RTK在不同場景下的定位精度分析

徐丹丹，卞曉晨

(江蘇省基礎地理信息中心，江蘇 南京 210013)

0 引言

近些年來，隨著國家對科學技術的大力支持，許多先進的技術手段被應用于測繪地理信息行業，無形之中改變了測繪行業的作業模式[1]，測繪行業由原來的勞動密集型產業逐步向人機交互等方向轉型，這不僅提升了測繪行業的效率，同時也增加了行業知識的可理解性，隨著社會的持續發展，以及測繪人的不斷努力，測繪地理信息行業已經逐步步入智能化時代。

CORS作為一種局域地基增強技術，較傳統單基站模式,CORS具有精度高、收斂快、范圍大的優點，越來越被行業內外的用戶認可和使用，但RTK定位精度受多重因素的影響，如CORS中站點的疏密程度、位于CORS網型的位置、電離層活躍程度、天氣變化等都會對定位結果產生相應的影響，本文著重從這些影響因素出發，通過實驗分析各個因素對RTK定位精度的影響。

1 基于CORS的網絡RTK實時定位

全球定位系統(Global Positioning System，GPS)在測繪行業中得到廣泛使用，以其高覆蓋率、高實時性、精確度高、性價比高等特點，在地形圖測繪方面有著巨大的優勢。但是GPS在獲取高精確度坐標時存在一定缺陷，需要同時滿足多個條件，比如必須同步、靜態以及一段時間的監測。于是推出了實時動態載波相位差分技術(Real-time kinematic, RTK)，差分技術可以消除電離層、對流層等誤差，該技術大大提高了測量的精度[2-5]。隨著技術的發展，RTK技術逐漸無法滿足當下的需求，CORS技術應運而生。

CORS技術由數據處理中心、數據傳輸與播放系統、GPS基準站與移動站等構成。CORS-RTK技術的產生解決了參考站和流動站之間的距離問題所帶來的局限性，使得外業作業基線范圍逐漸擴大，參考站和流動站的作業距離可達到40 km甚至更遠[6]，隨著CORS技術的逐步優化，參考站覆蓋范圍之內的觀測結果精準度也越來越高。

2 GNSS相對定位模型

RTK定位原理主要采用的是GNSS(Global Navigation Satellite System,全球導航衛星系統)載波相位觀測值差分原理進行實時動態定位。RTK定位主要步驟分為雙差浮點解解算和模糊度固定，雙差浮點解部分給出函數模型和隨機模型[7-8]，模糊度固定采用應用廣泛的LAMBDA法。下面對此過程進行簡單介紹。

2.1 函數模型

GNSS差分觀測模型主要是為了消除觀測值中的接收機鐘誤差和衛星鐘誤差，差分模型主要根據在一定基線范圍內，利用參考站和移動站之間觀測誤差的空間相關性，通過在觀測值間做差來消除或者削弱流動站觀測值中的誤差。其基本的觀測方程為：

(1)

(2)

2.2 隨機模型

隨機模型是對隨機噪聲水平及其相關性的反應，不同定位系統產生的噪聲對GNSS定位結果及模糊度的解算都有很大的影響。目前行業中經常采用的幾種隨機模型有高度角法、信噪比法等，其中信噪比模型對觀測站有關的誤差更為敏感，所以本文采用的方法主要是信噪比模型法，該方法采用的定權方式如下：

(3)

其中，S為實測信噪比；Bi為相位跟蹤環帶寬；λi為波相位波長；Ci為經驗參數。簡化后的隨機模型為：

(4)

其中，S0為參考信噪比；σ0為觀測值在參考信噪比下的標準差；α為自適應因子。

而在觀測值中整周模糊度的固定中，采用的方法主要是最小二乘相關平差法，即LAMADA算法，此方法也是在定位算法中應用最廣泛的算法。

3 案例分析

本實驗主要圍繞基線距離、單基站和CORS網、空曠環境和遮擋環境、電離層活躍性、天氣狀況、CORS網形狀等6個因素開展案例分析。

每個場景下統計的各項精度指標值是基于不少于4 h的觀測值。其中2sigema能夠反饋95%觀測值的水平；極差能夠反饋出RTK定位結果的離散程度，有些定位場景可能受個別歷元的影響，不代表總體水平，高程小于0.05 m占比為測繪上的常規要求，但空曠環境有時該指標不能細致區分定位結果的優劣，故加上水平滿足0.01 m并且高程滿足0.015 m指標，該指標更能反饋出定位結果的平穩性和好壞。

