提高北斗RTK定位精度的方法

黃雪琪

（廣西職業(yè)師范學(xué)院，廣西 南寧 530007）

0 引言

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國(guó)自主研發(fā)、自主建設(shè)、獨(dú)立運(yùn)行的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，是為全球用戶提供全天候、全天時(shí)、高精度的定位、導(dǎo)航和授時(shí)服務(wù)的國(guó)家重要空間基礎(chǔ)設(shè)施。目前，我國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的定位精度在10米左右，基本滿足一般導(dǎo)航的需求，但仍無法滿足定位精度要求更高的領(lǐng)域，如地形測(cè)量、施工放樣、道路施工、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、智慧城市、汽車自動(dòng)駕駛等。

RTK（實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位，Real-time Kinematic）是衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的一個(gè)分支，利用衛(wèi)星信號(hào)中的載波相位觀測(cè)量組成差分方程，通過整周模糊度快速求解，實(shí)現(xiàn)基準(zhǔn)站與移動(dòng)站之間實(shí)時(shí)定位，RTK可獲得厘米級(jí)的定位精度。

將北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與RTK技術(shù)結(jié)合起來，是當(dāng)前高精度定位研究的熱門課題之一，具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 北斗RTK定位原理

隨著定位技術(shù)的探索和發(fā)展，通過差分技術(shù)對(duì)衛(wèi)星的民用信號(hào)進(jìn)行修正處理技術(shù)日趨成熟，發(fā)展出了RTK定位技術(shù)，RTK技術(shù)是衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)的重要應(yīng)用，極大地提高了定位的效率[1]。該技術(shù)通過大量建設(shè)CORS站來獲得衛(wèi)星信號(hào)的修正值，其主要原理是，通過定位接收機(jī)同時(shí)獲取衛(wèi)星信號(hào)和修正值來進(jìn)行差分計(jì)算，以獲得更高精度的定位位置，該技術(shù)利用北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)，通過對(duì)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)衛(wèi)星信號(hào)增強(qiáng)，改善導(dǎo)航衛(wèi)星的幾何分布，增加可見衛(wèi)星數(shù)，削弱衛(wèi)星定位誤差影響，保障了RTK定位的可靠度與穩(wěn)定性[2]。理論上，RTK技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)的定位精度。

北斗RTK技術(shù)的基本原理是建立在實(shí)時(shí)處理兩個(gè)觀測(cè)站的載波相位上的，這兩個(gè)觀測(cè)站中有一個(gè)為基準(zhǔn)站，另一個(gè)為流動(dòng)站，如圖1所示。基準(zhǔn)站的坐標(biāo)在建設(shè)的時(shí)候已經(jīng)明確，設(shè)基準(zhǔn)站準(zhǔn)確坐標(biāo)為x,y,z，其中，x,y為平面坐標(biāo)，z為縱向坐標(biāo)，也可以理解為高程。在基準(zhǔn)站中使用北斗衛(wèi)星地面接收機(jī)接收北斗導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)送的載波信號(hào)，便可獲得北斗導(dǎo)航衛(wèi)星定位的坐標(biāo)為x1,y1,z1，則基準(zhǔn)站的準(zhǔn)確坐標(biāo)與衛(wèi)星定位坐標(biāo)之間有差值△x=x1-x,△y=y1-y,△z=z1-z。在基準(zhǔn)站周圍的一定范圍內(nèi)，如果環(huán)境條件相近，北斗衛(wèi)星接收機(jī)的接收精度也相近，則流動(dòng)站的實(shí)際坐標(biāo)與北斗衛(wèi)星接收機(jī)獲得的坐標(biāo)之間的差值，可以參考基準(zhǔn)站的坐標(biāo)差值，均為△x,△y,△z。如果流動(dòng)站實(shí)際坐標(biāo)為x2,y2,z2，流動(dòng)站的北斗衛(wèi)星接收機(jī)獲得的坐標(biāo)為x3,y3,z3，則x3-x2=△x，y3-y2=△y，z3-z2=△z。由于x3,y3,z3通過北斗衛(wèi)星地面接收機(jī)已經(jīng)得到，△x,△y,△z可以通過基準(zhǔn)站獲得，所以流動(dòng)站的實(shí)際坐標(biāo)就可以被解算出來。

圖1 北斗RTK定位示意圖

北斗RTK技術(shù)的工作原理如下：在同一個(gè)時(shí)間點(diǎn)上，基準(zhǔn)站和流動(dòng)站的北斗衛(wèi)星接收機(jī)將會(huì)同時(shí)收到北斗導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)送的定位信息，然后由基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)處理中心利用基準(zhǔn)站的固定坐標(biāo)與北斗衛(wèi)星地面接收機(jī)獲得的坐標(biāo)進(jìn)行解算，并通過無線電信號(hào)將解算得到的結(jié)果發(fā)送給流動(dòng)站。流動(dòng)站接收到基準(zhǔn)站發(fā)送過來的觀測(cè)數(shù)據(jù)后，可以利用流動(dòng)站設(shè)備中嵌入的解算軟件，將從北斗導(dǎo)航衛(wèi)星獲得的坐標(biāo)進(jìn)行修正，便可得到觀測(cè)點(diǎn)的精確坐標(biāo)。如圖2所示。

