GPS— RTK测量技术和网络RTK(VRS)技术应用的几种方式

2021-01-07孟祥林

黑龙江水利科技 2021年6期

孟祥林

( 黑龙江省水利水电勘测设计研究院，哈尔滨 150080)

1 GPS-RTK测量技术原理

实时动态(RTK)定位技术是以载波相位观测值为根据的实时差分GPS技术，凭借差分改正和载波相位测距两种测量方法使得动态定位精度可以达到cm级。它在基准站上安置1台接收机为参考站，对卫星进行连续观测，并将其观测数据和测站信息，通过无线电传输设备，实时发送给作业流动站。流动站接收机在接收GPS卫星信号的同时接收基准站发送的无线电数据信号，然后根据相对定位的原理进行碎步测量。

由于无线电波衍射能力较差，在数据传输过程中易受电磁环境及障碍物的影响。为了避免环境对信号造成不良影响或干扰，在选择基准站架设的位置时，最好选择在事业开阔、环境空旷、地势较高的地方，便于无线电信号拥有更好的传输路径。同时要避免将基准站架设在无线电发射台、高压线、变压器等有无线电干扰区域。另一方面，也要避开大范围水域及林地，避免引发多路径效应，形成干扰。

GPS-RTK基准站技术的优势是：在测区网络通讯较差的地区，通过电台发射的高功率无线信号(GPRS、GSM、CDMA网络)，可以实现在小区域(极限半径6-10KM)范围内，实现高精度、快速的三维位置定位。实现高效率测量工作。

2 GPS-RTK技术应用的方式

GPS-RTK(real time kinematic)是利用2台或者2台以上的GPS接受机利用载波相位观测值进行实时动态相对定位的技术。其原理是将位于基准站上的GPS接收机观测的卫星数据，通过数据通信链(无线电台、网络通信)实时发送出去，使位于附近的移动站GPS接收机在对卫星观测的同时，也接收来自基准站的电台信号，通过对所收到的信号进行实时处理，给出移动站的三维坐标，进行空间位置的确定。

利用GPS-RTK架站测量时，至少配备两台GPS接收机，一台接收机固定安放在基准站上，其余的接收机作为移动站进行点位测量。在两台接收机之间还需要电台信号和数据通信连接，实时将基准站上的观测数据发送给流动站。对流动站接收到的数据(卫星信号和基准站的信号)进行实时处理还需要RTK软件，其主要完成双差模糊度的求解、基线向量的解算、坐标的转换。

1)采用基准站(GPS-RTK)方式，确保2台接收机中都有可使用的通讯卡。将基准站安置在测区内地势较高、周围无障碍物遮挡(最少有15°以上的高度截至角)、远离高压输电线、通讯塔等无线电干扰的地点，同时要远离大面积水面或反光区域，减少多路径效应。

2)用RTK电子手薄连接基准站，确定网络差分信号波段(电台信号波段)和小组号，并进行基准站设置，之后进行数据平滑，并开始基准站接收机。

3)在RTK电子手薄中设置好流动站，选择网络差分(内部电台)，并利用前期收集的最少2个已知点，求取测区范围内的改正参数，并通过另外已知点进行点校核。确认无误后方可进行测量。

GPS-RTK技术的作业范围极限半径10KM(电台基准站极限半径6KM)，并且对于架设基站的位置有一定的要求。相对大一点的作业区域需要重复架站，给作业带来了部分困难[1-2]。

3 CORS-RTK技术

CORS(Continuous Operational Reference System)技术既连续运行参考站系统，是现代GPS的发展热点。它的出现不仅为测绘行业带来深刻的变革。CORS技术目前在技术算法上分成VRS、FKP、主辅站(MAC)和综合内插技术(CBI)技术等。现国内以采用VRS算法构架成的CORS网络技术已经比较成熟。

VRS(Virtual ReferenceStation)技术算法，全称虚拟参考站技术，VRS与常规RTK不同，VRS网络中，各固定参考站不直接向移动用户发送任何改正信息，而是将所有的原始数据通过数据通讯线发给控制中心。VRS技术是利用布设在地面上的多个参考站组成GPS连续运行参考站(CORS)网络，综合利用各参考站的卫星观测数据，通过软件处理建立精确的误差模型来修正相关误差。同时，流动站在作业前需要先通过GPRS、GSM、CDMA等通信手段向数据控制中心发送一个概略坐标，数据控制中心收到这个位置信息后，根据用户位置，由计算机自动选择最佳的一组固定基准站，根据这些站发来的信息，整体的改正GPS的轨道运行误差、电离层误差、对流层和大气折射引起的误差，将高精度的差分信号发给流动站。这个差分信号的效果相当于在流动站旁边，生成一个虚拟的参考基站，从而解决了RTK作业距离上的限制问题，并保证了用户的精度。

虚拟参考站(VRS)具有的优势是：它允许服务器应用整个网络的信息来计算电离层和对流层的复杂模型，而相反，FKP在对电离层残差影响的模型化方面能力有限，它用于修正的模型非常简单(大多数情况下仅采用了线性内插，如SAPOS 中)，在FKP中，流动站仅能获取两个站的数据来计算大气模型。 VRS的另一个优势是消除了对流层误差，因为正如我们上面所显示的那样，在整个VRS生产步骤中对流层模型是一致的。而在 FKP模式中，则存在着服务器和流动站所用对流层模型不一致的危险。

虚拟参考站系统的另一个显著优点就是它的成果的可靠性、信号可利用性和精度水平在系统的有效覆盖范围内大致均匀，同离开最近参考站的距离没有明显的相关性。

4 CORS-RTK作业两种方式

1)采用CORS技术进行作业时，就不需要架设基准站了，也可以忽略架设基站时候所需要的位置和环境因素。在接收机中或者手薄中插入1张(GPRS、GSM、CDMA)通讯卡，用以建立数据联系，通过通讯卡所在位置选择内部网络差分或者手薄差分。设置好接收机流动站状态，登录CORS信息平台，移动站接收GPS信号和来自CORS系统基站的实时查分信息，进行精准定位。利用前期收集测区内2个已知点，通过点校正，进行测区的参数求取和点校核后进行测量。作业范围可以扩大至更大的范围。

2)在接收机与手薄都不插通讯卡的情况下，可以利用自身携带的智能电话的个人热点模式。通过开放手机热点，利用手薄的WIFI功能连接上热点。其操作模式与设备中存在通讯卡的设置模式相似，唯一区别是同过WIFI热点功能进行测量作业时，手薄设置必须选择手薄差分模式。这总方式的优点是，移动设备的信号接收能力要远大于CORS信号覆盖，可以通过智能手机建立的伪基站对信号进行放大，从而获得更加稳定可靠的数据[3]。