GPS— RTK測(cè)量技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)RTK(VRS)技術(shù)應(yīng)用的幾種方式

孟祥林

( 黑龍江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，哈爾濱 150080)

1 GPS-RTK測(cè)量技術(shù)原理

實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)(RTK)定位技術(shù)是以載波相位觀測(cè)值為根據(jù)的實(shí)時(shí)差分GPS技術(shù)，憑借差分改正和載波相位測(cè)距兩種測(cè)量方法使得動(dòng)態(tài)定位精度可以達(dá)到cm級(jí)。它在基準(zhǔn)站上安置1臺(tái)接收機(jī)為參考站，對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)，并將其觀測(cè)數(shù)據(jù)和測(cè)站信息，通過(guò)無(wú)線電傳輸設(shè)備，實(shí)時(shí)發(fā)送給作業(yè)流動(dòng)站。流動(dòng)站接收機(jī)在接收GPS衛(wèi)星信號(hào)的同時(shí)接收基準(zhǔn)站發(fā)送的無(wú)線電數(shù)據(jù)信號(hào)，然后根據(jù)相對(duì)定位的原理進(jìn)行碎步測(cè)量。

由于無(wú)線電波衍射能力較差，在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中易受電磁環(huán)境及障礙物的影響。為了避免環(huán)境對(duì)信號(hào)造成不良影響或干擾，在選擇基準(zhǔn)站架設(shè)的位置時(shí)，最好選擇在事業(yè)開(kāi)闊、環(huán)境空曠、地勢(shì)較高的地方，便于無(wú)線電信號(hào)擁有更好的傳輸路徑。同時(shí)要避免將基準(zhǔn)站架設(shè)在無(wú)線電發(fā)射臺(tái)、高壓線、變壓器等有無(wú)線電干擾區(qū)域。另一方面，也要避開(kāi)大范圍水域及林地，避免引發(fā)多路徑效應(yīng)，形成干擾。

GPS-RTK基準(zhǔn)站技術(shù)的優(yōu)勢(shì)是：在測(cè)區(qū)網(wǎng)絡(luò)通訊較差的地區(qū)，通過(guò)電臺(tái)發(fā)射的高功率無(wú)線信號(hào)(GPRS、GSM、CDMA網(wǎng)絡(luò))，可以實(shí)現(xiàn)在小區(qū)域(極限半徑6-10KM)范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)高精度、快速的三維位置定位。實(shí)現(xiàn)高效率測(cè)量工作。

2 GPS-RTK技術(shù)應(yīng)用的方式

GPS-RTK(real time kinematic)是利用2臺(tái)或者2臺(tái)以上的GPS接受機(jī)利用載波相位觀測(cè)值進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)相對(duì)定位的技術(shù)。其原理是將位于基準(zhǔn)站上的GPS接收機(jī)觀測(cè)的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)通信鏈(無(wú)線電臺(tái)、網(wǎng)絡(luò)通信)實(shí)時(shí)發(fā)送出去，使位于附近的移動(dòng)站GPS接收機(jī)在對(duì)衛(wèi)星觀測(cè)的同時(shí)，也接收來(lái)自基準(zhǔn)站的電臺(tái)信號(hào)，通過(guò)對(duì)所收到的信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，給出移動(dòng)站的三維坐標(biāo)，進(jìn)行空間位置的確定。

利用GPS-RTK架站測(cè)量時(shí)，至少配備兩臺(tái)GPS接收機(jī)，一臺(tái)接收機(jī)固定安放在基準(zhǔn)站上，其余的接收機(jī)作為移動(dòng)站進(jìn)行點(diǎn)位測(cè)量。在兩臺(tái)接收機(jī)之間還需要電臺(tái)信號(hào)和數(shù)據(jù)通信連接，實(shí)時(shí)將基準(zhǔn)站上的觀測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送給流動(dòng)站。對(duì)流動(dòng)站接收到的數(shù)據(jù)(衛(wèi)星信號(hào)和基準(zhǔn)站的信號(hào))進(jìn)行實(shí)時(shí)處理還需要RTK軟件，其主要完成雙差模糊度的求解、基線向量的解算、坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換。

