RTK技术原理和应用.pptx

1 全球定位系统-GPS 授时与测距导航系统/全球定位系统(Navigation Satellite Timing and Ranging/Global Positioning System-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。第1页/共53页1.1 GPS系统由三个独立的部分组成系统由三个独立的部分组成空间部分空间部分：21颗工作卫星，3颗备用卫星（白色）。它们在高度20 200km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。第2页/共53页 地面支撑系统地面支撑系统地面支撑系统地面支撑系统：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。第3页/共53页用户设备部分用户设备部分用户设备部分用户设备部分：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。第4页/共53页GPS控制网国家测绘局第5页/共53页1.2 GNSS1.2 GNSS定位的基本原理定位的基本原理(1)(1)绝对定位第6页/共53页1.2 GNSS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第7页/共53页1.3 GPS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（Ranging Code）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）第8页/共53页GNSSGNSS定位技术发展历史定位技术发展历史非差相位精密单点定位非差相位精密单点定位（PPPPPP）网络网络RTKRTK技术技术伪距单点定位伪距单点定位伪距差分定位伪距差分定位载波静态定位载波静态定位绝对定位绝对定位相对定位相对定位常规常规RTKRTK广域差分定位广域差分定位定位技术-X第一代第一代第二代第二代第三代第三代第四代第四代第9页/共53页目前目前GNSSGNSS定位研究的热点定位研究的热点 非差相位精密单点定位技术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：0.1-0.5 m 网络网络RTKRTK定位技术定位技术结合RTK和基准站技术要求：在区域内架设多个基准站定位精度：（水平实时）第10页/共53页精密单点定位概念及原理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（Precise Point Positioning），简称为（PPP）。第11页/共53页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第12页/共53页与与卫星有关的误差卫星有关的误差n卫星轨道误差n卫星钟差n相对论效应与传播途径有关的误差与传播途径有关的误差n电离层延迟n对流层延迟n多路径效应与接收设备有关的误差与接收设备有关的误差n接收机天线相位中心的偏移和变化n接收机钟差n接收机内部噪声1.5 GNSS1.5 GNSS误差源的分类误差源的分类第13页/共53页消除或消弱各种误差影响的方法消除或消弱各种误差影响的方法模型改正法模型改正法原理：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第14页/共53页消除或消弱各种误差影响的方法消除或消弱各种误差影响的方法 求差法求差法原理：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第15页/共53页消除或消弱各种误差影响的方法消除或消弱各种误差影响的方法 参数法参数法原理：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限制：不能同时将所有影响均作为参数来估计第16页/共53页3.常规RTK技术3.1 3.1 概述概述3.2 RTK3.2 RTK类型类型3.3 RTK3.3 RTK系统系统3.4 RTK3.4 RTK的作业误差的作业误差3.5 3.5 多基准站多基准站RTKRTK3.6 RTK3.6 RTK应用常见问题应用常见问题第17页/共53页3.1 RTK3.1 RTK概述概述 RTK（Real Time Kinematics）：利用载波相位进行实时定位。nRTK算法本质上是载波相位相对处理：单差，双差。nRTK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 技术第18页/共53页3.2 RTK3.2 RTK类型类型 载波相位差分载波相位差分 基准站发送未改正的观测值基准站发送未改正的观测值 RTCM SC-104RTCM SC-104数据报文数据报文 1818，1919 精度：厘米级精度：厘米级 准载波相位差分准载波相位差分 基准站发送载波相位改正值基准站发送载波相位改正值 RTCM SC-104RTCM SC-104数据报文数据报文 2020，2121 精度：分米级精度：分米级第19页/共53页3.3 RTK3.3 RTK系统系统 基准站单元，数据链单元，流动站单元基准站单元，数据链单元，流动站单元基准站基准站流动站流动站第20页/共53页RTKRTK系统系统-基准站基准站要求：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：RTCM SC104标准格式或CMR plus。