什么是RTK?GPS导航和RTK的基本原理有什么不同?
什么是RTK?GPS导航和RTK的基本原理有什么不同?
极飞农业
2018-06-11 11:56
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官方新闻
极飞农业
2018-06-11 11:56
什么是RTK?GPS导航和RTK的基本原理有什么不同?

极飞科技XAG在 2015 年开始自营作业,当时使用的是单点 GPS, 遇到了各种罗盘干扰、航迹偏移、起降需人工干预等问题;2015 年下半年开始做 RTK 相关的研发,努力实现全自主飞行。极飞的 P系列植保无人机所使用的RTK 是双天线版本,能够测量航向,不受地磁干扰,精准的飞行作为基础实现了全自主飞行和精准的变量喷洒。另外,极飞地理C2000测绘无人机 的拍摄也需要 RTK,因为需要保证高清地图是精确的,这样才能保证在 App 上智能识别农田的边界,实现精准地图,协助规划航线。


RTK 的基本概念
  RTK 有两个重要概念:固定站(也就参考站)和移动站。固定站顾名思义就是固定在地面上为移动站提供参考基准的基站,在使用过程中不可移动,固定基站、云基站和移动基站都是固定站;移动站是进行作业的设备,它使用固定站发送来的差分数据进行 RTK 精准定位,无人机和测绘器都是移动站。国内习惯把GNSS接收机叫成RTK这倒是真的,因为RTK技术的普及,让大家对接收机的作用就“限定”在了RTK,在之前没有RTK时,接收机就是接收机。


RTK测量技术原理

RTK(Real Time Kinematic)实时动态测量技术,是以载波相位观测为根据的实时差分GPS(RTDGPS)技术,它是测量技术发展里程中的一个突破,它由基准站接收机、数据链、 流动站接收机三部分组成。 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,实时地发送给流动站,流动站GPS接收机在接收GPS卫星信号的同时,通过无线接收设备,接收基准站传输的数据,然后根据相对定位的原理,实时解算出流动站的三维坐标及其精度(即基准站和流动站坐标差△X、△Y、△H,加上基准坐标得到的每个点的WGS-84坐标,通过坐标转换参数得出流动站每个点的平面坐标X、Y和海拔高H)。分电台模式和网络通讯模式。


RTK的测量精度包括两个部分,其一是GPS的测量误差,其二是坐标转换带来的误差。

  对于南方RTK设备来说,这两项误差都能够反映,GPS的测量误差在实时测量时可以从手簿上的工程之星中看得到(HRMS 和 VRMS).对于坐标转换误差来说,又可能有两个误差源,一是投影带来的误差,二是已知点误差的传递。当用三个以上的平面已知点进行校正时,计算转换四参数的同时会给出转换参数的中误差(北方向分量和东方向分量,必须通过控制点坐标库进行校正才能得到)。值得注意的是,如果此时发现转换参数中误差比较大(比如,大于5cm),而在采集点时实时显示的测量误差在标称精度范围之内,则可以判定是已知点的问题(有可能找错点或输错点),有可能已知点的精度不够,也有可能已知点的分布不均匀。当平面已知点只有两个时,则只能满足计算坐标转换四参数的必要条件,无多余条件,也就不能给出坐标转换的精度评定,此时,可以从查看四参数中的尺度比ρ来检验坐标转换的精度,该值理想值为1,如果发现ρ偏离1较多(比如:|ρ-1|≧1/40000,超出了工程精度),则在保证GPS测量精度满足要求的情况下,可判定已知点有问题。


总结得到:

  为了保证RTK的高精度,最好有三个以上平面坐标已知点进行校正,而且点精度要均等,并要均匀分布于测区周围,要利用坐标转换中误差对转换参数的精度进行评定.如果利用两点校正,一定要注意尺度比是否接近于1。


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云RTK系统的组成
  云RTK系统除了固定站和移动站,还包括链路(4G网络和数传电台)和云端RTK系统。
  目前极飞提供了两条链路,一条是4G网络,用于与云端RTK系统连接;一条是数传电台,移动基站使用无线电广播基站的差分数据,在蘑菇头上可以看到一个辫子状的天线。


