提高北斗RTK定位精度的方法

黃雪琪

（廣西職業師范學院，廣西 南寧 530007）

0 引言

北斗衛星導航系統是我國自主研發、自主建設、獨立運行的衛星導航系統，是為全球用戶提供全天候、全天時、高精度的定位、導航和授時服務的國家重要空間基礎設施。目前，我國北斗衛星導航系統的定位精度在10米左右，基本滿足一般導航的需求，但仍無法滿足定位精度要求更高的領域，如地形測量、施工放樣、道路施工、精準農業、智慧城市、汽車自動駕駛等。

RTK（實時動態定位，Real-time Kinematic）是衛星導航技術的一個分支，利用衛星信號中的載波相位觀測量組成差分方程，通過整周模糊度快速求解，實現基準站與移動站之間實時定位，RTK可獲得厘米級的定位精度。

將北斗衛星導航系統與RTK技術結合起來，是當前高精度定位研究的熱門課題之一，具有廣闊的應用前景。

1 北斗RTK定位原理

隨著定位技術的探索和發展，通過差分技術對衛星的民用信號進行修正處理技術日趨成熟，發展出了RTK定位技術，RTK技術是衛星導航定位技術的重要應用，極大地提高了定位的效率[1]。該技術通過大量建設CORS站來獲得衛星信號的修正值，其主要原理是，通過定位接收機同時獲取衛星信號和修正值來進行差分計算，以獲得更高精度的定位位置，該技術利用北斗地基增強系統，通過對北斗衛星導航系統衛星信號增強，改善導航衛星的幾何分布，增加可見衛星數，削弱衛星定位誤差影響，保障了RTK定位的可靠度與穩定性[2]。理論上，RTK技術可以實現厘米級的定位精度。

北斗RTK技術的基本原理是建立在實時處理兩個觀測站的載波相位上的，這兩個觀測站中有一個為基準站，另一個為流動站，如圖1所示。基準站的坐標在建設的時候已經明確，設基準站準確坐標為x,y,z，其中，x,y為平面坐標，z為縱向坐標，也可以理解為高程。在基準站中使用北斗衛星地面接收機接收北斗導航衛星發送的載波信號，便可獲得北斗導航衛星定位的坐標為x1,y1,z1，則基準站的準確坐標與衛星定位坐標之間有差值△x=x1-x,△y=y1-y,△z=z1-z。在基準站周圍的一定范圍內，如果環境條件相近，北斗衛星接收機的接收精度也相近，則流動站的實際坐標與北斗衛星接收機獲得的坐標之間的差值，可以參考基準站的坐標差值，均為△x,△y,△z。如果流動站實際坐標為x2,y2,z2，流動站的北斗衛星接收機獲得的坐標為x3,y3,z3，則x3-x2=△x，y3-y2=△y，z3-z2=△z。由于x3,y3,z3通過北斗衛星地面接收機已經得到，△x,△y,△z可以通過基準站獲得，所以流動站的實際坐標就可以被解算出來。

圖1 北斗RTK定位示意圖

北斗RTK技術的工作原理如下：在同一個時間點上，基準站和流動站的北斗衛星接收機將會同時收到北斗導航衛星發送的定位信息，然后由基準站的數據處理中心利用基準站的固定坐標與北斗衛星地面接收機獲得的坐標進行解算，并通過無線電信號將解算得到的結果發送給流動站。流動站接收到基準站發送過來的觀測數據后，可以利用流動站設備中嵌入的解算軟件，將從北斗導航衛星獲得的坐標進行修正，便可得到觀測點的精確坐標。如圖2所示。

圖2 北斗RTK定位原理圖

2 影響RTK定位精度的主要因素

雖然利用RTK技術可以獲得很高的定位精度，理論上可以達到厘米級，但是在一般的條件下，很難達到這個精度，主要有以下幾個方面的原因。

2.1 導航衛星導航精度的問題

北斗導航衛星是利用電磁波以載波的方式將導航信息傳送到地面接收機上的，在傳送過程中需要穿過地球大氣層，而大氣層中的電離層和對流層都對電磁波具有一定的折射效應，這會直接影響導航衛星到地面接收機的實際距離，從而影響導航精度，電離層延遲、對流層延遲、多路徑效應、接收機噪聲都與高度角有直接關系，高度角越低，觀測值精度越低[3]。此外，衛星的星歷、衛星時鐘都會影響導航精度。

（1）電離層：地球周圍從60多千米到幾千千米的范圍內有很厚的電離層，電離層對電磁波具有折射效應，這會使北斗信號的傳播速度發生變化，這種變化被稱為電離層延遲。電磁波受電離層折射的影響與電磁波的頻率以及電磁波傳播途徑上的電子總含量有關。

（2）對流層：地球周圍的對流層雖然只有10~20千米，但是對流層有大量的空氣和水氣，這些空氣和水氣受溫度影響很大，對電磁波的折射效應也很大，而且受天氣影響非常明顯。對流層會使北斗信號的傳播速度發生變化，這種變化被稱為對流層延遲。電磁波受對流層折射的影響與電磁波傳播途徑上的溫度、濕度和氣壓有關。

