    解：已知H1=9m，H2=2m，流动站在开阔地带工作的最远距离为:发射距离(半径)。
    需要指出的是，该距离是在无任何遮挡物的空旷地带的理论值。根据经验，在城市环境中，只有架设在高楼顶上，无线电数据链电台发射距离才可能达到10公里。
    无线电数据链电台发射功率为25W，其耗电量大，因而直流电源的电流应大一些，一般选择12V/60A或12V/120A为宜。
三、RTK流动站的组成和作用
    流动站的UHF电台接收基准站的信号，同时也接收相同的卫星信号，用配备的TSC1控制器进行实时解算。
    流动站数据链电台的功率为2W，其电源和卫星接收机共用，不需另配电池。
    基准站GPS接收机与TRIMMRKⅡ电台之间的数据传输波特率为38400，TRIMMRKⅡ电台与流动站GPS接收机之间的数据传输波特率为4800，流动站中的UHF数据链电台与流动站GPS接收机之间的数据传输波特率为38400（见图3）。

图3 RTK系统流动站的组成

    为了保证流动站的测量精度和可靠性，应在整个测区选择高精度的控制点进行检测校对。选择的控制点应有代表性，并均匀地分布在整个测量区。
    （1）若基准站安置在已知点上，则输入已知点的坐标，进行坐标的转换（WGS—84转换成BJ54或其他坐标系）。
    （2）若基准站安置在未知点上，（在城市测量中，有时为了控制更远和更大的范围，根据RTK的特点，可将基准站架设在没有控制点的高楼顶上），在启动基准站时，则需输入该点的WGS—84坐标，进行坐标的转换（WGS—84转换成BJ54或其他坐标系）。
    求得WGS—84坐标的方法是：开机后，在TSC1控制器上进行初始化操作，然后按here键即可求得该点的WGS—84坐标。
    （3）虽然RTK定位测量的基准站可以不放在已知点上，但测量区内必须有已知控制点，而且定位测量的精度和已知控制点的等级和个数有关。在放置好基准站并启动流动站后，用流动站分别到已知点上进行定位测量，以求得该点坐标，然后与该点的原有坐标相比较，求出其差值，若差值很小（根据工程性质定），则不需改正，否则，必须输入该点的原有坐标。
四、RTK定位测量的准备工作
    RTK定位测量的准备过程如下：
    （1）外业踏勘。
    （2）收集资料。
    （3）制订观测计划。
    （4）星历预报。
    （5）器材准备：经检定合格的GPS接收机[基准站+流动站（含TSC1）]一套;12V/60A电源（含充电器），数据链电台一套;手机或对讲机（每台GPS接收机上配一个）;每台GPS接收机配观测记录手簿一本。
    （6）运输工具：自备汽车或租车。
五、RTK的作业方法
    5.1 架设基准站
    将基准站GPS接收机安置在开阔的地方，架设电台和天线。
    启动基准站，在TSC1控制器中进行如下操作：
    按on/off键，打开TSC1控制器，则其自动调用主菜单。
    选择Files(文件)来建立新工程如下：
    （1）建立新工程：给工程起一个文件名。
    （2）选择工程管理（Job management）并确认。
    （3）在选择坐标系统窗口中选用手工键入参数（Key in parameter）。
    （4）在键入参数窗口中设置投影参数（Projection）。
    （5）在输入椭球参数窗口中选择：
     ①投影方式——Transverce Mercator(横轴墨卡托投影)。
     ②False northing（北偏）——0.000m (北偏为0)。
     ③False easting（东偏）——500000.000m (东偏500km)。
     ④origin lat(纬度)——0°00′00.0000N。
     ⑤central meridian——114°00′00.0000E(当地中央子午线经度)。
     ⑥scale（尺度比）——1.000000。
     ⑦semi－major axis——6378245.000m(BJ54椭球长半轴)。
     ⑧Flattening（扁率分母）——298.300000。
    若在同一测区，椭球参数只需输入一次即可，如再进入其他测区，则需重新输入其他测区的椭球参数。
    （6）在键入参数窗口中选择输入转换参数，有以下三种情况：
     ①No transformation（没有转换参数）——若基准站没有WGS－84或BJ－54坐标，则选此项。
     ②Three parameter（三参数）——若基准站有BJ－54坐标，则选此项，此时将测区的参数输入即可，也可输入0。
     ③Seven parameter（七参数）——一般不考虑。
    到此，一个新工程项目建立完成。
    5.2 启动基准站
    点击TSC1控制器Survey（测量）图标，进入测量方式菜单。
    （1）在（Survey Styles）测量工作方式菜单中选Trimble RTK（实时动态）。
    （2）在（Survey）测量菜单中选Start base receiver（启动基准站）。
    （3）显示连接接收机后，输入基准站所在控制点的名称、天线高度。若控制器已储存该点的坐标可直接按Start（F1键）；若控制器没有该点坐标信息，则按here（F3键）求得该点的WGS－84坐标（伪距），然后按回车键直到高程变化趋于稳定，然后按Start（F1键）即可。
    当提示控制器可以离开接收机，即表示基准站已启动，可以将基准站接收机上的电缆插头拔下（可带电插拔）。但此时控制器并不显示电台的标志，只有启动流动站后才会显出电台标志。
    5.3 启动流动站
    将TSC1控制器上的电缆插头插入流动站GPS接收机，在（Survey）测量菜单中选Start Survey（开始测量），此时在TSC1控制器的窗口下部即显示如图4所示画面。

