网络RTK技术原理及其在土地调查中的应用

陈超超

江苏华东建设基础工程有限公司， 江苏 南京 210096

网络RTK技术原理及其在土地调查中的应用

陈超超

江苏华东建设基础工程有限公司， 江苏 南京 210096

国土资源调查测量工作需要高精度、高可靠性的测量方式，全站仪因此成为大多数作业单位的选择。但其在作业过程中需要两点通视，且不能全天候作业，因而影响了作业效率。虽然随着GPS技术的深入应用，单站RTK能够解决全站仪的大部分缺陷，但传统的RTK技术需要用户假设基站以及电台、且精度随着距离的增长而降低，使得其在应用中受到一定的限制。网络RTK技术正是为了解决以上难题而应运而生。本文详细论述网络RTK系统的组成和工作原理，简要介绍了网络RTK技术在国土资源调查测量中的应用，并利用网络RTK技术实测数据与全站仪数据进行比较，得出网络RTK技术完全可以应用于国土调查且精度较高的结论。

CORS；网络RTK；国土调查

全球定位系统（Global Positioning System，GPS）是在子午卫星导航系统（NNSS）基础上建立起来的新一代卫星导航定位系统。它可以向数目不限的全球用户连续地提供高精度的全天候三维坐标、三维速度以及时间信息，因而广泛地应用于飞机、船舶和各种载运工具的导航、高精度的大地测量、精密工程测量、地壳形变监测、国土资源调查、海空救援、水文测量等技术领域[1]。

根据刘经南院士对GPS定位技术的分类[2]，GPS发展历程经历了静态测量、RTK动态测量等发展过程以及到如今的网络RTK技术。为了削弱和消除GPS的各项空间误差影响，大幅度提高实时定位精度，出现了差分GPS定位技术（DGPS）。随着数据处理和通信技术的发展，又出现了载波相位差分（RTK）和实时伪距差分（RTD）技术。随着GPS定位技术以及无线通讯网络的发展，网络RTK技术应运而生，它将GPS测量技术与通讯传输技术完美地结合在一起，使GPS定位技术向更深、更广、更新的进一步拓展，是RTK技术发展的一个里程碑。

1.网络RTK技术原理

在一定区域内建立一定数量（一般为三个以上）的GPS连续运行参考站（CORS），构成参考站网络，利用各参考站观测信息进行数据融合，计算生成差分改正信息，利用无线通讯技术进行播发，同时移动站用户可随时接入系统稳定、快速地实现RTK定位，这样的一种定位方式就称为网络RTK定位[3]。

1.1 网络RTK系统组成

网络RTK（Network RTK）技术是利用地面布设的多个参考站组成连续运营参考站网络，综合利用各个参考站的观测信息，通过建立精确的误差模型来修正空间相关误差。

网络RTK系统包括三个部分：连续运行参考站、数据处理与控制中心、流动用户。

（1）连续运行参考站。连续不断地观测GPS原始数据,并实时地将观测值传输至控制中心。

（2）数据处理与控制中心。根据各个GPS基准站的原始观测值,计算电离层、对流层和卫星轨道等误差模型,并通过通讯设备(GPRS/CDMA)实时地将虚拟参考站的相位差分改正数传给移动用户。

（3）流动用户。接收控制中心发布的相位差分改正数,联合自身GPS观测值得到高精度的实时定位值。

1.2 网络RTK系统工作原理

图1 网络RTK系统示意图

图1为网络RTK系统的示意图，其定位原理与流程如下：

（1）各个参考站进行长期观测，连续采集数据，并实时传输到数据处理与控制中心，控制中心在线解算参考站网内各条基线的载波相位整周模糊度值；

（2）数据处理中心建立电离层延迟、对流层延迟等距离相关误差的改正模型；

（3）移动站用户将单点定位得到的概略坐标（NMEA格式）发送给控制中心，控制中心根据概略坐标即在该位置创建一个虚拟参考站（VRS）；

（4）控制中心选取主参考站，并根据主参考站、用户及GPS卫星的相对几何关系，通过内插计算模型得到移动站与主参考站间的空间相关误差，再根据虚拟观测值计算模型生成VRS处的虚拟观测值；

