常规RTK定位技术与多基准站RTK解析

常规RTK定位技术与多基准站RTK

上海达华测绘公司程绪红

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▽d i o n+Δ▽d t r o p+Δ▽dφm p +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=║X s-X║为卫星与接收机的距离，X s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；

d

ion

一电离层延迟：

d

trop

一对流层延迟：

dφ

mp

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：

R j

0+λ(N j

p0

-N j

)+ λ(N j

p

-N j)+ φj

p

-φj

=[(X j-X

p )2+(Y j-Y

p

)2+(Z j-Z

p

)2]1/2+Δdρ（2）

式中，R j

0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；N j

p0

表示用户接收机起始相位模糊度；N j

0为基准点接收机起始相位模糊度；N j

p

为用

户接收机起始历元至观测历元相位整周数；N j为基准点接收机起始历元至观测历

元相位整周数；φj

p 为用户接收机测量相位的小数部分；φj

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,