北斗网络RTK接收机校准方法

王卓念 刘晓琴

北斗网络RTK接收机校准方法

王卓念 刘晓琴

（广州广电计量检测股份有限公司，广东 广州 510656）

介绍了北斗网络RTK接收机的工作原理，提出北斗网络RTK接收机的校准方法，并对测量不确定度进行分析。该方法可满足各类RTK仪器的校准需求，且测量参数更容易溯源。

北斗导航；网络RTK；校准

0　引言

北斗网络实时动态（real - time kinematic, RTK）接收机是一种采用载波相位差分技术并支持无线网络传输修正信息的北斗卫星导航系统（BeiDou navigation satellite system, BDS）接收机。它相较其他卫星定位接收机能提供更高精度的定位、测距功能，因此在智能网联交通、国土测绘、矿山地灾、水利水电、农林建筑等领域都有广泛应用[1-3]。北斗网络RTK接收机在获取地理位置信息方面发挥了重要作用，所提供的数据在相关行业均与工程质量安全密切关联，仪表用户对其测试质量非常重视，对其进行校准和量值溯源的需求也十分迫切。

目前常规RTK接收机采用现行规程“JJG（测绘） 2301—2013”进行校准。但网络RTK接收机无需用户自己搭建参考站，无法按照规程中直接测量流动站到参考站的距离[4-5]来开展校准工作。“BS ISO 17123-8: 2015”提供了一种在无法自行搭建参考站情况下的RTK测试方法。该方法得到许多生产厂家的认可并作为内部功能测试方法之一，但该试验规范声明因测试内容不够全面，不建议将其作为验收或性能评估的测试[6]。“BD 420023—2019”提供了RTK接收机静态模式以及网络RTK模式的测试方法。该方法作为性能检测方法合理可靠，若在校准工作中使用，基线场上的固定点坐标或者坐标系下的基线分量作为溯源的参考值，由接收机进行标定。该方法的溯源链为接收机→基线场→接收机，无法满足校准工作中精度传递要求[7]。

本文提出一种基于因瓦基线尺→基线场→接收机的溯源链，通过流动站位移长度来判定RTK测量误差的校准方法。该校准方法应用范围更为广泛，可满足各类RTK仪器的校准需求，且精度测量参数更容易溯源，适合校准工作开展。

1 北斗网络RTK接收机工作原理

北斗网络RTK接收机包含多种工作模式，其中最为主要的网络RTK测量模式需要已组网的参考站、数据处理中心、数据通信链路进行辅助工作。用户使用网络RTK测量模式过程如图1所示。多个参考站建立在已知坐标点并按规定的采样率进行连续观测；数据处理中心对各参考站的同步观测数据进行处理、生成差分信息并通过网络播发；该区域内的流动站接收卫星信号和差分信息，从而实现高精度实时动态定位。

图1　网络RTK测量模式过程

2　校准条件

2.1　环境条件

校准工作应在待校准的网络RTK接收机标称工作环境下进行。RTK接收机在校准场地能够接收5颗高度角大于15°的单星座或多星座导航定位卫星，且卫星分布情况良好，位置精度衰减因子（PDOP）值应小于6。现场无线网络性能良好，无强电磁信号干扰，环视高度角15°以上无障碍物遮挡。

2.2　标准装置

1）秒表：测量范围（0~3600）s，仪表显示分辨力不大于0.1 s；

2）基线场：基线场至少包含3个固定点，各点之间距离不等且高度可调，固定点绝对地心坐标精度优于1 m，基线长度精度优于1 mm。

3　校准项目和方法

3.1　初始化时间

按照网络RTK接收机操作方式，设置其工作模式并安置在基线场内的固定点；用秒表记录流动站观测卫星数据完成初始整周未知数解算的过程；从开启电源到首次获得固定解的时间1，关机后重复次取最大值为结果：

3.2　RTK测量误差

设置网络RTK接收机为流动站，工作模式为RTK模式以及数据链参数。流动站至少在2个固定点进行测量并获得固定解的坐标信息，在每个点至少测量5次，固定点位置如图2所示。选择安置流动站的各固定点间距小于20 m，参考站到流动站间距根据实际情况设置。流动站在所测固定点均获得固定解后计算流动站各点之间的距离、高程差测量值。