极飞科技的RTK设备
  云基站与固定基站同样固定在地面,可以 24 小时不间断提供数据,与固定基站不同:云基站能够做到“三网三通”(中国移动、联通、电信),提高差分数据传输的可靠性;云基站已经没有内置电台,完全与云端连接,也更省电,能够长时间使用;云基站采用全新的硬件方案,未来云基站将会有更多智能功能,也会更容易部署和维护,包括云基站的报警、预告、提醒等,敬请期待。
  2018 年,极飞科技会着重架设云基站,增加覆盖范围,减少架设移动基站,节约时间与成本,2018 款蘑菇头的三网三通也能更好的适应国情。

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GPS导航和RTK的基本原理

         GPS即全球定位系统(Global Positioning System)是美国从本世纪70年**始研制,历时20年,耗资200亿美元,于1994年全面建成的卫星导航定位系统。作为新一代的卫星导航定位系统经过二十多年的发展,已成为在航空、航天、军事、交通运输、资源勘探、通信气象等所有的领域中一种被广泛采用的系统。我国测绘部门使用GPS也近十年了,它最初主要用于高精度大地测量和控制测量,建立各种类型和等级的测量控制网,现在它除了继续在这些领域发挥着重要作用外还在测量领域的其它方面得到充分的应用,如用于各种类型的工程测量、变形观测、航空摄影测量、海洋测量和地理信息系统中地理数据的采集等。GPS以测量精度高;操作简便,仪器体积小,便于携带;全天候操作;观测点之间无须通视;测量结果统一在WGS84坐标下,信息自动接收、存储,减少繁琐的中间处理环节、高效益等显著特点,赢得广大测绘工作者的信赖。GPS是靠天吃饭,看不见摸不着,总结起来有三个知识点非常重要:RTK 共用卫星原理;环境对 RTK 的影响;卫星像天上的星星一样,时刻在飞,不同时间看到的卫星不一样。

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  上图解释了 GPS 共用卫星的工作原理,虚线代表着基站或无人机能够正常使用的卫星,中间的三颗卫星是重合的,代表着二者可以共同使用的。根据这个原理,无论是基站还是移动站的卫星被遮挡,无人机的能够进行 RTK 定位的卫星就会变少。
  因此在防风林、山区等条件恶劣的地区,基站不能架设在有遮挡物的位置,否则将导致 RTK 的不稳定;在山区尽可能架在高处,尽可能开阔。有遮挡的环境要注意共用卫星的问题,飞机和基站尽可能看到同一片尽可能大的天空。
  GPS 误差的环境因素有很多,最主要影响有电离层、天气和干扰等,这三种从本质上讲都是影响了 GPS 的信号(电磁波)。基站和移动站两端的电磁环境越相似, RTK 越稳定。
  

          我们知道,在利用GPS进行定位时,会受到各种各样因素的影响(见上节中的GPS误差源),为了消除这些误差源,必须使用两台以上的GPS接收机同步工作.GPS静态测量的方法是各个接收机独立观测,然后用后处理软件进行差分解算。那么对于RTK测量来说,仍然是差分解算,只不过是实时的差分计算。

  也就是说,两台接收机(一台基准站,一台流动站)都在观测卫星数据,同时,基准站通过其发射电台把所接收的载波相位信号(或载波相位差分改正信号)发射出去;那么,流动站在接收卫星信号的同时也通过其接收电台接收基准站的电台信号;在这两信号的基础上,流动站上的固化软件就可以实现差分计算,从而精确地定出基准站与流动站的空间相对位置关系。在这一过程中,由于观测条件、信号源等的影响会有误差,即为仪器标定误差,一般为平面1cm+1ppm,高程2cm+1ppm.


GPS高程测量

  一、高程系统


  1、高程系统

  (1)大地高(Hg)

  (2)正常高/正高(Hr/hg)


  2、大地高系统

  大地高系统是以参考椭球面为基准面的高程系统。某点的大地高是该点到通过该点的参考椭球的法线与参考椭球面的交点间的距离。大地高也称为椭球高,大地高一般用符号H表示。大地高是一个纯几何量,不具有物理意义,同一个点,在不同的基准下,具有不同的大地高。


  3、正高系统

  正高系统是以大地水准面为基准面的高程系统。某点的正高是该点到通过该点的铅垂线与大地水准面的交点之间的距离,正高用符号hg表示。


  4、正常高系统

  正常高系统是以似大地水准面为基准的高程系统。某点的正常高是该点到通过该点的铅垂线与似大地水准面的交点之间的距离,正常高用Hr表示。


  5、高程系统之间的转换关系

  Hr=H-r

  Hg=H-hg


  二、GPS测高方法


  1、等值线图法

  从高程异常图或大地水准面差距图分别查出各点的高程异常或大地水准面差距,然后分别采用下面两式可计算出正常高和正高。

  在采用等值线图法确定点的正常高和正高时要注意以下几个问题:

