網絡RTK技術原理及其在土地調查中的應用

陳超超

江蘇華東建設基礎工程有限公司， 江蘇 南京 210096

網絡RTK技術原理及其在土地調查中的應用

陳超超

江蘇華東建設基礎工程有限公司， 江蘇 南京 210096

國土資源調查測量工作需要高精度、高可靠性的測量方式，全站儀因此成為大多數作業單位的選擇。但其在作業過程中需要兩點通視，且不能全天候作業，因而影響了作業效率。雖然隨著GPS技術的深入應用，單站RTK能夠解決全站儀的大部分缺陷，但傳統的RTK技術需要用戶假設基站以及電臺、且精度隨著距離的增長而降低，使得其在應用中受到一定的限制。網絡RTK技術正是為了解決以上難題而應運而生。本文詳細論述網絡RTK系統的組成和工作原理，簡要介紹了網絡RTK技術在國土資源調查測量中的應用，并利用網絡RTK技術實測數據與全站儀數據進行比較，得出網絡RTK技術完全可以應用于國土調查且精度較高的結論。

CORS；網絡RTK；國土調查

全球定位系統（Global Positioning System，GPS）是在子午衛星導航系統（NNSS）基礎上建立起來的新一代衛星導航定位系統。它可以向數目不限的全球用戶連續地提供高精度的全天候三維坐標、三維速度以及時間信息，因而廣泛地應用于飛機、船舶和各種載運工具的導航、高精度的大地測量、精密工程測量、地殼形變監測、國土資源調查、海空救援、水文測量等技術領域[1]。

根據劉經南院士對GPS定位技術的分類[2]，GPS發展歷程經歷了靜態測量、RTK動態測量等發展過程以及到如今的網絡RTK技術。為了削弱和消除GPS的各項空間誤差影響，大幅度提高實時定位精度，出現了差分GPS定位技術（DGPS）。隨著數據處理和通信技術的發展，又出現了載波相位差分（RTK）和實時偽距差分（RTD）技術。隨著GPS定位技術以及無線通訊網絡的發展，網絡RTK技術應運而生，它將GPS測量技術與通訊傳輸技術完美地結合在一起，使GPS定位技術向更深、更廣、更新的進一步拓展，是RTK技術發展的一個里程碑。

1.網絡RTK技術原理

在一定區域內建立一定數量（一般為三個以上）的GPS連續運行參考站（CORS），構成參考站網絡，利用各參考站觀測信息進行數據融合，計算生成差分改正信息，利用無線通訊技術進行播發，同時移動站用戶可隨時接入系統穩定、快速地實現RTK定位，這樣的一種定位方式就稱為網絡RTK定位[3]。

1.1 網絡RTK系統組成

網絡RTK（Network RTK）技術是利用地面布設的多個參考站組成連續運營參考站網絡，綜合利用各個參考站的觀測信息，通過建立精確的誤差模型來修正空間相關誤差。

網絡RTK系統包括三個部分：連續運行參考站、數據處理與控制中心、流動用戶。

（1）連續運行參考站。連續不斷地觀測GPS原始數據,并實時地將觀測值傳輸至控制中心。

（2）數據處理與控制中心。根據各個GPS基準站的原始觀測值,計算電離層、對流層和衛星軌道等誤差模型,并通過通訊設備(GPRS/CDMA)實時地將虛擬參考站的相位差分改正數傳給移動用戶。

（3）流動用戶。接收控制中心發布的相位差分改正數,聯合自身GPS觀測值得到高精度的實時定位值。

1.2 網絡RTK系統工作原理

圖1 網絡RTK系統示意圖

圖1為網絡RTK系統的示意圖，其定位原理與流程如下：

（1）各個參考站進行長期觀測，連續采集數據，并實時傳輸到數據處理與控制中心，控制中心在線解算參考站網內各條基線的載波相位整周模糊度值；

（2）數據處理中心建立電離層延遲、對流層延遲等距離相關誤差的改正模型；

（3）移動站用戶將單點定位得到的概略坐標（NMEA格式）發送給控制中心，控制中心根據概略坐標即在該位置創建一個虛擬參考站（VRS）；

（4）控制中心選取主參考站，并根據主參考站、用戶及GPS衛星的相對幾何關系，通過內插計算模型得到移動站與主參考站間的空間相關誤差，再根據虛擬觀測值計算模型生成VRS處的虛擬觀測值；

