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无人机中的RTK差分定位技术解析

2019-07-15 作者:UAVClub
导语:实时动态差分法(Real-time kinematic,RTK)又称为载波相位差分技术。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,

一、什么是RTK

实时动态差分法(Real-time kinematic,RTK)又称为载波相位差分技术。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,它能实时提供观测点的三维坐标,并达到厘米级的高精度。与伪距差分原理相同,由基准站通过数据链实时将其载波观测量及站坐标信息一同传送给用户站。用户站接收GPS卫星的载波相位 与来自基准站的载波相位,并组成相位差分观测值进行实时处理,能实时给出厘米级的定位结果。实现载波相位差分GPS的方法分为两类:修正法和差分法。前者与伪距差分相同,基准站将载波相位修正量发送给用户站,以改正其载波相位,然后求解坐标。后者将基准站采集的载波相位发送给用户台进行求差解算坐标。前者为准RTK技术,后者为真正的RTK技术。

二、GPS与RTK

RTK技术是建立在实时处理上述基准站与用户站的载波相位基础上的,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。
 
常规的GPS测量方法,如静态、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(Real - time kinematic)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。  
 
 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,历时不到一秒钟。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周模糊度的搜索求解。在整周末知数解固定后,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。   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。
 
GPS接收机如何分类   
 
GPS卫星发送的导航定位信号,是一种可供无数用户共享的信息资源。对于陆地、海洋和空间的广大用户,只要用户拥有能够接收、跟踪、变换和测量GPS信号的接收设备,即GPS信号接收机。可以在任何时候用GPS信号进行导航定位测量。根据使用目的的不同, 用户要求的GPS信号接收机也各有差异。目前世界上已有几十家工厂生产GPS接收机, 产品也有几百种。这些产品可以按照原理、用途、功能等来分类。   
 
按接收机的用途分类   
 
导航型接收机 此类型接收机主要用于运动载体的导航,它可以实时给出载体的位置和速度。这类接收机 一般采用C/A码伪距测量,单点实时定位精度较低,一般为±25mm,有SA影响时为±100mm。 这类接收机价格便宜,应用广泛。根据应用领域的不同,此类接收机还可以进一步分为:车载型--用于车辆导航定位; 航海型--用于船舶导航定位; 航空型--用于飞机导航定位。由于飞机运行速度快,因此,在航空上用的接收机要求能适应高速运动。星载型--用于卫星的导航定位。由于卫星的速度高达 7km/s以上,因此对接收机的要求更高。   
 
测地型接收机   测地型接收机主要用于精密大地测量和精密工程测量。定位精度高。仪器结构复杂,价格较贵。   
 
授时型接收机 这类接收机主要利用GPS卫星提供的高精度时间标准进行授时,常用于天文台及无线电通讯中时间同步。   
 
按接收机的载波频率分类   
 
单频接收机 单频接收机只能接收L1载波信号,测定载波相位观测值进行定位。由于不能有效消除 电离层延迟影响,单频接收机只适用于短基线(<15km)的精密定位。 双频接收机 双频接收机可以同时接收L1,L2载波信号。利用双频对电离层延迟的不一样,可以消除电离层 对电磁波信号的延迟的影响,因此双频接收机可用于长达几千公里的精密定位。   
 
按接收机通道数分类   
 
GPS接收机能同时接收多颗GPS卫星的信号,为了分离接收到的不同卫星的信号,以实现对卫星信号的跟踪、处理和量测,具有这样功能的器件称为天线信号通道。根据接收机所具有的通道种类可分为: 多通道接收机 序贯通道接收机 多路多用通道接收机 按接收机工作原理分类   
 
码相关型接收机 码相关型接收机是利用码相关技术得到伪距观测值。   
 
平方型接收机 平方型接收机是利用载波信号的平方技术去掉调制信号,来恢复完整的载波信号 通过相位计测定接收机内产生的载波信号与接收到的载波信号之间的相位差,测定伪距观测值。   
 
混合型接收机 这种仪器是综合上述两种接收机的优点,既可以得到码相位伪距,也可以得到载波相位观测值。   干
 
涉型接收机 这种接收机是将GPS卫星作为射电源,采用干涉测量方法,测定两个测站间距离。
 
RTK技术如何应用   
 
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、电子线路控制测量、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形地貌等碎部点,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,现在采用RTK时,仅需一人背着仪器在要测的地形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.放样程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。
 

三、无人机中的RTK

 

最近几年无人机市场可以说的上是非常火爆的,无人机公司也是数不胜数。无人机的应用场合也是非常之多的,农业、物流、安防、巡航、测绘、航拍等等都得到了非常好的应用。同时无人机市场也催生了许多的配套设备的发展。RTK在工业无人机上的应用就是一个很好的例子,他的精准性可以说的上是相当完美,在固定解状态定位精度是可以达到厘米级的。在这里就不对RTK系统如何去工作来做解析了,我们这里主要讲的是如何去应用这个系统。

RTK的全名是叫载波相位差分,其应用依赖于基站的差分信号。再在接收机上求差解算坐标位置。这种解算出来的数据定位精度可以到达厘米级,当然这个是相对基站的定位精度,因为基站获取自身的坐标属于单点位置,而单点位置本身就存在误差。

RTK一旦进入到固定解在这里面是有很多的数据可以利用,不止是位置哦,还有高度也是可以用的。不过对RTK的数据的可靠性还是非常重要的,因为基本上市面上的RTK系统对数据的可靠性都是99.99%,还有就是中间差分数据链突然断掉了,这些都是需要去考虑的。所以还是有比用利用RTK中的一些数据来进行判别,比如固定解的标志,位置方差等等,大家有兴趣可以自己去发掘,这个也是需要很多实验才能够得出的。

我这里就不对这些个方案进行详细去描述,我这里只贴出几张图片,具体的如何去应用可以有很多的功能可以去开发的。这里我们贴出两个参考方案,一个是基于普通无线的方式,这个主要是考虑移动性强,设计简单,缺点是基站无线覆盖范围小。还有一个是基于GSM网络方案,这个方案应用性强,但是这个就类似于手机基站了,这个覆盖范围广(但是这个也不能太广了最好是<60km),缺点是维护成本高,开发周期长。

rtk2.png

无线方案就比较简单,一个基站+一个无线模块就可以解决。

rtk3.png

这个主要是把差分数据通过网络发送到服务器再分发到移动站终端,这个从长期的角度上来看是比较靠谱的,毕竟省了基站,而且这种差分数据也是可以应用在很多的场合的。这个就对很多无人机应用的场合就提出了要求,就是需要好的网络才能通信顺畅,不过未来的发展全面覆盖网络应该问题也不大。

RTK在无人机上的应用在一定程度上是非常重要的,毕竟这个是在天上飞,一旦有差池就掉下来,那样损失就大了。目前很多领域的无人机都要求精准定位,比如农业无人机就要求在喷洒的时候不漏喷、不重喷,那么这就需要RTK系统了,也有很多的无人机的电子罗盘很容易受到干扰,比如电力巡航就可以采用定位定向的RTK系统了。

 
部分引用:
https://blog.csdn.net/wb790238030/article/details/82802554 
https://blog.csdn.net/csshuke/article/details/79632380
 
整理
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