RTK技术原理及应用PPT课件.ppt

网络RTK技术及应用薛晓轩吉林省第一测绘院2010年01月10日 1全球定位系统 GPS授时与测距导航系统 全球定位系统 NavigationSatelliteTimingandRanging GlobalPositioningSystem GPS 是以人造卫星为基础的无线电导航系统 可提供高精度 全天候 实时动态定位 定时及导航服务 1 1GPS系统由三个独立的部分组成 空间部分 21颗工作卫星 3颗备用卫星 白色 它们在高度20200km的近圆形轨道上运行 分布在六个轨道面上 轨道倾角55 两个轨道面之间在经度上相隔60 每个轨道面上布放四颗卫星 卫星在空间的这种配置 保障了在地球上任意地点 任意时刻 至少同时可见到四颗卫星 地面支撑系统 1个主控站 3个注入站 5个监测站 它向GPS导航卫星提供一系列描述卫星运动及其轨道的参数 监控卫星沿着预定轨道运行 保持各颗卫星处于GPS时间系统及监控卫星上各种设备是否正常工作等 用户设备部分 GPS接收机 接收卫星信号 经数据处理得到接收机所在点位的导航和定位信息 通常会显示出用户的位置 速度和时间 还可显示一些附加数据 如到航路点的距离和航向或提供图示 GPS控制网 国家测绘局 1 2GNSS定位的基本原理 1 绝对定位 1 2GNSS定位的基本原理 2 需解决的两个关键问题如何确定卫星的位置如何测量出站星距离 1 3GPS卫星信号的组成和观测值类型 1 GPS卫星信号的组成部分载波 Carrier L1L2测距码 RangingCode C A码 目前只被调制在L1上 新一代卫星L2上 P Y 码 被分别调制在L1和L2上 卫星 导航 电文 Message GNSS定位技术发展历史 非差相位精密单点定位 PPP 网络RTK技术 伪距单点定位 伪距差分定位 载波静态定位 绝对定位 相对定位 常规RTK 广域差分定位 定位技术 X 第一代 第二代 第三代 第四代 目前GNSS定位研究的热点 非差相位精密单点定位技术结合广域差分技术和单点定位技术 要求 精密卫星轨道 卫星钟参数 定位精度 0 1 0 5m网络RTK定位技术结合RTK和基准站技术要求 在区域内架设多个基准站定位精度 0 01 0 05m 水平实时 精密单点定位概念及原理 利用预报的GPS卫星的精密星历或事后的精密星历作为已知坐标起算数据 同时利用某种方式得到的精密卫星钟差来替代用户GPS定位观测值方程中的卫星钟差参数 用户利用单台GPS双频双码接收机的观测数据在在数千万平方公里乃至全球范围内的任意位置都可以分米级的精度进行实时动态定位或以厘米级的精度进行较快速的静态定位 这一导航定位方法称为精密单点定位 PrecisePointPositioning 简称为 PPP 精密单点定位优缺点 优点 处理非差伪距和相位观测值估计位置 接收机钟差 对流层延迟历元支持静态和动态定位支持全球定位与坐标框架直接联系无需基准站支持即可实现厘米级到分米级定位提高效益 降低成本挑战卫星星历和钟差的可用性问题相位模糊度收敛问题误差处理问题 与卫星有关的误差卫星轨道误差卫星钟差相对论效应与传播途径有关的误差电离层延迟对流层延迟多路径效应与接收设备有关的误差接收机天线相位中心的偏移和变化接收机钟差接收机内部噪声 1 5GNSS误差源的分类 消除或消弱各种误差影响的方法 模型改正法原理 利用模型计算出误差影响的大小 直接对观测值进行修正适用情况 对误差的特性 机制及产生原因有较深刻了解 能建立理论或经验公式所针对的误差源相对论效应电离层延迟对流层延迟卫星钟差限制 有些误差难以模型化 消除或消弱各种误差影响的方法 求差法原理 通过观测值间一定方式的相互求差 消去或消弱求差观测值中所包含的相同或相似的误差影响适用情况 误差具有较强的空间 时间或其它类型的相关性 所针对的误差源如电离层延迟对流层延迟卫星轨道误差限制 空间相关性将随测站间距离的增加而减弱 消除或消弱各种误差影响的方法 参数法原理 采用参数估计的方法 将系统性偏差求定出来适用情况 几乎适用于任何的情况限制 不能同时将所有影响均作为参数来估计 3 常规RTK技术 3 1概述3 2RTK类型3 3RTK系统3 