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網(wǎng)絡(luò)RTK系統(tǒng)

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網(wǎng)絡(luò)RTK系統(tǒng)

詳細(xì)介紹

網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)

    隨著衛(wèi)星定位技術(shù)的快速發(fā)展，人們對(duì)快速高精度位置信息的需求也日益強(qiáng)烈。而目前使用的高精度定位技術(shù)就是RTK(實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位：Real-Time Kinematic)，RTK技術(shù)的關(guān)鍵在于使用了GPS的載波相位觀測(cè)量，并利用了參考站和移動(dòng)站之間觀測(cè)誤差的空間相關(guān)性，通過(guò)差分的方式除去移動(dòng)站觀測(cè)數(shù)據(jù)中的大部分誤差，從而實(shí)現(xiàn)高精度(分米甚至厘米級(jí))的定位。
    RTK技術(shù)在應(yīng)用中遇到的zui大問(wèn)題就是參考站校正數(shù)據(jù)的有效作用距離。GPS誤差的空間相關(guān)性隨參考站和移動(dòng)站距離的增加而逐漸失去線性，因此在較長(zhǎng)距離下(單頻>10km，雙頻>30km)，經(jīng)過(guò)差分處理后的用戶數(shù)據(jù)仍然含有很大的觀測(cè)誤差，從而導(dǎo)致定位精度的降低和無(wú)法解算載波相位的整周模糊。所以，為了保證得到滿意的定位精度，傳統(tǒng)的單機(jī)RTK的作業(yè)距離都非常有限。
    為了克服傳統(tǒng)RTK技術(shù)的缺陷，在20世紀(jì)90年代中期，人們提出了網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)。在網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)中，線性衰減的單點(diǎn)GPS誤差模型被區(qū)域型的GPS網(wǎng)絡(luò)誤差模型所取代，即用多個(gè)參考站組成的GPS網(wǎng)絡(luò)來(lái)估計(jì)一個(gè)地區(qū)的GPS誤差模型，并為網(wǎng)絡(luò)覆蓋地區(qū)的用戶提供校正數(shù)據(jù)。而用戶收到的也不是某個(gè)實(shí)際參考站的觀測(cè)數(shù)據(jù)，而是一個(gè)虛擬參考站的數(shù)據(jù)，和距離自己位置較近的某個(gè)參考網(wǎng)格的校正數(shù)據(jù)，因此網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)又被稱為虛擬參考站技術(shù)(Virtual Reference)，參見圖1。

圖1：網(wǎng)絡(luò)RTK概念

圖2給出一個(gè)具有同樣定位精度的單機(jī)單頻RTK系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)RTK系統(tǒng)的覆蓋對(duì)比。為了有效覆蓋200km×200km的區(qū)域，單機(jī)RTK系統(tǒng)需要建設(shè)25個(gè)參考站，而網(wǎng)絡(luò)RTK系統(tǒng)只需要建設(shè)4個(gè)參考站。因此為了達(dá)到同樣的覆蓋效果(精度和范圍)，單機(jī)RTK需要的參考站建設(shè)成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于網(wǎng)絡(luò)RTK。