结构：GPS接收机、天线、数据发播设备第21页/共53页3.4 RTK3.4 RTK作业误差作业误差n与卫星有关n与传播路径有关n与接收机有关n与观测环境有关第22页/共53页3.5 3.5 多基站多基站RTKRTK流动站处理方式流动站处理方式流动站处理方式流动站处理方式单站处理单站处理单站处理单站处理 根据信号强度或距离选择基准站进行常规根据信号强度或距离选择基准站进行常规根据信号强度或距离选择基准站进行常规根据信号强度或距离选择基准站进行常规RTKRTK作作作作业业业业 在某基准站出问题的情况下进行切换。在某基准站出问题的情况下进行切换。在某基准站出问题的情况下进行切换。在某基准站出问题的情况下进行切换。本质上是常规本质上是常规本质上是常规本质上是常规RTKRTK。要求流动站通信设备具备自动扫频功能。要求流动站通信设备具备自动扫频功能。要求流动站通信设备具备自动扫频功能。要求流动站通信设备具备自动扫频功能。多站处理多站处理多站处理多站处理 同时接收各基准站数据，处理时进行加权或组合同时接收各基准站数据，处理时进行加权或组合同时接收各基准站数据，处理时进行加权或组合同时接收各基准站数据，处理时进行加权或组合处理处理处理处理 对接收机运算能力要求很高对接收机运算能力要求很高对接收机运算能力要求很高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。要求流动站通信设备具备多通道接收能力。要求流动站通信设备具备多通道接收能力。要求流动站通信设备具备多通道接收能力。第23页/共53页3.6 RTK3.6 RTK常见问题常见问题可用性可用性可靠性可靠性适用性适用性定位延迟定位延迟第24页/共53页常规RTK存在的问题 工作距离短工作距离短工作距离短工作距离短 定位精度随距离的增加而显著降低定位精度随距离的增加而显著降低定位精度随距离的增加而显著降低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单参考站模式可靠性差单参考站模式可靠性差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大的区域内作业需要多次设站或设立多个大的区域内作业需要多次设站或设立多个大的区域内作业需要多次设站或设立多个参考站。参考站。参考站。参考站。第25页/共53页RTKRTK作业可用性问题作业可用性问题可用性问题：初始化时间过长（浮动解到固可用性问题：初始化时间过长（浮动解到固可用性问题：初始化时间过长（浮动解到固可用性问题：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、多定解的时间），主要受卫星数、电离层、多定解的时间），主要受卫星数、电离层、多定解的时间），主要受卫星数、电离层、多路径等综合影响。路径等综合影响。路径等综合影响。路径等综合影响。空间可用性空间可用性空间可用性空间可用性 距离：一般作业不要超过距离：一般作业不要超过距离：一般作业不要超过距离：一般作业不要超过15km15km，南方地区更，南方地区更，南方地区更，南方地区更短。短。短。短。环境：实验表明，距离地面环境：实验表明，距离地面环境：实验表明，距离地面环境：实验表明，距离地面1-21-2米的地方多路米的地方多路米的地方多路米的地方多路径影响最为明显。径影响最为明显。径影响最为明显。径影响最为明显。时间可用性时间可用性时间可用性时间可用性 时间段：避免中午及下午电离层高峰时期的作时间段：避免中午及下午电离层高峰时期的作时间段：避免中午及下午电离层高峰时期的作时间段：避免中午及下午电离层高峰时期的作业业业业 卫星数：卫星数：卫星数：卫星数：6 6颗卫星作业较为可靠。颗卫星作业较为可靠。颗卫星作业较为可靠。颗卫星作业较为可靠。第26页/共53页RTKRTK作业中可靠性的问题作业中可靠性的问题 可靠性问题：固定解的可靠程度可靠性问题：固定解的可靠程度可靠性问题：固定解的可靠程度可靠性问题：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。第27页/共53页RTKRTK作业中适用性和定位延迟作业中适用性和定位延迟适用性问题：遮挡条件下的作业适用性问题：遮挡条件下的作业适用性问题：遮挡条件下的作业适用性问题：遮挡条件下的作业 原因：遮挡造成信号失锁，导致重新搜索整原因：遮挡造成信号失锁，导致重新搜索整原因：遮挡造成信号失锁，导致重新搜索整原因：遮挡造成信号失锁，导致重新搜索整周周周周 解决方法：解决方法：解决方法：解决方法：单历元整周模糊度的固定，但目前的算法单历元整周模糊度的固定，但目前的算法单历元整周模糊度的固定，但目前的算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。可靠性不高，是目前的研究热点。可靠性不高，是目前的研究热点。可靠性不高，是目前的研究热点。运动中初始化：运动中初始化：运动中初始化：运动中初始化：OTFOTF，必须具备双频，采，必须具备双频，采，必须具备双频，采，必须具备双频，采样率提高会有一定的好处。样率提高会有一定的好处。样率提高会有一定的好处。样率提高会有一定的好处。定位延迟定位延迟定位延迟定位延迟 原因：信号传输、原因：信号传输、原因：信号传输、原因：信号传输、RTKRTK计算计算计算计算 解决方法：控制运动速度，正反向运动。解决方法：控制运动速度，正反向运动。解决方法：控制运动速度，正反向运动。解决方法：控制运动速度，正反向运动。第28页/共53页5.1 网络RTK技术的定义n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。n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，服务综合第29页/共53页网络网络RTK,PPP和和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第30页/共53页连续运行卫星定位服务系统连续运行卫星定位服务系统-CORSCORS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。