網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)原理及其在土地調(diào)查中的應(yīng)用

陳超超

江蘇華東建設(shè)基礎(chǔ)工程有限公司， 江蘇 南京 210096

網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)原理及其在土地調(diào)查中的應(yīng)用

陳超超

江蘇華東建設(shè)基礎(chǔ)工程有限公司， 江蘇 南京 210096

國(guó)土資源調(diào)查測(cè)量工作需要高精度、高可靠性的測(cè)量方式，全站儀因此成為大多數(shù)作業(yè)單位的選擇。但其在作業(yè)過(guò)程中需要兩點(diǎn)通視，且不能全天候作業(yè)，因而影響了作業(yè)效率。雖然隨著GPS技術(shù)的深入應(yīng)用，單站RTK能夠解決全站儀的大部分缺陷，但傳統(tǒng)的RTK技術(shù)需要用戶假設(shè)基站以及電臺(tái)、且精度隨著距離的增長(zhǎng)而降低，使得其在應(yīng)用中受到一定的限制。網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)正是為了解決以上難題而應(yīng)運(yùn)而生。本文詳細(xì)論述網(wǎng)絡(luò)RTK系統(tǒng)的組成和工作原理，簡(jiǎn)要介紹了網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)在國(guó)土資源調(diào)查測(cè)量中的應(yīng)用，并利用網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與全站儀數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，得出網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)完全可以應(yīng)用于國(guó)土調(diào)查且精度較高的結(jié)論。

CORS；網(wǎng)絡(luò)RTK；國(guó)土調(diào)查

全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）是在子午衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（NNSS）基礎(chǔ)上建立起來(lái)的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。它可以向數(shù)目不限的全球用戶連續(xù)地提供高精度的全天候三維坐標(biāo)、三維速度以及時(shí)間信息，因而廣泛地應(yīng)用于飛機(jī)、船舶和各種載運(yùn)工具的導(dǎo)航、高精度的大地測(cè)量、精密工程測(cè)量、地殼形變監(jiān)測(cè)、國(guó)土資源調(diào)查、?？站仍?、水文測(cè)量等技術(shù)領(lǐng)域[1]。

根據(jù)劉經(jīng)南院士對(duì)GPS定位技術(shù)的分類[2]，GPS發(fā)展歷程經(jīng)歷了靜態(tài)測(cè)量、RTK動(dòng)態(tài)測(cè)量等發(fā)展過(guò)程以及到如今的網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)。為了削弱和消除GPS的各項(xiàng)空間誤差影響，大幅度提高實(shí)時(shí)定位精度，出現(xiàn)了差分GPS定位技術(shù)（DGPS）。隨著數(shù)據(jù)處理和通信技術(shù)的發(fā)展，又出現(xiàn)了載波相位差分（RTK）和實(shí)時(shí)偽距差分（RTD）技術(shù)。隨著GPS定位技術(shù)以及無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，它將GPS測(cè)量技術(shù)與通訊傳輸技術(shù)完美地結(jié)合在一起，使GPS定位技術(shù)向更深、更廣、更新的進(jìn)一步拓展，是RTK技術(shù)發(fā)展的一個(gè)里程碑。

1.網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)原理

在一定區(qū)域內(nèi)建立一定數(shù)量（一般為三個(gè)以上）的GPS連續(xù)運(yùn)行參考站（CORS），構(gòu)成參考站網(wǎng)絡(luò)，利用各參考站觀測(cè)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，計(jì)算生成差分改正信息，利用無(wú)線通訊技術(shù)進(jìn)行播發(fā)，同時(shí)移動(dòng)站用戶可隨時(shí)接入系統(tǒng)穩(wěn)定、快速地實(shí)現(xiàn)RTK定位，這樣的一種定位方式就稱為網(wǎng)絡(luò)RTK定位[3]。

1.1 網(wǎng)絡(luò)RTK系統(tǒng)組成

網(wǎng)絡(luò)RTK（Network RTK）技術(shù)是利用地面布設(shè)的多個(gè)參考站組成連續(xù)運(yùn)營(yíng)參考站網(wǎng)絡(luò)，綜合利用各個(gè)參考站的觀測(cè)信息，通過(guò)建立精確的誤差模型來(lái)修正空間相關(guān)誤差。

網(wǎng)絡(luò)RTK系統(tǒng)包括三個(gè)部分：連續(xù)運(yùn)行參考站、數(shù)據(jù)處理與控制中心、流動(dòng)用戶。

（1）連續(xù)運(yùn)行參考站。連續(xù)不斷地觀測(cè)GPS原始數(shù)據(jù),并實(shí)時(shí)地將觀測(cè)值傳輸至控制中心。