4RTK的作业误差3 5多基准站RTK3 6RTK应用常见问题 3 1RTK概述 RTK RealTimeKinematics 利用载波相位进行实时定位 RTK算法本质上是载波相位相对处理 单差 双差 RTK技术的关键是动态双差整周模糊度搜索和定位可靠性 FARA技术LAMDA技术双频P码技术OTF技术 3 2RTK类型 载波相位差分基准站发送未改正的观测值RTCMSC 104数据报文18 19精度 厘米级准载波相位差分基准站发送载波相位改正值RTCMSC 104数据报文20 21精度 分米级 3 3RTK系统 基准站单元 数据链单元 流动站单元 基准站 流动站 RTK系统 基准站 要求 双频 具有RTK差分基准站数据输出功能 带有可抑制多路径效应的天线 观测值 P1 P2 L1 L2采样率 根据实际要求 一般要求1S或以上 输出 RTCMSC104标准格式或CMRplus 结构 GPS接收机 天线 数据发播设备 3 4RTK作业误差 与卫星有关与传播路径有关与接收机有关与观测环境有关 3 5多基站RTK 流动站处理方式单站处理根据信号强度或距离选择基准站进行常规RTK作业在某基准站出问题的情况下进行切换 本质上是常规RTK 要求流动站通信设备具备自动扫频功能 多站处理同时接收各基准站数据 处理时进行加权或组合处理对接收机运算能力要求很高要求流动站通信设备具备多通道接收能力 3 6RTK常见问题 可用性可靠性适用性定位延迟 常规RTK存在的问题 工作距离短定位精度随距离的增加而显著降低单参考站模式可靠性差大的区域内作业需要多次设站或设立多个参考站 2020 1 7 27 RTK作业可用性问题 可用性问题 初始化时间过长 浮动解到固定解的时间 主要受卫星数 电离层 多路径等综合影响 空间可用性距离 一般作业不要超过15km 南方地区更短 环境 实验表明 距离地面1 2米的地方多路径影响最为明显 时间可用性时间段 避免中午及下午电离层高峰时期的作业卫星数 6颗卫星作业较为可靠 RTK作业中可靠性的问题 可靠性问题 固定解的可靠程度精度指标 各种仪器给出的RTK精度实际上是固定整周后的定位精度 内符合 不是与已知结果的比较 外符合 整周固定 某些情况下固定的整周数是错误的 内符合很好 但外符合很差 可靠性指标 某些仪器给出了95 99 或者99 999 的精度指标 实际是可靠性指标 即达到正常精度的概率 RTK作业中适用性和定位延迟 适用性问题 遮挡条件下的作业原因 遮挡造成信号失锁 导致重新搜索整周解决方法 单历元整周模糊度的固定 但目前的算法可靠性不高 是目前的研究热点 运动中初始化 OTF 必须具备双频 采样率提高会有一定的好处 定位延迟原因 信号传输 RTK计算解决方法 控制运动速度 正反向运动 5 1网络RTK技术的定义 网络RTK技术在某一区域内建立多个 一般为3个或3个以上 的GNSS基准站 对该地区构成网状覆盖 并以这些基准站中的一个或多个为基准 计算和发播GNSS改正信息 对该地区内的GNSS用户进行实时改正的定位方式 称为GNSS网络RTK 网络RTK技术包括了利用连续运行GNSS参考站网络 计算机网络通讯 无线通讯 GNSS高精度定位技术等 为覆盖范围内的流动站用户实时提供高精度的GNSS定位结果的一系列技术 网络RTK系统利用网络RTK技术建立起来的实时GNSS连续运行卫星定位服务网络 硬件 软件 服务综合 网络RTK PPP和CORS 网络RTK是一种技术 是相对于常规RTK提出出来的 PPP是一种技术 是相对应单点定位 SPP 提出来的 网络RTK系统是CORS系统中为用户提供实时高精度动态定位服务系统CORS是一种基础设施 系统 可以应用网络RTK技术 PPP技术为用户提供实时服务 同时CORS还具有很多其他的功能 连续运行卫星定位服务系统 CORS CORS是利用GNSS技术 计算机网络技术 通信技术组成的网络 提供移动定位 动态框架等空间位置信息的服务系统 CORS不仅是动态的 连续的空间数据参考框架 同时也是快速 高精度获取空间数据和地理特征的设施之一 CORS是地球空间信息网格的网格具体应用 同时也是RT CORS也是构造层重要的组成部分 提供网格框架基准 5 