第31页/共53页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C(XC,YC)A(XA,YA)B(XB,YB)u(Xu,Yu)第32页/共53页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初始化时间第33页/共53页常规常规RTKRTK与网络与网络RTKRTK覆盖范围和精度覆盖范围和精度第34页/共53页5.5 网络RTK系统示意图第35页/共53页网络RTK系统示意图第36页/共53页网络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 第37页/共53页网络RTK系统流动站通讯作业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，回发给用户第38页/共53页5.6 5.6 网络网络RTKRTK定位中误差的分类及处理方法定位中误差的分类及处理方法与接收机测站有关的误差n接收机钟差（单点定位求出概略钟差，星间求差消除）（单点定位求出概略钟差，星间求差消除）n接收机天线相位偏差（参数改正）（参数改正）n固体潮改正（基线长度（基线长度100km100km;100km模型改正）模型改正）n大洋负荷改正(离海岸线距离离海岸线距离1000km1000km忽略；忽略；1000km1000km模型改正模型改正)n地球自转改正（模型改正）（模型改正）与卫星有关的误差n卫星钟差（星历中参数模型改正，多基准参数估计，测站（星历中参数模型改正，多基准参数估计，测站间求差消除）间求差消除）n卫星轨道误差（多基准参数估计、线性组合消除，精密多基准参数估计、线性组合消除，精密星历）星历）n天线相位偏差（发射前测定，直接进行改正）（发射前测定，直接进行改正）n相对论效应（发射前人为调整）（发射前人为调整）与信号传播有关的误差n对流层延迟（模型改正，多基准参数估计）（模型改正，多基准参数估计）n电离层延迟（模型改正，无电离层组合，多基准参数估计）（模型改正，无电离层组合，多基准参数估计）n n多路径效应多路径效应（抑径圈，好的观测条件）（抑径圈，好的观测条件）第39页/共53页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。第40页/共53页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第41页/共53页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(Multipath Estimating Delay Lock Loop)等抗多路径效应的天线第42页/共53页5.8 网络RTK目前主要技术和方法虚拟参考站(VRS)nHerbert Landau等2001提出（Trimble）n基本思想：虚拟参考站观测值n作业模式：双向数据通讯主辅站技术（MAX)n徕卡公司基于“主辅站概念”提出n基本思想：主辅站误差改正数n作业模式：双向数据通讯，单向数据通讯区域改正参数法(FKP)n德国的Geo+GmbH最早提出n基本思想：区域误差改正参数n作业模式：单向数据通讯综合误差内插法（CBI）n武汉大学卫星导航定位技术研究中心n基本思想：综合误差n作业模式：双向数据通讯，单向数据通讯第43页/共53页虚拟参考站法(VRS)(VRS)Herbert Landau等2001提出（Trimble）基本思想n 利用参考站网数据建立起各种误差模型n 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n 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n双向数据通讯C(XC,YC)A(XA,YA)B(XB,YB)u(Xu,Yu)P(XP,YP)第44页/共53页VRSVRS作业流程VRSVRSNMEANMEARTCMRTCM第45页/共53页网络网络RTKRTK系统精度测试方法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第46页/共53页静态已知点检测方法静态已知点检测方法检测方法n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n易实现n绝对值比较，准确反映精度缺点n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。n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）。在此情况下，静态检测无法实施。第47页/共53页静态已知点检测现场图静态已知点检测现场图第48页/共53页与后处理结果比较的检测方法与后处理结果比较的检测方法方法n把实时动态的定位结果与事后数据处理得到的定位结果进行比较，认为事后数据处理得到的定位结果为真值，来确定实时动态的定位结果的精度，可靠性和定位有效率等优点n不需附加设备，易实现n一定程度上反映精度缺点n依赖于事后处理软件的数据结果处理精度，长距离难以实用第49页/共53页网络RTK的发展趋势n n长距离长距离 目前70120公里，到200公里n n大规模大规模 行业网，全国的参考站网n n多频多模的网络多频多模的网络RTKRTK系统系统 三频 GPS,GALILEO,GLONASS,BD-2n n实时快速实时快速 单历元n n高精度高精度 厘米级n n高可靠性高可靠性 第50页/共53页n知识回顾知识回顾Knowledge Knowledge ReviewReview第51页/共53页谢 谢！放映结束 感谢各位的批评指导！让我们共同进步第52页/共53页感谢您的观看！第53页/共53页