图4 TSC1控制器显示的有关图标

    图4中，4800表示TSC1控制器所连接的GPS接收机型号；卫星图标中的“5”表示搜索到的卫星颗数，RTK测量时不能少于5颗；电台图标中若两个小灯交替闪亮，则表明无线电数据链已连接；“H”和“V”分别代表水平和高程精度；“PDOP”代表空间位置精度因子值；当RTK=FIXED（固定解）时，初始化完毕，可以开始测量；当RTK=float（浮点解）时，初始化不成功，必须等RTK=FIXED 时方可测量。
    5.4 开始测量
    RTK测量一般有以下几步操作：
    （1）测量点（Measure points）。
    （2）连续的碎部点的采集（Continuous top）。
    （3）输入方位、距离、计算不可到达的点位（Offsets）。
    （4）放样（Stakeout）。
六、GPS网络RTK技术(VRS系统)
    6.1 概述
     （1）GPS实时差分定位RTK技术的缺点
      ①用户需要架设本地参考站。
      ②误差随距离的增加而增长。
      ③误差增长使流动站和参考站的距离受到限制，一般小于15公里。
      ④精度为1cm+1ppm，可靠性随距离增大而降低。
     （2）虚拟参考站方案中VRS的特点与技术优势
     虚拟参考站方案中，VRS的实施将使一个地区的测绘工作成为一个有机的整体，这改变了以往GPS作业“单打独斗”的局面，同时它使GPS技术的应用更为广泛，使其精度和可靠性得到进一步提高，最重要的是建立GPS网络的成本降低了很多。
     由于VRS技术的种种先进性，一经问世就受到世界各国的广泛关注，并得到积极的实施。德国、瑞士等一些国家的VRS网络已经建成。我国深圳市第一个建成了VRS技术卫星定位服务系统，在深圳经济发展、城市信息化和数字化发挥着重要作用。
    6.2 VRS系统的构成与工作原理
    VRS系统集GPS、Internet、无线通信和计算机网络管理技术于一身。整个系统由若干个（三个以上）连续运行的GPS基准站和一个GPS网络控制中心构成。
     （1）VRS的系统构成
     VRS的系统构成由GPS固定基准站系统、数据传输系统、GPS网络控制中心系统、数据发播系统和用户系统等五部分组成。
     （2）VRS的工作原理
     一个VRS网络由三个以上的固定基准站组成，站与站之间的距离可达70km，固定基准站负责实时采集GPS卫星观测数据并传送给GPS网络控制中心，由于这些固定基准站有长时间的观测数据，故点位坐标精度很高。固定基准站与控制中心之间可通过光缆、ISDN或普通电话线相连，将数据实时传送到控制中心。
     GPS流动站先向控制中心发送标准的NMEA位置信息，告之其概略位置，控制中心收到信息后重新计算所有GPS数据，内插到与流动站相匹配的位置，再向流动站发送改正过的RTCM信息。流动站可位于VRS网络中的任何位置，这样RTK的系统误差就将被消减。可以看出，VRS系统实际上是一种多基站技术，它在处理上利用了多个参考站的联合数据。
    6.3 VRS系统的优势
     （1）VRS系统的覆盖范围较大。
     （3）可靠性提高。
     （4）更广的应用范围。
    VRS技术的出现，标志着高精度GPS进入了一个新的发展阶段。这种网络RTK技术，应用了最先进的多基站RTK算法，极大地扩展了GPS的应用领域。
七、结束语
    本文简要介绍了 RTK GPS技术的原理和应用，这将使我们更加地容易对这类系统进行识别与管理。以美国天宝公司为例，关于陆地测绘的产品型号有：Trimble R3 GPS、Trimble 5700/5800 GPS、Trimble R7/R8 /R8 GNSS GPS、Trimble NetRS/NetR5 GPS等。我们需要区分出采用传统GPS RTK技术并且只能采用无线电台选件，用于基准站与流动站之间改正信息的传输的产品，此类产品型号有：R3、5700、R7。既可采用无线电台选件也可采用GSM/GPRS选件的产品型号有：5800、R8、R8 GNSS。采用GPS网络RTK技术（VRS系统）的产品型号有：NetRS、NetR5。
    凡是采用传统 RTK GPS技术的测绘系统的数据链路电台的设置必须经过无线电管理部门的审批管理。这类设备的出现对无线电管理部门也提出了许多需要解决的问题。
    （1）需要与海关等部门协调，严把进口关，严禁没有无线电发射设备核准证的电台入关。
    （2）对此类无线电台使用频率的指配和协调问题，无线电管理部门需要通过与国家规划、测绘等部门协商解决。此类频率指配工作还需要考虑跨省市作业及设备通用性问题。
    （3）此类设备必须实行严格的登记制度，因为相关测绘资料属国家机密资料，涉及国家安全问题。