（5）控制中心把虛擬觀測值作為網絡差分改正信息，按照RTCM標準差分電文格式在NTRIP協議的基礎上發送給移動站用戶；

（6）用戶移動站接收網絡差分信息，與VRS構成短基線，通過常規RTK計算模型進行差分解算，確定用戶位置。

2.網絡RTK技術在國土資源調查中的應用

網絡RTK測量具有高精度、高效率、全天候以及操作簡便等特點，隨著GPS接收機性能的逐步完善以及藍牙(Bluetooth)技術在接收機和手簿之間作為無線數據傳輸的成功應用，GPS網絡RTK技術已經成為測量及相關部門的首選方法。為了驗證網絡RTK技術在國土資源調查中的可用性，筆者進行了如下實驗。

2.1 實驗選址

本次實驗選在某學校體育場籃球場內進行，該場地空間較大，利于實驗的開展。同時籃球場中央視野開闊，遠離高壓輸電線及無線電發射源等，測試環境較好。

本次實驗主要在籃球場上進行，主要是測量籃球場各個半場、全場的面積，并相互檢核，同時和全站儀測得的面積進行比較，得出網絡RTK系統的精度等指標。

每個半場中，將長度方向以幾乎等分的方式標記五個點，在寬度方向上也以幾乎等分的方式標記五個點，分別命名為H01、H02、H03、H04、H05，H06、H07、H08、H09、H10、H11、H12、H13、H14、H15、H16（從右上角開始逆時針編號）。

圖2 半場示意圖

每個全場中，將長度方向以幾乎等分的方式標記九個點，在寬度方向上也以幾乎等分的方式標記五個點，分別命名為F01、F02、F03、F04、F05，F06、F07、F08、F09、F10、F11、F12、F13、F14、F15、F16、F17、F18、F19、F20、F21、F22、F23、F24（從右上角開始逆時針編號）。

圖3 全場示意圖

2.2 實驗儀器及數據處理軟件

本次實驗采用的儀器為南方測繪生產的可接入CORS功能的接收機。

2.3 實驗流程與方案

利用接收機在體育場對學校籃球場的面積進行測定，并使用全站儀測出面積作為精確值，對結果進行比較，以檢測網絡RTK測定的精度。具體實驗方案如下：

1、使用接收機測定25個籃球場半場各自的面積，相當于測了25個圖斑，由于每個半場面積近似相等，因此每個面積值之間可以相互檢核。

2、使用接收機測定25個籃球場全場各自的面積，相當于又測了25個圖斑，由于每個全場面積近似相等，因此每個面積值之間可以相互檢核。

3、由于每個籃球場全場與半場之間近似為兩倍的關系，因此全場與半場之間又可以構成檢核關系。

這樣測得的各個面積值可以計算內符合精度與外符合精度，三大檢核關系保證后續結果比較的嚴密性。

具體的流程如圖4所示：

圖4 實驗流程圖

2.4 數據處理與分析

將野外測得的數據由電子手簿導入到計算機中，并將其格式改為CAD默認的格式。導出到計算機的數據文件如圖5所示，依次對于為點號、Y坐標、X坐標、Z坐標：

圖5 數據文件示意圖

在AutoCAD中導入數據文件，將測得的點連接成封閉區域，然后點擊“工程應用”下的“查詢實體面積”，即可求出相應的面積。求得的各圖斑面積如表1所示

圖6 半場網絡RTK所測面積與真值之差的絕對值

圖7 全場網絡RTK所測面積與真值之差的絕對值

從圖6可以看出，半場網絡RTK所測面積與真值之差的絕對值在0.8平方米左右，最大值為0.85平方米，全場網絡RTK所測面積與真值之差的絕對值在1平方米左右，最大值為1.07平方米。

由國土調查中RTK定位平面精度限差為5cm，利用誤差傳播公式：

由此發現上述測得的面積都在限差范圍之內，繼而認為網絡RTK可以用于國土調查，且精度取得了令人滿意的效果。

3.結論

本文詳細論述網絡RTK系統的組成和工作原理，簡要介紹了網絡RTK技術在國土資源調查測量中的應用，進行了網絡RTK應用于國土調查的實驗，首先對實驗現場的選址進行了闡述，然后對實驗儀器及數據處理軟件進行了介紹，接著制定了實驗的方案及流程，最后對數據進行處理與分析，得出結論：網絡RTK完全可以應用于國土調查，且精度較高，而且可以全天候作業，作業效率高；可單人作業，減少人員負擔，在國土調查中具有不可限量的前景。

[1]胡伍生, 高成發. GPS測量原理及其應用[M].北京：人民交通出版社.2002

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

[3]柯福陽，王慶，潘樹國，等.GNSS網絡RTK算法模型及測試分析[J].東南大學學報(自然科學版).2009,(04)

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.17.036

表1 圖斑面積結果表（單位：m2）