（3）衛星星歷：雖然衛星的軌道是相對固定，但是由于受到復雜的外力作用，衛星的位置、與地面控制站和接收終端的距離都是一個接近值，經常會有幾十千米的誤差，這些誤差在導航中都會影響到導航的精確度。

2.2 衛星鐘差問題

衛星鐘差是指北斗衛星時鐘與北斗標準時間的差別。北斗在軌衛星幾十顆，雖然目前衛星上都使用銫原子鐘，但每顆衛星的時間還是有微小的誤差的，這些微小的誤差在高速運行的衛星中就會被不斷地放大，影響導航精度。此外，地面接收站的時間一般都采用石英鐘，與衛星的時鐘更難同步，也會影響導航精確度。

2.3 基準站與流動站接收衛星載波信號同步問題

RTK的定位原理明確要求基準站與流動站同步接收導航衛星的載波信號，而基準站與流動站之間的衛星接收機受時鐘精度的影響不可能絕對同步。另一個原因是，基準站接收到導航衛星的載波信息，需要對基準站固定坐標與通過北斗衛星地面接收機獲得的坐標進行解算，然后才能將觀測數據通過無線電波發送到流動站。這個過程需要一定的時間，也就是說當流動站接收到基準站發送過來的觀測數據時，已經是下一個時間點。流動站與基準站接收衛星載波信號是有時間差的，雖然這個時間差很短，但會影響到測量精度。

2.4 基準站與流動站環境影響

基準站與流動站環境條件相似度越高，獲得的測量精度也越高，但是在實際測量中很難做到。一方面，基準站與流動站有一定的距離，有些甚至達到幾十千米，而在這幾十千米的距離中，地形地貌會有很大的變化，特別是丘陵、山地等；另一方面，城市中由于高樓林立，各種電磁波覆蓋城市空間，基準站與流動站如果在城市的不同地方，會受到高樓信號反射的影響，同時也會受大量電磁波的影響。除此之外，基準站與流動站所在位置的衛星信號差距也會影響測量精確度，如基準站衛星地面接收機能接收到15顆衛星信號，而流動站只能接收到10顆衛星；按目前的技術，兩個接收機獲得的衛星導航精度是不同的，這些都會影響到RTK最后的測量精確度。

3 提高定位精度的方法

隨著現代科學技術的快速發展，對測量的精度要求越來越高，如施工放樣、道路施工、汽車自動駕駛等，為了進一步提高RTK測量精度，可以采取以下幾個方面的措施。

3.1 構建網絡RTK

使用RTK技術進行精確測量，需要依賴基準站的觀測數據作為糾正值，為了保證測量的精度，基準站與流動站之間的距離最好控制在10~20千米的范圍內，而且要求基準站與流動站之間數據通信流暢，這樣就限制了流動站的作業范圍。為了擴展流動站的作業范圍，減少單個基準站采集數據可能出現的誤差，現在很多國家都采用構建網絡RTK的方式，即在某個范圍內建設多個基準站，并且將多個基準站連成網絡，建立統一的數據處理中心，網絡RTK技術是通過對CORS系統運行過程中各種誤差進行精確估值，利用這些誤差估值模型生成差分定位數據，并將差分改正數通過網絡發送至用戶接收機[4]。這樣流動站的作業范圍不僅可以擴展到100千米以上，而且通過多個基準站的數據校正，可以進一步提高測量精度。

3.2 構建“虛擬參考站”

虛擬參考站則是在網絡RTK的基礎上，通過構建數學模型、采用區域的歷史坐標數據，在流動站的附近生成虛擬的參考站，并根據周圍各基準站上的實際觀測值算出該虛擬基準站的虛擬觀測值。由于虛擬參考站離流動站很近，一般僅相距數米至數十米，故流動站只需采用常規RTK技術就能與虛擬基準站進行實時相對定位。

3.3 強化對基準站的選址

在選擇基準站的時候，應盡量選擇開闊地帶，避免基準站上的衛星被遮擋和無線電干擾。同時，要明確基準站的坐標系，以便能夠快速地計算出衛星接收機的誤差值，為流動站提供快速的糾正值。

3.4 提高觀測數據的計算和傳輸效率

對于網絡RTK，由于涉及多個基準站數據，要建設統一的數據中心，以便能夠快速地將各個基準站采集到的數據進行綜合計算，并根據流動站的位置計算出最優的糾正數據。同時，改進部分模糊度固定解算，提高固定率和解算速度[5]，此外，要提高數據鏈的覆蓋能力、擴大作業半徑、增強穩定性和安全性，來獲得全天候、適時、連續的數據。

4 結束語

RTK技術的發展，帶來了測量技術的變革。以前，RTK技術研究更多聚焦于使用GPS衛星定位系統來進行高精度定位，近年來，隨著我國北斗衛星導航系統的全面建成，使用北斗+GPS雙系統進行RTK高精度定位的相關研究越來越多。在可預見的將來，基于北斗的RTK技術必將在高精度定位領域得到越來越廣泛的應用，定位精度也將不斷提高。