2网络RTK技术的基本思想 目的解决差分GNSS定位中 流动站离基准站距离较远情况下 差分观测值的某些误差残余大 对流层 电离层等 无法实现精确定位的问题 方法利用流动站周围的基准站的观测数据和已知坐标 计算出流动站处的误差改正数 5 3网络RTK的优势 相对于常规RTK 覆盖范围更广成本更低精度和可靠性更高应用范围更广改进了OTF初始化时间 常规RTK与网络RTK 覆盖范围和精度 5 5网络RTK系统示意图 网络RTK系统示意图 网络RTK系统的作用 提供GPS基准站原始数据服务分米级实时定位可以满足城市和市政测图 资源管理 精细农业 环境监测 水利测量 车辆自动定位导航系统 GIS 资产和市政管理等厘米级高精度定位可以满足地籍测量 建筑放样和施工控制 港口和受限制水道的精密导航 线路道路测量 高精度资产管理 地形测量和工程测量 油气勘探等 网络RTK系统流动站通讯作业模式 单向数据通讯用户数量不限全网统一播发误差改正数 流动站的误差在流动站处计算用户只接收 不发播双向数据通讯用户具有数量限制用户发播自己的概略位置 处理中心计算相应的误差改正数或生成虚拟观测值 回发给用户 5 6网络RTK定位中误差的分类及处理方法 与接收机测站有关的误差接收机钟差 单点定位求出概略钟差 星间求差消除 接收机天线相位偏差 参数改正 固体潮改正 基线长度100km模型改正 大洋负荷改正 离海岸线距离 1000km忽略 1000km模型改正 地球自转改正 模型改正 与卫星有关的误差卫星钟差 星历中参数模型改正 多基准参数估计 测站间求差消除 卫星轨道误差 多基准参数估计 线性组合消除 精密星历 天线相位偏差 发射前测定 直接进行改正 相对论效应 发射前人为调整 与信号传播有关的误差对流层延迟 模型改正 多基准参数估计 电离层延迟 模型改正 无电离层组合 多基准参数估计 多路径效应 抑径圈 好的观测条件 多路径误差与多路径效应 多路径 Multipath 误差在GPS测量中 被测站附近的物体所反射的卫星信号 反射波 被接收机天线所接收 与直接来自卫星的信号 直接波 产生干涉 从而使观测值偏离真值产生所谓的 多路径误差 多路径效应由于多路径的信号传播所引起的干涉时延效应称为多路径效应 应对多路径误差的方法 观测上选择合适的测站 避开易产生多路径的环境 易发生多路径的环境 应对多路径误差的方法 硬件上采用抗多路径误差的仪器设备抗多路径的天线 带抑径板或抑径圈的天线 极化天线抗多路径的接收机 窄相关技术MEDLL MultipathEstimatingDelayLockLoop 等 抗多路径效应的天线 5 8网络RTK目前主要技术和方法 虚拟参考站 VRS HerbertLandau等2001提出 Trimble 基本思想 虚拟参考站观测值作业模式 双向数据通讯主辅站技术 MAX 徕卡公司基于 主辅站概念 提出基本思想 主辅站误差改正数作业模式 双向数据通讯 单向数据通讯区域改正参数法 FKP 德国的Geo GmbH最早提出基本思想 区域误差改正参数作业模式 单向数据通讯综合误差内插法 CBI 武汉大学卫星导航定位技术研究中心基本思想 综合误差作业模式 双向数据通讯 单向数据通讯 虚拟参考站法 VRS HerbertLandau等2001提出 Trimble 基本思想利用参考站网数据建立起各种误差模型流动站先发送概略坐标给数据处理中心 数据处理中心生成虚拟参考站观测值 并回传给流动站流动站利用虚拟参考站数据和流动站数据进行差分 得到高精度定位结果作业模式双向数据通讯 VRS作业流程 网络RTK系统精度测试方法 静态已知点检测方法与后处理结果比较的检测方法动态规则几何轨迹检测方法固定基线长度相对检测方法 静态已知点检测方法 检测方法系统定位覆盖区域内 选择具有代表性的坐标精确已知的检测点 将动态用户接收机架设在已知点上 进行实时定位 并记录结果文件 然后对实时定位结果进行统计分析 得到在检测点实时定位的内 外符合精度优点易实现绝对值比较 准确反映精度缺点模拟动态测量 不能完全反映GPS定位用户在运动时能达到的精度 静态检测需要已知检测点的精确坐标 但在某些测量区域可能很难找到已知点 或者是根本就不存在 例如在海面或者湖面上