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载波相位差分技术

日期:2016-06-12 / 人气:

        RTK(Real - time kinematic)载波相位差分技术,是实时处理两个测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。

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开发(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)

关键技术

        RTK技术的关键在于数据处理技术和数据传输技术,RTK定位时要求基准站接收机实时地把观测数据(伪距观测值,相位观测值)及已知数据传输给流动站接收机,数据量比较大,一般都要求9600的波特率,这在无线电上不难实现。
        随着科学技术的不断发展,rtk技术已由传统的1+1或1+2发展到了广域差分系统WADGPS,有些城市建立起CORS系统,这就大大提高了RTK的测量范围,当然在数据传输方面也有了长足的进展,电台传输发展到现在的GPRS和GSM网络传输,大大提高了数据的传输效率和范围。在仪器方面,不仅精度高而且比传统的RTK更简洁、容易操作!

如何应用及注意事项

        1.各种控制测量传统的大地测量、工程控制测量采用三角网、导线网方法来施测,不仅费工费时,要求点间通视,而且精度分布不均匀,且在外业不知精度如何,采用常规的GPS静态测量、快速静态、伪动态方法,在外业测设过程中不能实时知道定位精度,如果测设完成后,回到内业处理后发现精度不合要求,还必须返测,而采用RTK来进行控制测量,能够实时知道定位精度,如果点位精度要求满足了,用户就可以停止观测了,而且知道观测质量如何,这样可以大大提高作业效率。如果把RTK用于公路控制测量、电力线路测量、水利工程控制测量、大地测量、则不仅可以大大减少人力强度、节省费用,而且大大提高工作效率,测一个控制点在几分钟甚至于几秒钟内就可完成。
        2.地形测图 过去测地形图时一般首先要在测区建立图根控制点,然后在图根控制点上架上全站仪或经纬仪配合小平板测图,现在发展到外业用全站仪和电子手簿配合地物编码,利用大比例尺测图软件来进行测图,甚至于发展到最近的外业电子平板测图等等,都要求在测站上测四周的地貌等碎部点,这些碎部点都与测站通视,而且一般要求至少2-3人操作,需要在拼图时一旦精度不合要求还得到外业去返测,采用RTK时,仅需一人背着仪器在要测的地貌碎部点呆上一二秒种,并同时输入特征编码,通过手簿可以实时知道点位精度,把一个区域测完后回到室内,由专业的软件接口就可以输出所要求的地形图,这样用RTK仅需一人操作,不要求点间通视,大大提高了工作效率,采用RTK配合电子手簿可以测设各种地形图,如普通测图、铁路线路带状地形图的测设,公路管线地形图的测设,配合测深仪可以用于测水库地形图,航 海海洋测图等等。
        3.施工放样是测量一个应用分支,它要求通过一定方法采用一定仪器把人为设计好的点位在实地给标定出来,过去采用常规的放样方法很多,如经纬仪交会放样,全站仪的边角放样等等,一般要放样出一个设计点位时,往往需要来回移动目标,而且要2-3人操作,同时在放样过程中还要求点间通视情况良好,在生产应用上效率不是很高,有时放样中遇到困难的情况会借助于很多方法才能放样,如果采用RTK技术放样时,仅需把设计好的点位坐标输入到电子手簿中,背着GPS接收机,它会提醒你走到要放样点的位置,既迅速又方便,由于GPS是通过坐标来直接放样的,而且精度很高也很均匀,因而在外业放样中效率会大大提高,且只需一个人操作。
         注意事项:该方法要求接收机在观察过程中,保持对所测卫星的连续跟踪。一旦发生失锁,便需重新进行初始化的工作。
成功案例(RTK助力皖电东送工程)
        “皖电东送”淮南至上海特高压输变电工程淮河大跨越主体工程完工.运用了国际最顶级特高压输电技术的皖电东送工程,今天在近200米高空,成功完成了淮河大跨越施工,再次实现了我国电网建设的突破。
        特高压是指交流1000千伏及以上和直流正负800千伏及以上的电压等级。和一般输电线路相比,特高压具有输送容量大,输送距离远,电量损耗低等优点。但同时,它的技术难度和对设备的要求都是很高的,上世纪60-90年代,前苏联、美国、日本、意大利等国开展了特高压交流输电前期研究,都没能形成成熟的技术和装备。而在我国不但在特高压理论创新、技术攻关、工程实践等方面取得了全面突破,并且已经成为世界上首个,也是唯一一个成功掌握,并且实际运用了这项尖端技术的国家。
        应用高精度GIS采集测量技术,可以凭借精确的GPS定位功能、厘米级采集精度、实时数据交互、高稳定的性能等特性在电力勘察设计、施工、放样等方面发挥作用,为设计、施工及决策人员提供精确的数据来源,为电力系统信息化的建设和管理提供可靠的依据。
        目前我国已经建成并商业化运行3条特高压输电线路,包括“皖电东送”工程,正在建设的还有三条特高压线路,按照规划,我国将在特高压骨干网的基础上建成覆盖全国的智能电网,进一步缓解能源分布与使用不协调的矛盾。

编辑:SNR