图2 RTK测量误差校准示意图

通过观测值计算各点坐标平均值：

结合观测值和式(2)计算点残差：

计算残差平方和：

式中，各点测量次数= 1,2,…,5；固定点个数= 1,2；自由度v=v=v= (−1)·= (5 − 1)×2，因此各点标准差s，s，s为

由式(5)可得水平标准差s和垂直标准差s：

计算流动站在各固定点之间的距离和高程差Δ：

计算5组水平距离测量值D与参考值*之差ε和高程差测量值h与参考值*之差ε：

式中，基线场上的*和*均由因瓦基线尺标定得出。

为保障校准结果可靠，ε和ε需要满足以下条件：

若ε和ε不满足式(9)中任意一项，则建议该项目重新进行校准。若ε和ε均满足上述条件，则RTK测量水平精度m和垂直精度m可表示为

3.3　静态测量误差

设置各接收机工作模式为静态模式以及数据链参数，至少在3个固定点进行测量，各接收机必须保证同步观测时间满足技术指标要求，在每个点至少测量5次，固定点位置如图3所示。选择安置接收机的各固定点间距小于20 m。接收机在所测固定点均获得固定解后计算各点之间的距离、高程差测量值。误差计算以及判断可参考3.2。

图3　静态测量误差校准示意图

4　RTK测量不确定度分析

以华测导航I80 RTK测量系统为例，依据3.2校准方法对RTK测量误差进行校准，校准工作在如图4所示的基线场内开展。在上一级溯源过程中，各固定点坐标由接收机标定得出，固定点之间的水平距离和高程差由因瓦基线尺标定得出。校准过程无线网络性能良好且卫星分布情况正常。

图4　北斗网络RTK接收机校准场地布点图

在2个固定点分别进行5次测试，按式(2)~式(8)计算水平距离、高程差，并判断测量误差是否均满足式(9)。观测数据由式(6)可得水平标准差s=1.665 mm 和垂直标准差s=3.273 mm。将其他主要不确定度来源汇总后如表1所示。

表1　测量不确定分量

因测量重复性引入的标准不确定度包含仪器显示分辨力、对中杆和各部件引入的标准不确定度，取其中最大者，将表1数据代入式(11)计算合成标准不确定度：

可得RTK测量不确定度：−xy= 1.666 mm，−h= 3.273 mm；扩展不确定度：取= 2，U=−xy= 3.3 mm，U= 2−h= 6.5 mm。

5　结语

本文根据北斗网络RTK接收机的工作原理，提出了初始化时间、RTK测量误差、静态测量误差的校准方法。本校准方法已通过大量的实地测试验证其可行性和适用性，可作为北斗网络RTK接收机校准的参考依据，其他具有类似功能的设备也可以参照该方法对设备测量性能进行校准。

[1] 钱志鸿,田春生,郭银景,等.智能网联交通系统的关键技术与发展[J].电子与信息学报,2020,42(1):2-19.

[2] 杜仲进.基于多模CORS的网络RTK服务性能测试[J].地理空间信息,2019,17(4):32-34,47.

[3] 罗卫国.基于北斗的网络RTK实时定位服务分析[J].北京测绘,2019,33(7):787-791.

[4] 国家测绘地理信息局.JJG(测绘) 2301—2013 全球导航卫星系统(GNSS)测量型接收机RTK检定规程[S].北京:测绘出版社,2013.

[5] 侯建明.对网络RTK接收机检定方法的探讨[J].华北国土资源,2013(4):96-97,102.

[6] ISO 17123-8:2015 Optics and optical instruments - Field procedures for testing geodetic and surveying instruments - Part 8: GNSS field measurement systems in real-time kinematic (RTK) [S]. Switzerland: ISO, 2015.

[7] 全国北斗卫星导航标准化技术委员会.BD 420023—2019 北斗/全球卫星导航系统（GNSS）RTK接收机通用规范[S].北京:中国标准出版社,2019.

Calibration Method of BDS Network RTK Receiver

Wang Zhuonian Liu Xiaoqin

(Guangzhou GRG Metrology & Test Co., Ltd. Guangzhou510656, China)

This paper introduces the working principle of BDS Network RTK receiver, presents a calibration method for BDS Network RTK receiver, and analyzes the measurement uncertainty. This method can meet the calibration requirements of all kinds of RTK receivers, and the measurement parameters are more easily traceable.

BDS; Network RTK; calibration

王卓念，男，1991年生，硕士，主要研究方向：光电信息技术。E-mail：wangzn@grgtest.com

TH71

A

1674-2605(2020)04-0008-04

10.3969/j.issn.1674-2605.2020.04.008