圖2 北斗RTK定位原理圖

2 影響RTK定位精度的主要因素

雖然利用RTK技術(shù)可以獲得很高的定位精度，理論上可以達(dá)到厘米級(jí)，但是在一般的條件下，很難達(dá)到這個(gè)精度，主要有以下幾個(gè)方面的原因。

2.1 導(dǎo)航衛(wèi)星導(dǎo)航精度的問題

北斗導(dǎo)航衛(wèi)星是利用電磁波以載波的方式將導(dǎo)航信息傳送到地面接收機(jī)上的，在傳送過程中需要穿過地球大氣層，而大氣層中的電離層和對(duì)流層都對(duì)電磁波具有一定的折射效應(yīng)，這會(huì)直接影響導(dǎo)航衛(wèi)星到地面接收機(jī)的實(shí)際距離，從而影響導(dǎo)航精度，電離層延遲、對(duì)流層延遲、多路徑效應(yīng)、接收機(jī)噪聲都與高度角有直接關(guān)系，高度角越低，觀測(cè)值精度越低[3]。此外，衛(wèi)星的星歷、衛(wèi)星時(shí)鐘都會(huì)影響導(dǎo)航精度。

（1）電離層：地球周圍從60多千米到幾千千米的范圍內(nèi)有很厚的電離層，電離層對(duì)電磁波具有折射效應(yīng)，這會(huì)使北斗信號(hào)的傳播速度發(fā)生變化，這種變化被稱為電離層延遲。電磁波受電離層折射的影響與電磁波的頻率以及電磁波傳播途徑上的電子總含量有關(guān)。

（2）對(duì)流層：地球周圍的對(duì)流層雖然只有10~20千米，但是對(duì)流層有大量的空氣和水氣，這些空氣和水氣受溫度影響很大，對(duì)電磁波的折射效應(yīng)也很大，而且受天氣影響非常明顯。對(duì)流層會(huì)使北斗信號(hào)的傳播速度發(fā)生變化，這種變化被稱為對(duì)流層延遲。電磁波受對(duì)流層折射的影響與電磁波傳播途徑上的溫度、濕度和氣壓有關(guān)。

（3）衛(wèi)星星歷：雖然衛(wèi)星的軌道是相對(duì)固定，但是由于受到復(fù)雜的外力作用，衛(wèi)星的位置、與地面控制站和接收終端的距離都是一個(gè)接近值，經(jīng)常會(huì)有幾十千米的誤差，這些誤差在導(dǎo)航中都會(huì)影響到導(dǎo)航的精確度。

2.2 衛(wèi)星鐘差問題

衛(wèi)星鐘差是指北斗衛(wèi)星時(shí)鐘與北斗標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的差別。北斗在軌衛(wèi)星幾十顆，雖然目前衛(wèi)星上都使用銫原子鐘，但每顆衛(wèi)星的時(shí)間還是有微小的誤差的，這些微小的誤差在高速運(yùn)行的衛(wèi)星中就會(huì)被不斷地放大，影響導(dǎo)航精度。此外，地面接收站的時(shí)間一般都采用石英鐘，與衛(wèi)星的時(shí)鐘更難同步，也會(huì)影響導(dǎo)航精確度。

2.3 基準(zhǔn)站與流動(dòng)站接收衛(wèi)星載波信號(hào)同步問題

RTK的定位原理明確要求基準(zhǔn)站與流動(dòng)站同步接收導(dǎo)航衛(wèi)星的載波信號(hào)，而基準(zhǔn)站與流動(dòng)站之間的衛(wèi)星接收機(jī)受時(shí)鐘精度的影響不可能絕對(duì)同步。另一個(gè)原因是，基準(zhǔn)站接收到導(dǎo)航衛(wèi)星的載波信息，需要對(duì)基準(zhǔn)站固定坐標(biāo)與通過北斗衛(wèi)星地面接收機(jī)獲得的坐標(biāo)進(jìn)行解算，然后才能將觀測(cè)數(shù)據(jù)通過無線電波發(fā)送到流動(dòng)站。這個(gè)過程需要一定的時(shí)間，也就是說當(dāng)流動(dòng)站接收到基準(zhǔn)站發(fā)送過來的觀測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)，已經(jīng)是下一個(gè)時(shí)間點(diǎn)。流動(dòng)站與基準(zhǔn)站接收衛(wèi)星載波信號(hào)是有時(shí)間差的，雖然這個(gè)時(shí)間差很短，但會(huì)影響到測(cè)量精度。