（2）數(shù)據(jù)處理與控制中心。根據(jù)各個(gè)GPS基準(zhǔn)站的原始觀測(cè)值,計(jì)算電離層、對(duì)流層和衛(wèi)星軌道等誤差模型,并通過(guò)通訊設(shè)備(GPRS/CDMA)實(shí)時(shí)地將虛擬參考站的相位差分改正數(shù)傳給移動(dòng)用戶。

（3）流動(dòng)用戶。接收控制中心發(fā)布的相位差分改正數(shù),聯(lián)合自身GPS觀測(cè)值得到高精度的實(shí)時(shí)定位值。

1.2 網(wǎng)絡(luò)RTK系統(tǒng)工作原理

圖1 網(wǎng)絡(luò)RTK系統(tǒng)示意圖

圖1為網(wǎng)絡(luò)RTK系統(tǒng)的示意圖，其定位原理與流程如下：

（1）各個(gè)參考站進(jìn)行長(zhǎng)期觀測(cè)，連續(xù)采集數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理與控制中心，控制中心在線解算參考站網(wǎng)內(nèi)各條基線的載波相位整周模糊度值；

（2）數(shù)據(jù)處理中心建立電離層延遲、對(duì)流層延遲等距離相關(guān)誤差的改正模型；

（3）移動(dòng)站用戶將單點(diǎn)定位得到的概略坐標(biāo)（NMEA格式）發(fā)送給控制中心，控制中心根據(jù)概略坐標(biāo)即在該位置創(chuàng)建一個(gè)虛擬參考站（VRS）；

（4）控制中心選取主參考站，并根據(jù)主參考站、用戶及GPS衛(wèi)星的相對(duì)幾何關(guān)系，通過(guò)內(nèi)插計(jì)算模型得到移動(dòng)站與主參考站間的空間相關(guān)誤差，再根據(jù)虛擬觀測(cè)值計(jì)算模型生成VRS處的虛擬觀測(cè)值；

（5）控制中心把虛擬觀測(cè)值作為網(wǎng)絡(luò)差分改正信息，按照RTCM標(biāo)準(zhǔn)差分電文格式在NTRIP協(xié)議的基礎(chǔ)上發(fā)送給移動(dòng)站用戶；

（6）用戶移動(dòng)站接收網(wǎng)絡(luò)差分信息，與VRS構(gòu)成短基線，通過(guò)常規(guī)RTK計(jì)算模型進(jìn)行差分解算，確定用戶位置。

2.網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)在國(guó)土資源調(diào)查中的應(yīng)用

網(wǎng)絡(luò)RTK測(cè)量具有高精度、高效率、全天候以及操作簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，隨著GPS接收機(jī)性能的逐步完善以及藍(lán)牙(Bluetooth)技術(shù)在接收機(jī)和手簿之間作為無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)某晒?yīng)用，GPS網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)已經(jīng)成為測(cè)量及相關(guān)部門的首選方法。為了驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)在國(guó)土資源調(diào)查中的可用性，筆者進(jìn)行了如下實(shí)驗(yàn)。

2.1 實(shí)驗(yàn)選址

本次實(shí)驗(yàn)選在某學(xué)校體育場(chǎng)籃球場(chǎng)內(nèi)進(jìn)行，該場(chǎng)地空間較大，利于實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展。同時(shí)籃球場(chǎng)中央視野開(kāi)闊，遠(yuǎn)離高壓輸電線及無(wú)線電發(fā)射源等，測(cè)試環(huán)境較好。

本次實(shí)驗(yàn)主要在籃球場(chǎng)上進(jìn)行，主要是測(cè)量籃球場(chǎng)各個(gè)半場(chǎng)、全場(chǎng)的面積，并相互檢核，同時(shí)和全站儀測(cè)得的面積進(jìn)行比較，得出網(wǎng)絡(luò)RTK系統(tǒng)的精度等指標(biāo)。

每個(gè)半場(chǎng)中，將長(zhǎng)度方向以幾乎等分的方式標(biāo)記五個(gè)點(diǎn)，在寬度方向上也以幾乎等分的方式標(biāo)記五個(gè)點(diǎn)，分別命名為H01、H02、H03、H04、H05，H06、H07、H08、H09、H10、H11、H12、H13、H14、H15、H16（從右上角開(kāi)始逆時(shí)針編號(hào)）。

圖2 半場(chǎng)示意圖

每個(gè)全場(chǎng)中，將長(zhǎng)度方向以幾乎等分的方式標(biāo)記九個(gè)點(diǎn)，在寬度方向上也以幾乎等分的方式標(biāo)記五個(gè)點(diǎn)，分別命名為F01、F02、F03、F04、F05，F(xiàn)06、F07、F08、F09、F10、F11、F12、F13、F14、F15、F16、F17、F18、F19、F20、F21、F22、F23、F24（從右上角開(kāi)始逆時(shí)針編號(hào)）。