3.1 基站距離

VRS模式先由用戶向數據處理中心發出請求，并提供用戶當前的概略坐標，數據處理中心在接收到用戶請求后，對用戶所處區域進行誤差建模或誤差內插，并在用戶的概略坐標處，構建一個與真實參考站類似的虛擬參考站，再將觀測數據發送給用戶，其中對用戶所處區域進行誤差建模時距離主站距離越遠，建模誤差越大，結果如表1,圖1～圖4所示。

表1 RTK場景定位精度指標值

3.2 單基站和CORS網

CORS網和單基站的作業原理一致，區別在于單基站是只有一個連續運行的參考站，相當于1+1模式，與1+1不同在于二者基站架設方式不同，1+1模式通常是根據用戶需求自行架設的參考站點，基線距離一般選擇在3 km以內，而CORS網是由多臺連續運行參考站組成。從表1,圖2,圖5為二者觀測值的結果看出，VRS模式定位結果優于單基站模下的定位結果。

3.3 空曠環境和遮擋環境

環境是影響RTK定位精度一項重要因素，在具有遮擋的地方，衛星信號減弱，對移動端觀測值產生影響，導致周跳、多徑誤差嚴重，在嚴重遮擋的情況下，甚至探測不到衛星信號。一般情況下，由于遮擋而使RTK接收機天線不能同時接收到4顆(或4顆以上)衛星的信號，也就無法實時地獲取定位坐標，或者導致定位誤差過大，遠遠不能滿足實際要求。表2,圖6～圖8為空曠環境、半遮擋和遮擋環境下誤差結果。

表2 RTK場景定位精度指標值

3.4 電離層因素

電離層延遲誤差是影響RTK定位精度的主要誤差源之一，當信號穿越電離層時，信號傳播路徑會發生改變，從而產生誤差，電離層越活躍的地方，電離層延遲誤差越大，對定位精度的影響也越大。表3為同一時段南方和北方的定位結果，圖9,圖10為同一時段南方和北方的定位結果序列圖，從圖中可看出電離層活躍時定位結果明顯波動較大。

表3 RTK場景定位精度指標值

3.5 天氣狀況

雨天尤其暴雨時段，對流層變化較快，一方面影響基線解算，另一方面影響內差建模，同時對衛星信號傳輸也會產生干擾。表4為對流層活躍時與平穩時定位精度。

圖11,圖12是雨天和晴天24 h的定位結果，GPS時間3:00～18:00為降雨時間，從結果看出，對流層變化越快的情況下，定位誤差也越大。

表4 RTK場景定位精度指標值

3.6 網形因素

VRS模式下主要對基線組成的網內區域進行建模，網外測點由于距離主站和建模基線相對網內較遠，會導致建模精度變差。表5為網內網外的定位精度成果表。

圖13,圖14是選擇相同的主站分別是網內和網外的定位結果，從結果反映：CORS網內定位精度明顯優于網外定位精度。

表5 RTK場景定位精度指標值

4 結論

本文主要采用條件約束的方式，論述了基線距離、單基站和CORS網、空曠環境和遮擋環境、電離層活躍性、天氣狀況以及CORS網形這6大因素對RTK定位精度的影響，結論如下：

1)基線越長，建模的誤差越大，定位精度的誤差也越大。

2)VRS模式下的定位精度優于單基站定位精度。

3)定位環境受周邊遮擋越嚴重，觀測衛星越少，周跳越多，模糊度固定率就越低，精度也越差。

4)電離層越活躍的地方，觀測值受電離層的影響越大，其定位誤差也越大，定位精度也越低。

5)天氣的好壞影響對流層的穩定，從而影響RTK定位精度，暴雨天氣對定位精度的影響明顯高于晴朗天氣對定位精度的影響。

6)網內定位精度明顯高于網外定位精度。