圖2：不同RTK方式下，參考站數(shù)量對(duì)比

    除了建設(shè)成本以外，在系統(tǒng)的可靠性方面，網(wǎng)絡(luò)RTK也遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于單機(jī)RTK系統(tǒng)。因?yàn)閱螜C(jī)RTK系統(tǒng)的可靠性取決于單個(gè)參考站，一旦該參考站出現(xiàn)問(wèn)題，其覆蓋的區(qū)域就會(huì)成為服務(wù)盲區(qū)，甚至是錯(cuò)誤服務(wù)區(qū)。而在網(wǎng)絡(luò)RTK方式，系統(tǒng)的可靠性不是由單個(gè)站而是由整個(gè)GPS參考站網(wǎng)絡(luò)來(lái)維護(hù)的，因此單個(gè)參考站即使出現(xiàn)問(wèn)題也很容易被發(fā)現(xiàn)，不會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)被錯(cuò)誤使用；而要提高系統(tǒng)的容錯(cuò)性，保持網(wǎng)絡(luò)的有效覆蓋也只需要在網(wǎng)絡(luò)中增加很少的備用參考站，這在單機(jī)RTK系統(tǒng)中代價(jià)將是十分高昂的。
   網(wǎng)絡(luò)RTK的高性能源于功能強(qiáng)大，但計(jì)算和處理過(guò)程十分復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)RTK軟件。它包括兩個(gè)主要的軟件模塊：NetAR^TM和NetAdjust^TM。
    NetAR^TM的功能是用于參考站數(shù)據(jù)的預(yù)處理和網(wǎng)絡(luò)完好性監(jiān)測(cè)。所有參考站的原始觀測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)NetAR^TM處理后，載波相位的模糊度被解算出來(lái)，各類GPS誤差也被從觀測(cè)數(shù)據(jù)中分離出來(lái)。GPS誤差的分布情況可以有效地表明各個(gè)參考站的工作狀態(tài)是否正常。在預(yù)處理的基礎(chǔ)上，NetAjust^TM軟件包采用由點(diǎn)及面的方法估計(jì)出GPS誤差在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的空間分布，有效的覆蓋范圍，并形成網(wǎng)格校正數(shù)據(jù)用于向用戶廣播。在工作過(guò)程中，GPS的網(wǎng)絡(luò)誤差模型在不斷地進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整以適應(yīng)誤差本身的時(shí)變性，以及由于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(如：參考站的增減)所產(chǎn)生的變化。

的結(jié)構(gòu)

圖3：RTK網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

    除了GPS參考站網(wǎng)絡(luò)外，還包括一系列關(guān)鍵組成部分：
    ● 控制中心
    ● 從各參考站到控制中心的通信網(wǎng)絡(luò)
    ● 控制中心和用戶間的通信網(wǎng)絡(luò)
    控制中心是的核心和計(jì)算中心，該單元運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)RTK軟件，處理參考站網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)，并形成校正數(shù)據(jù)網(wǎng)格。
    參考站到控制中心的通信網(wǎng)絡(luò)則負(fù)責(zé)將參考站的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地傳輸給控制中心，由于參考站的數(shù)據(jù)量大，位置固定，并有實(shí)時(shí)性要求，因此通常采用有線通信網(wǎng)絡(luò)，一般可采用Internet。無(wú)線鏈路也可以采用，但應(yīng)避免通信延遲過(guò)大。
    控制中心和用戶間的通信網(wǎng)絡(luò)是指如何將網(wǎng)絡(luò)校正數(shù)據(jù)送給用戶。一般來(lái)說(shuō)，有兩種工作方式：?jiǎn)蜗蚍绞胶碗p向方式。在單向方式下，只是用戶從控制中心獲得校正數(shù)據(jù)，而所有用戶得到的數(shù)據(jù)應(yīng)該是*的；在雙向方式下，用戶還需將自己的粗略位置(單點(diǎn)定位方式產(chǎn)生)報(bào)告給控制中心，由控制中心有針對(duì)性地產(chǎn)生校正數(shù)據(jù)并傳給特定的用戶，每個(gè)用戶得到的數(shù)據(jù)則可能不同。以下是單向方式和雙向方式的對(duì)比。

	單向方式	雙向方式
控制中心
處理數(shù)據(jù)	只處理參考站數(shù)據(jù)，并生成全網(wǎng)*的校正網(wǎng)格	除了處理參考站數(shù)據(jù)，還要根據(jù)用戶位置產(chǎn)生特定的用戶校正數(shù)據(jù)
處理能力	計(jì)算強(qiáng)度取決于參考站數(shù)據(jù)	計(jì)算強(qiáng)度取決于參考站數(shù)據(jù)和同時(shí)接入的用戶數(shù)，要求處理能力強(qiáng)
同時(shí)服務(wù)用戶數(shù)量	不限	有限制，在標(biāo)準(zhǔn)配置下<50個(gè)
用戶設(shè)備
GPS接收機(jī)	需支持RTCM2.2和RTCM3.0^[1]	支持RTCM2.2
用戶和控制中心通信鏈路
可用通信方式	• 調(diào)頻廣播 • 無(wú)線撥號(hào)接入(GPRS，CSD，CDPD)	無(wú)線撥號(hào)接入(GPRS，CSD，CDPD)
用戶設(shè)備	• 調(diào)頻解碼器 • GPRS，GSM或CDPD調(diào)制解調(diào)器	GPRS，GSM或CDPD調(diào)制解調(diào)器
控制中心設(shè)備	• 調(diào)頻信號(hào)發(fā)射臺(tái) • Internet服務(wù)器＋I(xiàn)nternet	Internet服務(wù)器＋I(xiàn)nternet
覆蓋范圍	• 調(diào)頻：70～100km(單發(fā)射臺(tái)) • GPRS，GSM或CDPD網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域	GPRS，GSM或CDPD網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域