圖3 全場(chǎng)示意圖

2.2 實(shí)驗(yàn)儀器及數(shù)據(jù)處理軟件

本次實(shí)驗(yàn)采用的儀器為南方測(cè)繪生產(chǎn)的可接入CORS功能的接收機(jī)。

2.3 實(shí)驗(yàn)流程與方案

利用接收機(jī)在體育場(chǎng)對(duì)學(xué)?；@球場(chǎng)的面積進(jìn)行測(cè)定，并使用全站儀測(cè)出面積作為精確值，對(duì)結(jié)果進(jìn)行比較，以檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)RTK測(cè)定的精度。具體實(shí)驗(yàn)方案如下：

1、使用接收機(jī)測(cè)定25個(gè)籃球場(chǎng)半場(chǎng)各自的面積，相當(dāng)于測(cè)了25個(gè)圖斑，由于每個(gè)半場(chǎng)面積近似相等，因此每個(gè)面積值之間可以相互檢核。

2、使用接收機(jī)測(cè)定25個(gè)籃球場(chǎng)全場(chǎng)各自的面積，相當(dāng)于又測(cè)了25個(gè)圖斑，由于每個(gè)全場(chǎng)面積近似相等，因此每個(gè)面積值之間可以相互檢核。

3、由于每個(gè)籃球場(chǎng)全場(chǎng)與半場(chǎng)之間近似為兩倍的關(guān)系，因此全場(chǎng)與半場(chǎng)之間又可以構(gòu)成檢核關(guān)系。

這樣測(cè)得的各個(gè)面積值可以計(jì)算內(nèi)符合精度與外符合精度，三大檢核關(guān)系保證后續(xù)結(jié)果比較的嚴(yán)密性。

具體的流程如圖4所示：

圖4 實(shí)驗(yàn)流程圖

2.4 數(shù)據(jù)處理與分析

將野外測(cè)得的數(shù)據(jù)由電子手簿導(dǎo)入到計(jì)算機(jī)中，并將其格式改為CAD默認(rèn)的格式。導(dǎo)出到計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)文件如圖5所示，依次對(duì)于為點(diǎn)號(hào)、Y坐標(biāo)、X坐標(biāo)、Z坐標(biāo)：

圖5 數(shù)據(jù)文件示意圖

在AutoCAD中導(dǎo)入數(shù)據(jù)文件，將測(cè)得的點(diǎn)連接成封閉區(qū)域，然后點(diǎn)擊“工程應(yīng)用”下的“查詢實(shí)體面積”，即可求出相應(yīng)的面積。求得的各圖斑面積如表1所示

圖6 半場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)RTK所測(cè)面積與真值之差的絕對(duì)值

圖7 全場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)RTK所測(cè)面積與真值之差的絕對(duì)值

從圖6可以看出，半場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)RTK所測(cè)面積與真值之差的絕對(duì)值在0.8平方米左右，最大值為0.85平方米，全場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)RTK所測(cè)面積與真值之差的絕對(duì)值在1平方米左右，最大值為1.07平方米。

由國(guó)土調(diào)查中RTK定位平面精度限差為5cm，利用誤差傳播公式：

由此發(fā)現(xiàn)上述測(cè)得的面積都在限差范圍之內(nèi)，繼而認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)RTK可以用于國(guó)土調(diào)查，且精度取得了令人滿意的效果。

3.結(jié)論

本文詳細(xì)論述網(wǎng)絡(luò)RTK系統(tǒng)的組成和工作原理，簡(jiǎn)要介紹了網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)在國(guó)土資源調(diào)查測(cè)量中的應(yīng)用，進(jìn)行了網(wǎng)絡(luò)RTK應(yīng)用于國(guó)土調(diào)查的實(shí)驗(yàn)，首先對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的選址進(jìn)行了闡述，然后對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器及數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行了介紹，接著制定了實(shí)驗(yàn)的方案及流程，最后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析，得出結(jié)論：網(wǎng)絡(luò)RTK完全可以應(yīng)用于國(guó)土調(diào)查，且精度較高，而且可以全天候作業(yè)，作業(yè)效率高；可單人作業(yè)，減少人員負(fù)擔(dān)，在國(guó)土調(diào)查中具有不可限量的前景。

[1]胡伍生, 高成發(fā). GPS測(cè)量原理及其應(yīng)用[M].北京：人民交通出版社.2002

[2]黃丁發(fā)，熊永良.全球定位系統(tǒng)（GPS）理論與實(shí)踐[M].成都：西南交通大學(xué)出版社.2006.196-216

[3]柯福陽(yáng)，王慶，潘樹(shù)國(guó)，等.GNSS網(wǎng)絡(luò)RTK算法模型及測(cè)試分析[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版).2009,(04)

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.17.036

表1 圖斑面積結(jié)果表（單位：m2）