1)采用基準(zhǔn)站(GPS-RTK)方式，確保2臺(tái)接收機(jī)中都有可使用的通訊卡。將基準(zhǔn)站安置在測(cè)區(qū)內(nèi)地勢(shì)較高、周?chē)鸁o(wú)障礙物遮擋(最少有15°以上的高度截至角)、遠(yuǎn)離高壓輸電線、通訊塔等無(wú)線電干擾的地點(diǎn)，同時(shí)要遠(yuǎn)離大面積水面或反光區(qū)域，減少多路徑效應(yīng)。

2)用RTK電子手薄連接基準(zhǔn)站，確定網(wǎng)絡(luò)差分信號(hào)波段(電臺(tái)信號(hào)波段)和小組號(hào)，并進(jìn)行基準(zhǔn)站設(shè)置，之后進(jìn)行數(shù)據(jù)平滑，并開(kāi)始基準(zhǔn)站接收機(jī)。

3)在RTK電子手薄中設(shè)置好流動(dòng)站，選擇網(wǎng)絡(luò)差分(內(nèi)部電臺(tái))，并利用前期收集的最少2個(gè)已知點(diǎn)，求取測(cè)區(qū)范圍內(nèi)的改正參數(shù)，并通過(guò)另外已知點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)校核。確認(rèn)無(wú)誤后方可進(jìn)行測(cè)量。

GPS-RTK技術(shù)的作業(yè)范圍極限半徑10KM(電臺(tái)基準(zhǔn)站極限半徑6KM)，并且對(duì)于架設(shè)基站的位置有一定的要求。相對(duì)大一點(diǎn)的作業(yè)區(qū)域需要重復(fù)架站，給作業(yè)帶來(lái)了部分困難[1-2]。

3 CORS-RTK技術(shù)

CORS(Continuous Operational Reference System)技術(shù)既連續(xù)運(yùn)行參考站系統(tǒng)，是現(xiàn)代GPS的發(fā)展熱點(diǎn)。它的出現(xiàn)不僅為測(cè)繪行業(yè)帶來(lái)深刻的變革。CORS技術(shù)目前在技術(shù)算法上分成VRS、FKP、主輔站(MAC)和綜合內(nèi)插技術(shù)(CBI)技術(shù)等。現(xiàn)國(guó)內(nèi)以采用VRS算法構(gòu)架成的CORS網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已經(jīng)比較成熟。

VRS(Virtual ReferenceStation)技術(shù)算法，全稱虛擬參考站技術(shù)，VRS與常規(guī)RTK不同，VRS網(wǎng)絡(luò)中，各固定參考站不直接向移動(dòng)用戶發(fā)送任何改正信息，而是將所有的原始數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)通訊線發(fā)給控制中心。VRS技術(shù)是利用布設(shè)在地面上的多個(gè)參考站組成GPS連續(xù)運(yùn)行參考站(CORS)網(wǎng)絡(luò)，綜合利用各參考站的衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)軟件處理建立精確的誤差模型來(lái)修正相關(guān)誤差。同時(shí)，流動(dòng)站在作業(yè)前需要先通過(guò)GPRS、GSM、CDMA等通信手段向數(shù)據(jù)控制中心發(fā)送一個(gè)概略坐標(biāo)，數(shù)據(jù)控制中心收到這個(gè)位置信息后，根據(jù)用戶位置，由計(jì)算機(jī)自動(dòng)選擇最佳的一組固定基準(zhǔn)站，根據(jù)這些站發(fā)來(lái)的信息，整體的改正GPS的軌道運(yùn)行誤差、電離層誤差、對(duì)流層和大氣折射引起的誤差，將高精度的差分信號(hào)發(fā)給流動(dòng)站。這個(gè)差分信號(hào)的效果相當(dāng)于在流動(dòng)站旁邊，生成一個(gè)虛擬的參考基站，從而解決了RTK作業(yè)距離上的限制問(wèn)題，并保證了用戶的精度。