^[1]也可采用外掛處理單元（如：計(jì)算機(jī)或數(shù)據(jù)處理板）的方式。

網(wǎng)絡(luò)RTK的性能
精度(RMS)：
  實(shí)際參考站距離50～75公里
    2^[1]厘米水平定位精度
    4^[1]厘米垂直定位精度
  實(shí)際參考站距離75～150公里
    2～5^[1]厘米水平定位精度
    4～10^[1]厘米垂直定位精度
  ^[1]測(cè)量精度隨GPS測(cè)量環(huán)境、大氣條件和衛(wèi)星可用性變化，以上參數(shù)為典型值。
  由網(wǎng)絡(luò)RTK提供的定位精度在全網(wǎng)覆蓋范圍內(nèi)是均勻的。
軟件支持的網(wǎng)絡(luò)配置：
   zui少3個(gè)GPS參考站，標(biāo)準(zhǔn)配置為6個(gè)GPS參考站，可以擴(kuò)展到100個(gè)以上的參考站網(wǎng)絡(luò)
   參考站至數(shù)據(jù)處理中心的通信鏈路和協(xié)議：TCP/IP(Internet)、RS－232C和撥號(hào)連接
控制中心至移動(dòng)用戶：
   單向：調(diào)頻廣播，RTK遠(yuǎn)端用戶的數(shù)量可以無(wú)限；
   雙向：GSM-CSD、GPRS，CDPD，RTK遠(yuǎn)端用戶的數(shù)量<=50。
     控制中心計(jì)算機(jī)zui低配置
     ● 操作系統(tǒng)：Windows NT/98/2000，
     ● 處理器：Pentium II 1GHz，內(nèi)存：>128MB，硬盤：>10GB
           ● 網(wǎng)絡(luò)：Ethernet
軟件系統(tǒng)支持網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)容(GPS參考站數(shù)量增加，虛擬參考站增加)
軟件系統(tǒng)具有網(wǎng)絡(luò)完好性監(jiān)測(cè)
用戶端軟件具有校正數(shù)據(jù)有效性識(shí)別功能(檢查用戶是否在網(wǎng)絡(luò)RTK覆蓋范圍內(nèi))。

網(wǎng)絡(luò)RTK的應(yīng)用案例
網(wǎng)絡(luò)RTK軟件在加拿大、挪威、日本、巴西和韓國(guó)都經(jīng)過(guò)了廣泛的測(cè)試和應(yīng)用。其中尤以在日本的應(yīng)用zui為典型。1999年，在東京地區(qū)建成了GPS 。該系統(tǒng)包括了六個(gè)參考站(Ashtech Z18接收機(jī))、Asahi電視臺(tái)的廣播系統(tǒng)(日本郵電部用于廣播DGPS和RTK校正信號(hào)的*系統(tǒng))和相應(yīng)的Internet網(wǎng)絡(luò)。測(cè)試中每個(gè)站的距離約為50至100公里，電視臺(tái)的廣播距離為70公里。在極為惡劣的電離層測(cè)試條件下(>14ppm)，網(wǎng)絡(luò)的定位精度達(dá)到了3厘米?，F(xiàn)在該網(wǎng)絡(luò)正在逐步擴(kuò)大，很會(huì)將成為覆蓋全日本的*GPSRTK網(wǎng)絡(luò)。

圖4：東京地區(qū)的RTK網(wǎng)絡(luò)