GPS 和 RTK 定位

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GPS定位的基本原理

测量出已知位置的卫星到地面GPS接收器之间的距离,然后接收器通过与至少4颗卫星通讯,计算与这些卫星间的距离,就能确定其在地球上的具体位置。普通GPS的定位精度 ≥ 1米,信号误差有50%的概率会达到2米以上。这一点被手机GPS导航坑过的人肯定有所体会。另外,GPS无法支持精准定高,误差可能高达十几米。

GPS 定位产生误差的原因

1、大气层影响:大气层中的电离层和对流层对电磁波的折射效应,使得GPS信号的传播速度发生变化,从而让GPS信号产生延迟。

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2、卫星星历误差:由于卫星运行中受到复杂的外力作用,而地面控制站和接收终端无法测定和掌握其规律,从而无法消除产生的误差。

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3、卫星钟差:卫星钟差是指GPS卫星时钟与GPS标准时间的差别。卫星上使用铯原子钟,所以两者的时间也许不同步,就像你的手表跟你家客厅挂钟的时间不同步一样

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4、多路径效应:GPS信号也有可能是在不同的障碍物上反射后才被接收到,这就是所谓的“多路径效应”。

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RTK

RTK(Real - time kinematic,实时动态)载波相位差分技术,是实时处理两个测量站载波相位观测量的差分方法,将基准站采集的载波相位发给用户接收机,进行求差解算坐标。这是一种新的常用的GPS测量方法,以前的静态、快速静态、动态测量都需要事后进行解算才能获得厘米级的精度,而RTK是能够在野外实时得到厘米级定位精度的测量方法,它采用了载波相位动态实时差分方法,是GPS应用的重大里程碑,它的出现为工程放样、地形测图,各种控制测量带来了新曙光,极大地提高了外业作业效率。

RTK简介

RTK工作原理

基准站建在已知或未知点上;基准站接收到的卫星信号通过无线通信网实时发给用户;用户接收机将接收到的卫星信号和收到基准站信号实时联合解算,求得基准站和流动站间坐标增量(基线向量)。站间距30公里,平面精度1-2厘米

综述

高精度的GPS测量必须采用载波相位观测值,RTK定位技术就是基于载波相位观测值的实时动态定位技术,它能够实时地提供测站点在指定坐标系中的三维定位结果,并达到厘米级精度。在RTK作业模式下,基准站通过数据链将其观测值和测站坐标信息一起传送给流动站。流动站不仅通过数据链接收来自基准站的数据,还要采集GPS观测数据,并在系统内组成差分观测值进行实时处理,同时给出厘米级定位结果,历时不足一秒钟。流动站可处于静止状态,也可处于运动状态;可在固定点上先进行初始化后再进入动态作业,也可在动态条件下直接开机,并在动态环境下完成整周模糊度的搜索求解。在整周未知数解固定后,即可进行每个历元的实时处理,只要能保持四颗以上卫星相位观测值的跟踪和必要的几何图形,则流动站可随时给出厘米级定位结果。

RTKLIB是日本东京海洋大学(Tokyo University of Marine Science and Technology)开发的一个开放源程序包,供标准与精确GNSS全球导航卫星系统应用。RTKLIB包括一个可移植的程序库和几个应用程序(AP)库。

RTKLIB的特点:

(1)支持标准的和精确的定位算法:

GPS,GLONASS,QZSS准天顶卫星系统,北斗SBAS

(2)支持多种定位模式与GNSS实时和后处理:

单点,DGPS / DGNSS,动态的,静态的,移动基线,定点,PPP运动,PPP静态和PPP定点

(3)支持多种标准格式和协议GNSS:

RINEX 2.10,2.11,2.12 OBS /NAV/ GNAV / HNAV,RINEX 3.00 OBS / NAV,RINEX 3.00CLK,RTCM V.2.3,V.3.1 RTCM 1.0,NTRIP,RTCA/DO-229C,NMEA 0183,SP3-C,IONEX 1.0,ANTEX 1.3,NGS PCV和EMS 2.0.

NVS Technologies AG公司NV08C系列GNSS模块经测定支持RTKlib应用。

技术

随着卫星定位技术的快速发展,人们对快速高精度位置信息的需求也日益强烈。而目前使用最为广泛的高精度定位技术就是RTK(实时动态定位:Real-Time Kinematic),RTK技术的关键在于使用了GPS的载波相位观测量,并利用了参考站和移动站之间观测误差的空间相关性,通过差分的方式除去移动站观测数据中的大部分误差,从而实现高精度(分米甚至厘米级)的定位。

RTK技术在应用中遇到的最大问题就是参考站校正数据的有效作用距离。GPS误差的空间相关性随参考站和移动站距离的增加而逐渐失去线性,因此在较长距离下(单频>10km,双频>30km),经过差分处理后的用户数据仍然含有很大的观测误差,从而导致定位精度的降低和无法解算载波相位的整周模糊。所以,为了保证得到满意的定位精度,传统的单机RTK的作业距离都非常有限。

为了克服传统RTK技术的缺陷,在20世纪90年代中期,人们提出了网络RTK技术。在网络RTK技术中,线性衰减的单点GPS误差模型被区域型的GPS网络误差模型所取代,即用多个参考站组成的GPS网络来估计一个地区的GPS误差模型,并为网络覆盖地区的用户提供校正数据。而用户收到的也不是某个实际参考站的观测数据,而是一个虚拟参考站的数据,和距离自己位置较近的某个参考网格的校正数据,因此网络RTK技术又被称为虚拟参考站技术(Virtual Reference)

差分就是把GPS的误差想方设法分离出。在已知位置的参考点上装上移动基站,就能知道定位信号的偏差。将这个偏差发送给需要定位的移动站,移动站就可以获得更精准的位置信息。
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