无人机测量的空中定位技术探讨

柯彦 曾祥峰

摘要：探讨比较用于无人机测量的GPS技术，包括GPS-PPK（post processed kinematic）技术和GPS-RTK （Real-time kinematic）技术。

关键词：无人机测量、GPS-PPK、GPS-RTK

一、 前言

随着科技的不断发展，无人机测量已成为地形测量的一种重要方式。但目前无人机测量主要还是通过航摄技术，通过地面像控点的修正，得到地形数据，该方法无法满足小比例尺的地形测量精度。是否有一种方法，像GPS + 测深仪测量水下地形一样，直接在空中测量陆地地形。我们设想，利用旋翼无人机作为空中载体（注：固定翼无人机速度太快，测距设备无法接收到测距回波），利用GPS进行空中定位，利用激光测距。在该套系统中，GPS必须要达到厘米级的精度。目前能达到厘米级测量精度的GPS测量技术主要有GPS-RTK和GPS-PPK两种，以下我们对这两种技术进行探讨，以找出更适用于GPS空中定位的方法。

二、 GPS-RTK和GPS-PPK的工作原理

GPS-RTK （Real-time kinematic）技术是实时相位差分定位技术，其基本工作原理可简述为：在两台GPS接收机之间增加一套无线电通讯系统。 将两台或两台以上相对独立的GPS接收机联成有机整体，安置在已知点上的GPS接收机 （我们常说的是基准站）通过电台将观测信息，测站点数据传输给流动站（我们常说的移动站）， 流动站将基准站传来的载波观测信号与流动站本身观测到的载波信号进行差分处理， 从而解算出两站间的基线向量；根据事先输入的坐标转化和投影参数， 就可得到流动站的三维坐标数据。

GPS-RTK工作原理及系统组成

GPS-PPK（post processed kinematic）技术，即动态后处理技术，是利用载波相位进行事后差分的GPS定位技术。其工作原理：利用进行同步观测的一台基准站接收机和至少一台流动接收机对卫星的载波相位观测量；事后在计算机中利用GPS处理软件进行线性组合，形成虚拟的载波相位观测量值，确定接收机之间厘米级的相对位置；然后进行坐标转换得到流动站在地方坐标系中的坐标。

由以上两者的工作原理可看出，如果使用GPS-RTK技术，机载电脑可直接记录GPS提供的经过养分处理的实时坐标位置；使用GPS-PPK技术，机载电脑只能记录GPS接收到位置资料，需要回到地面，通过数据后处理，才能获得飞行器当时的坐标位置。两种方法都能无人机测量的要求。

GPS-PPK工作原理及系统组成

三、 GPS-RTK和GPS-PPK的系统组成

GPS-RTK系统由基准站、流动站和通讯电台组成。

GPS-PPK系统由基准站、流动站组成。

GPS-RTK系统和GPS-PPK系统最大的区别是差了一个通讯电台模块，由于无人机的续航能力和无人机的载重量有很大关系，载的越轻，飞得越久。GPS-PPK系统少了一个通讯电台模块，不但重量轻了，用电量也少了不少。因此，GPS-PPK系统更适合于无人机使用。

四、 GPS-RTK和GPS-PPK的控制范围

GPS-RTK系统使用的是实时相位差分定位模式，需架设基准站，并用电台实时传输数据，可实时得到待测点的精确坐标，有效距离可达15km；

GPS-PPK系统使用的是动态测量后处理模式，需有参考站记录GPS数据，但不需电台实时传输，事后处理，不考虑电离层影响，有效距离达80km以上。

由于利用无人机进行地形测量，受无人机的续航能力限制，一般不会超过5km，因此，两者都能工作满足。但因为GPS-RTK技术使用无线电台通讯，可能受到意外信号干扰，而影响定位精度，GPS-PPK技术更适合于无人机的空中定位。

五、 GPS-RTK和GPS-PPK精度分析

GPS-RTK技术和GPS-PPK技术都是建立在流动站与基准站误差强烈类似的这一基础之上， 随着流动站与基准站之间距离的增加，其误差的类似性越来越差，定位精度会越来越低。 数据的通信也会受到作用距离拉长，而干拢因素增加的影响。 GPS-PPK技术由于不受通讯的因素干扰，因此更有优势。

六、 GPS-RTK和GPS-PPK实测数据比对

为了验证GPS-PPK系统的精度，我们在广州南沙港附近的工地，进行了一次GPS-RTK与GPS-PPK数据采集比对，测量结果如下表。从表可以看出，GPS-PPK同GPS-RTK一样具有稳定的平面定位能力，最大的点位差为0.023m，具有较高的精度；在小范围的区域内，不考虑高程异常的影响，GPS-PPK同样能精密测出测点高程，GPS-PPK高程同GPS-RTK高程相比，高程差值最大为0.039m。从这些统计信息中可以确定：GPS-PPK和GPS-RTK的都能满足无人机空中定位的要求。

七、 结论

通过以上对比和测试，我们认为GPS-RTK技术和GPS-PPK技术都可用于无人机的测量。但GPS-PPK技术由于减少了电台模块，不但减轻了重量，降低了用電量，还摆脱了电台控制范围的约束，避免了电台干扰造成的精度降低，更配合于无人机测量的使用。

参考文献：

《GPS测量操作与数据处理》，魏二虎、黄劲松编著，武汉大学出版社

《双频GPS -PPK 技术在西藏公路线路测量中的应用》，谌业良，姜晓晖，水道港口，2002，（6）.