（5）控制中心把虚拟观测值作为网络差分改正信息，按照RTCM标准差分电文格式在NTRIP协议的基础上发送给移动站用户；

（6）用户移动站接收网络差分信息，与VRS构成短基线，通过常规RTK计算模型进行差分解算，确定用户位置。

2.网络RTK技术在国土资源调查中的应用

网络RTK测量具有高精度、高效率、全天候以及操作简便等特点，随着GPS接收机性能的逐步完善以及蓝牙(Bluetooth)技术在接收机和手簿之间作为无线数据传输的成功应用，GPS网络RTK技术已经成为测量及相关部门的首选方法。为了验证网络RTK技术在国土资源调查中的可用性，笔者进行了如下实验。

2.1 实验选址

本次实验选在某学校体育场篮球场内进行，该场地空间较大，利于实验的开展。同时篮球场中央视野开阔，远离高压输电线及无线电发射源等，测试环境较好。

本次实验主要在篮球场上进行，主要是测量篮球场各个半场、全场的面积，并相互检核，同时和全站仪测得的面积进行比较，得出网络RTK系统的精度等指标。

每个半场中，将长度方向以几乎等分的方式标记五个点，在宽度方向上也以几乎等分的方式标记五个点，分别命名为H01、H02、H03、H04、H05，H06、H07、H08、H09、H10、H11、H12、H13、H14、H15、H16（从右上角开始逆时针编号）。

图2 半场示意图

每个全场中，将长度方向以几乎等分的方式标记九个点，在宽度方向上也以几乎等分的方式标记五个点，分别命名为F01、F02、F03、F04、F05，F06、F07、F08、F09、F10、F11、F12、F13、F14、F15、F16、F17、F18、F19、F20、F21、F22、F23、F24（从右上角开始逆时针编号）。

图3 全场示意图

2.2 实验仪器及数据处理软件

本次实验采用的仪器为南方测绘生产的可接入CORS功能的接收机。

2.3 实验流程与方案

利用接收机在体育场对学校篮球场的面积进行测定，并使用全站仪测出面积作为精确值，对结果进行比较，以检测网络RTK测定的精度。具体实验方案如下：

1、使用接收机测定25个篮球场半场各自的面积，相当于测了25个图斑，由于每个半场面积近似相等，因此每个面积值之间可以相互检核。

2、使用接收机测定25个篮球场全场各自的面积，相当于又测了25个图斑，由于每个全场面积近似相等，因此每个面积值之间可以相互检核。

3、由于每个篮球场全场与半场之间近似为两倍的关系，因此全场与半场之间又可以构成检核关系。

这样测得的各个面积值可以计算内符合精度与外符合精度，三大检核关系保证后续结果比较的严密性。

具体的流程如图4所示：

图4 实验流程图

2.4 数据处理与分析

将野外测得的数据由电子手簿导入到计算机中，并将其格式改为CAD默认的格式。导出到计算机的数据文件如图5所示，依次对于为点号、Y坐标、X坐标、Z坐标：

图5 数据文件示意图

在AutoCAD中导入数据文件，将测得的点连接成封闭区域，然后点击“工程应用”下的“查询实体面积”，即可求出相应的面积。求得的各图斑面积如表1所示

图6 半场网络RTK所测面积与真值之差的绝对值

图7 全场网络RTK所测面积与真值之差的绝对值

从图6可以看出，半场网络RTK所测面积与真值之差的绝对值在0.8平方米左右，最大值为0.85平方米，全场网络RTK所测面积与真值之差的绝对值在1平方米左右，最大值为1.07平方米。

由国土调查中RTK定位平面精度限差为5cm，利用误差传播公式：

由此发现上述测得的面积都在限差范围之内，继而认为网络RTK可以用于国土调查，且精度取得了令人满意的效果。

3.结论

本文详细论述网络RTK系统的组成和工作原理，简要介绍了网络RTK技术在国土资源调查测量中的应用，进行了网络RTK应用于国土调查的实验，首先对实验现场的选址进行了阐述，然后对实验仪器及数据处理软件进行了介绍，接着制定了实验的方案及流程，最后对数据进行处理与分析，得出结论：网络RTK完全可以应用于国土调查，且精度较高，而且可以全天候作业，作业效率高；可单人作业，减少人员负担，在国土调查中具有不可限量的前景。

[1]胡伍生, 高成发. GPS测量原理及其应用[M].北京：人民交通出版社.2002

[2]黄丁发，熊永良.全球定位系统（GPS）理论与实践[M].成都：西南交通大学出版社.2006.196-216

[3]柯福阳，王庆，潘树国，等.GNSS网络RTK算法模型及测试分析[J].东南大学学报(自然科学版).2009,(04)

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.17.036

表1 图斑面积结果表（单位：m2）