一文看懂 RTK 定位:可辅助 GPS / 北斗全球导航卫星系统

鲜枣课堂 2022/7/19 17:55:45 责编:潇公子

说到定位,相信大家一定不会觉得陌生。如今我们所处的信息时代,人人都有手机。每天,我们都会用到与地图和导航有关的 App。

这些 App,就是基于定位技术的。

说到定位技术呢,大家又肯定会想到 GPS、北斗这些名词。是的,这些都属于全球导航卫星系统,也就是 GNSS(Global Navigation Satellite System)。

正是这些在太空中飞行的卫星,帮助我们的手机具备了定位能力,并为我们提供导航服务。

上面都是大家知道的。接下来,小枣君要给大家介绍一个可能比较陌生的概念。它也和卫星有关,是目前行业最常用的定位技术之一,为我们的工作和生活提供了很大的帮助。它就是 ——RTK。

究竟什么是 RTK?有了卫星,为什么还需要它?它有什么特点,又是如何工作的?

别急,且让小枣君一一道来。

█ 什么是 RTK

RTK,英文全名叫做 Real-time kinematic,也就是实时动态。这是一个简称,全称其实应该是 RTK(Real-time kinematic,实时动态)载波相位差分技术。(为了方便阅读,接下来,我还是会简写为 RTK。)

不要慌!这个技术虽然看上去很专业,但实际原理并不复杂。

RTK 是一个对 GNSS 进行辅助的技术。

为什么要对 GNSS 进行辅助?当然是因为 GNSS 自身存在不足啦!

大家都知道,GNSS 卫星之所以能够对地球上的终端(例如手机、汽车、轮船、飞机等)进行定位,依靠的是三维坐标系。

找至少 4 颗卫星,分别计算各个卫星与终端之间的距离 △ L(这个距离也被称为“伪距”),就可以列出 4 个方程组。

计算之后,就能得出终端的四个参数,分别是经度、纬度,高程(海拔高度)和时间。

通过单位时间的位置变化,还能算出终端的速度。三维坐标、速度、时间信息,我们通常称之为 PVT(Position Velocity and Time)。

仅靠卫星,我们可以得到 PVT。但是,注意了,卫星定位是存在误差的。

误差既来自系统的内部,也来自外部。例如卫星信号穿透电离层和对流层时产生的误差,还有卫星高速移动产生的多普勒效应引起的误差,以及多径效应误差、通道误差、卫星钟误差、星历误差、内部噪声误差,等等。

这些误差,有些可以完全消除,有些无法消除或只能部分消除。它们影响了系统的准确性和可靠性。

好啦,我们的主角终于要登场了。

为了更好地消除误差、提高定位精度,行业专家们研究出了一个更厉害的定位技术,那就是 RTK。

█ RTK 的工作原理

我们直接来看 RTK 的工作原理。

如上图所示,这是一个标准的传统 RTK 组网。(是不是超简单?)

其中,除了卫星之外,RTK 系统包括两个重要组成部分 —— 基准站和流动站。

两个站都带有卫星接收机,可以观测和接收卫星数据。顾名思义,基准站是提供参考基准的基站。而流动站,是可以不断移动的站。流动站其实就是要测量自身三维坐标的那个对象目标,也就是用户终端。

大家经常在户外看到一些扛着三脚架设备进行测量的人。其中一部分人,扛的可能就是 RTK 基准站或流动站。

我们来仔细看看定位过程。

首先,基准站作为测量基准,一般会固定放在开阔且视野良好的地方。基准站的三维坐标信息,一般是已知的。

第①步,基准站先观测和接收卫星数据。

第②步,基准站通过旁边的无线电台(数据链),将观测数据实时发送给流动站(距离一般不超过 20 公里)。

第③步,流动站收到基准站数据的同时,也观测和接收了卫星数据。

第④步,流动站在基准站数据和自身数据的基础上,根据相对定位原理,进行实时差分运算,从而解算出流动站的三维坐标及其精度,其定位精度可达 1cm~2cm。至此,测量完成。

如大家所见,RTK 技术具有观测站之间无需通视(无需在视线范围内)、定位精度高、操作简单、全天候作业等优点,是非常不错的定位技术。

█ 网络 RTK vs 传统 RTK

刚才我们所说的,是 RTK 的早期模型,我们称为传统 RTK 技术。

传统 RTK 技术实施简单,成本低廉。但是,它也存在一个很大的问题,那就是流动站和基准站之间存在距离限制。

距离越远,误差因素差异变大,定位精度就会下降。而且,距离远了,超过了无线电台的通信范围,也就无法工作了。

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,在一个较大的区域内,均匀分散设置多个基准站(3 个或以上),构成一个基准站网。

基准站网

那么,这种情况下,流动站需要和每个基准站进行对比和测算吗?

当然不会,那样太费事了。

网络 RTK 相比传统 RTK,其实是用区域型的 GNSS 网络误差模型取代了单点 GNSS 误差模型。

多个基准站组成的基准站网,它们将数据发给中央服务器。中央服务器会根据数据,模拟出一个“虚拟基准站”。(所以,网络 RTK 也被称为“虚拟基准站技术”或“虚拟参考站技术”。)

对于流动站来说,它只会“看到”这个“虚拟基准站”。基于这个“虚拟基准站”发来的数据,流动站完成最终的测量运算。

网络 RTK 的优势是非常明显的。

大家应该都看出来了,我们平时看到的移动通信基站,其实就可以兼职“基准站”。我们身边到处都是基站,也就意味着,网络 RTK 基本上实现了无缝覆盖。

流动站与中央服务器的通信,也可以通过流动站(终端)内置的无线通信模组来完成。这些高精度定位模组,集成了 RTK 技术,且本身也是移动通信模组,可以实现上述功能。

其次,对于用户来说,不需要自建基准站,节约了大量成本(只需要支付一些通讯费用)。

第三,精度和可靠性更高。毕竟基准站多了嘛,就算坏了一两个,也影响不大。

值得一提的是,网络 RTK 的模型中,网络的稳定性对定位精度影响极大。必须保证网络通信稳定,从而确保差分数据稳定下发,才能实现超高定位精度。

█ 结语

RTK 技术经过多年的积累,已经变得越来越成熟。它的高精度、高速度、高稳定性特点,使得其被测绘、无人机、车载、安防等领域广泛应用。

未来,RTK 技术将会向更远距离、更高精度、多频多模、更高稳定性的方向发展。让我们拭目以待!

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关键词:定位卫星

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