虛擬參考站(VRS)具有的優(yōu)勢(shì)是：它允許服務(wù)器應(yīng)用整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的信息來(lái)計(jì)算電離層和對(duì)流層的復(fù)雜模型，而相反，F(xiàn)KP在對(duì)電離層殘差影響的模型化方面能力 有限，它用于修正的模型非常簡(jiǎn)單(大多數(shù)情況下僅采用了線性內(nèi)插，如SAPOS 中)，在FKP中，流動(dòng)站僅能獲取兩個(gè)站的數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算大氣模型。 VRS的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是消除了對(duì)流層誤差，因?yàn)檎缥覀兩厦嫠@示的那樣，在整個(gè)VRS生產(chǎn)步驟中對(duì)流層模型是一致的。而在 FKP模式中，則存在著服務(wù)器和流動(dòng)站所用對(duì)流層模型不一致的危險(xiǎn) 。

虛擬參考站系統(tǒng)的另一個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)就是它的成果的可靠性、信號(hào)可利用性和精度水平在系統(tǒng)的有效覆蓋范圍內(nèi)大致均勻，同離開(kāi)最近參考站的距離沒(méi)有明顯的相關(guān)性。

4 CORS-RTK作業(yè)兩種方式

1)采用CORS技術(shù)進(jìn)行作業(yè)時(shí)，就不需要架設(shè)基準(zhǔn)站了，也可以忽略架設(shè)基站時(shí)候所需要的位置和環(huán)境因素。在接收機(jī)中或者手薄中插入1張(GPRS、GSM、CDMA)通訊卡，用以建立數(shù)據(jù)聯(lián)系，通過(guò)通訊卡所在位置選擇內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)差分或者手薄差分。設(shè)置好接收機(jī)流動(dòng)站狀態(tài)，登錄CORS信息平臺(tái)，移動(dòng)站接收GPS信號(hào)和來(lái)自CORS系統(tǒng)基站的實(shí)時(shí)查分信息，進(jìn)行精準(zhǔn)定位。利用前期收集測(cè)區(qū)內(nèi)2個(gè)已知點(diǎn)，通過(guò)點(diǎn)校正，進(jìn)行測(cè)區(qū)的參數(shù)求取和點(diǎn)校核后進(jìn)行測(cè)量。作業(yè)范圍可以擴(kuò)大至更大的范圍。

2)在接收機(jī)與手薄都不插通訊卡的情況下，可以利用自身攜帶的智能電話的個(gè)人熱點(diǎn)模式。通過(guò)開(kāi)放手機(jī)熱點(diǎn)，利用手薄的WIFI功能連接上熱點(diǎn)。其操作模式與設(shè)備中存在通訊卡的設(shè)置模式相似，唯一區(qū)別是同過(guò)WIFI熱點(diǎn)功能進(jìn)行測(cè)量作業(yè)時(shí)，手薄設(shè)置必須選擇手薄差分模式。這總方式的優(yōu)點(diǎn)是，移動(dòng)設(shè)備的信號(hào)接收能力要遠(yuǎn)大于CORS信號(hào)覆蓋，可以通過(guò)智能手機(jī)建立的偽基站對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，從而獲得更加穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)[3]。

5 結(jié) 論

GPS-RTK測(cè)量技術(shù)是新時(shí)代測(cè)量的一次質(zhì)的飛越，而VRS(CORS網(wǎng)絡(luò))技術(shù)的出現(xiàn)使之外業(yè)的作業(yè)效率又一次大的提升。VRS技術(shù)和智能手機(jī)的結(jié)合應(yīng)用，可以為外業(yè)作業(yè)人員提供更方便快捷的便利，提高更快、更便捷的途經(jīng)。