  (1)注意等值线图所适用的坐标系统,在求解正常高或正高时,要采用相应坐标系统的大地高数据。

  (2)采用等值线图法确定正常高或正高,其结果的精度在很大程度上取决于等值线图的精度。


  2、大地水准面模型法

  地球模型法本质上是一种数字化的等值线图,目前国际上较常采用的地球模型有OSU91A等。不过可惜的是这些模型均不适合于我国。


  3、拟合法

  (1)基本原理

  所谓高程拟合法就是利用在范围不大的区域中,高程异常具有一定的几何相关性这一原理,采用数学方法,求解正高、正常高或高程异常


  (2)注意事项

  –适用范围

  上面介绍的高程拟合的方法,是一种纯几何的方法,因此,一般仅适用于高程异常变化较为平缓的地区(如平原地区),其拟合的准确度可达到一个分米以内。对于高程异常变化剧烈的地区(如山区),这种方法的准确度有限,这主要是因为在这些地区,高程异常的已知点很难将高程异常的特征表示出来。

  – 选择合适的高程异常已知点

  所谓高程异常的已知点的高程异常值一般是通过水准测量测定正常高、通过GPS测量测定大地高后获得的。在实际工作中,一般采用在水准点上布设GPS点或对GPS点进行水准联测的方法来实现,为了获得好的拟合结果要求采用数量尽量多的已知点,它们应均匀分布,并且最好能够将整个GPS网包围起来。


         高程异常已知点的数量

  若要用零次多项式进行高程拟合时,要确定1个参数,因此,需要1个以上的已知点;若要采用一次多项式进行高程拟合,要确定3个参数,需要3个以上的已知点;若要采用二次多项式进行高程拟合,要确定6个参数,则需要6个以上的已知点。


 

以 RTK 的覆盖范围为例 

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  电离层:越靠近赤道,电离层越活跃,使得基站和移动站两端的电磁环境随着距离拉远就越不相似,所以经验上,低纬度地区的基站有效覆盖距离小,高纬度地区的距离远。如广州一般是 35 km是极限,而新疆可以到 70 km,每个地方的经验值都不一样。


  天气:作业区域天晴,而基站那边阴天和下雨,这时候 GPS 信号经过层到达设备的信号就不一样了,RTK 的有效距离也会缩短。
  所有跟电有关都会有电磁波辐射(无线电),都有可能造成干扰。根据经验,常见的干扰源有:高压线、对讲机、雷达站、移动铁塔。具体的案例:


案例分享
  案例一:无人机都在飞行中同时出现了丢星迫降,随后发现旁边有一条高速高路,我们分析是路过的某台车上有人开了大功率的车载电台,干扰了这一片区域的 GPS 信号。
  案例二:某客户把基站架设在高压线下,几十米外的飞机一直在 FLOAT 状态,原因是基站观测到的卫星信号与飞机观测到的卫星信号有极大不同。高压线产生的电磁波干扰了 GPS 信号。
  卫星一直在天上飞行,不同时刻看到的卫星是不同的。在遮挡环境下,比如在防风林边上飞,由于卫星数和信号质量都随时在变化,可能发生今天在这边飞行很稳定,但其它时间则可能有发生退出 RTK 的危险。此外,出于国家经济发展的考虑,各国对其卫星轨道的设置也不同,比如:我国在沿海经济地区,北斗的卫星数会多一些;GPS 在美国本土的覆盖会更好。因此我们选用的是三系统(GPS, GLONASS 和北斗)的高精度板卡,在不同地区能够使用尽可能多的卫星来提高稳定性。


移动基站的使用场景
  移动基站采用双链路数据,即 4G 网络和数传电台。
  在使用时,需要先搜索移动基站或设置数传的通道,飞机收到从数传来的差分数据之后,再自动向云 RTK 请求连接这个移动基站。
  这两条链路是互补的,比如这一秒没有收到数传来的差分数据,但网络信号还在,飞机就可以继续使用从云RTK 来的差分数据进行持续的精准定位。这样,就提高了 RTK 的稳定性。因此,在山区等地形复杂或离云基站较远的区域作业时,使用移动基站会是一个不错的选择。

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