2.4 基準(zhǔn)站與流動(dòng)站環(huán)境影響

基準(zhǔn)站與流動(dòng)站環(huán)境條件相似度越高，獲得的測(cè)量精度也越高，但是在實(shí)際測(cè)量中很難做到。一方面，基準(zhǔn)站與流動(dòng)站有一定的距離，有些甚至達(dá)到幾十千米，而在這幾十千米的距離中，地形地貌會(huì)有很大的變化，特別是丘陵、山地等；另一方面，城市中由于高樓林立，各種電磁波覆蓋城市空間，基準(zhǔn)站與流動(dòng)站如果在城市的不同地方，會(huì)受到高樓信號(hào)反射的影響，同時(shí)也會(huì)受大量電磁波的影響。除此之外，基準(zhǔn)站與流動(dòng)站所在位置的衛(wèi)星信號(hào)差距也會(huì)影響測(cè)量精確度，如基準(zhǔn)站衛(wèi)星地面接收機(jī)能接收到15顆衛(wèi)星信號(hào)，而流動(dòng)站只能接收到10顆衛(wèi)星；按目前的技術(shù)，兩個(gè)接收機(jī)獲得的衛(wèi)星導(dǎo)航精度是不同的，這些都會(huì)影響到RTK最后的測(cè)量精確度。

3 提高定位精度的方法

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)測(cè)量的精度要求越來越高，如施工放樣、道路施工、汽車自動(dòng)駕駛等，為了進(jìn)一步提高RTK測(cè)量精度，可以采取以下幾個(gè)方面的措施。

3.1 構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)RTK

使用RTK技術(shù)進(jìn)行精確測(cè)量，需要依賴基準(zhǔn)站的觀測(cè)數(shù)據(jù)作為糾正值，為了保證測(cè)量的精度，基準(zhǔn)站與流動(dòng)站之間的距離最好控制在10~20千米的范圍內(nèi)，而且要求基準(zhǔn)站與流動(dòng)站之間數(shù)據(jù)通信流暢，這樣就限制了流動(dòng)站的作業(yè)范圍。為了擴(kuò)展流動(dòng)站的作業(yè)范圍，減少單個(gè)基準(zhǔn)站采集數(shù)據(jù)可能出現(xiàn)的誤差，現(xiàn)在很多國(guó)家都采用構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)RTK的方式，即在某個(gè)范圍內(nèi)建設(shè)多個(gè)基準(zhǔn)站，并且將多個(gè)基準(zhǔn)站連成網(wǎng)絡(luò)，建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)處理中心，網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)是通過對(duì)CORS系統(tǒng)運(yùn)行過程中各種誤差進(jìn)行精確估值，利用這些誤差估值模型生成差分定位數(shù)據(jù)，并將差分改正數(shù)通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至用戶接收機(jī)[4]。這樣流動(dòng)站的作業(yè)范圍不僅可以擴(kuò)展到100千米以上，而且通過多個(gè)基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)校正，可以進(jìn)一步提高測(cè)量精度。

3.2 構(gòu)建“虛擬參考站”

虛擬參考站則是在網(wǎng)絡(luò)RTK的基礎(chǔ)上，通過構(gòu)建數(shù)學(xué)模型、采用區(qū)域的歷史坐標(biāo)數(shù)據(jù)，在流動(dòng)站的附近生成虛擬的參考站，并根據(jù)周圍各基準(zhǔn)站上的實(shí)際觀測(cè)值算出該虛擬基準(zhǔn)站的虛擬觀測(cè)值。由于虛擬參考站離流動(dòng)站很近，一般僅相距數(shù)米至數(shù)十米，故流動(dòng)站只需采用常規(guī)RTK技術(shù)就能與虛擬基準(zhǔn)站進(jìn)行實(shí)時(shí)相對(duì)定位。

3.3 強(qiáng)化對(duì)基準(zhǔn)站的選址

在選擇基準(zhǔn)站的時(shí)候，應(yīng)盡量選擇開闊地帶，避免基準(zhǔn)站上的衛(wèi)星被遮擋和無線電干擾。同時(shí)，要明確基準(zhǔn)站的坐標(biāo)系，以便能夠快速地計(jì)算出衛(wèi)星接收機(jī)的誤差值，為流動(dòng)站提供快速的糾正值。

3.4 提高觀測(cè)數(shù)據(jù)的計(jì)算和傳輸效率

對(duì)于網(wǎng)絡(luò)RTK，由于涉及多個(gè)基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)，要建設(shè)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)中心，以便能夠快速地將各個(gè)基準(zhǔn)站采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合計(jì)算，并根據(jù)流動(dòng)站的位置計(jì)算出最優(yōu)的糾正數(shù)據(jù)。同時(shí)，改進(jìn)部分模糊度固定解算，提高固定率和解算速度[5]，此外，要提高數(shù)據(jù)鏈的覆蓋能力、擴(kuò)大作業(yè)半徑、增強(qiáng)穩(wěn)定性和安全性，來獲得全天候、適時(shí)、連續(xù)的數(shù)據(jù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

RTK技術(shù)的發(fā)展，帶來了測(cè)量技術(shù)的變革。以前，RTK技術(shù)研究更多聚焦于使用GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)來進(jìn)行高精度定位，近年來，隨著我國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的全面建成，使用北斗+GPS雙系統(tǒng)進(jìn)行RTK高精度定位的相關(guān)研究越來越多。在可預(yù)見的將來，基于北斗的RTK技術(shù)必將在高精度定位領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用，定位精度也將不斷提高。