GPS-RTK与网络RTK技术的差异及协同作业

许艳博 李 毅 崔醒宇 王名洋

(1.北京市测绘设计研究院，北京 100038；2.城市空间信息工程北京市重点实验室，北京 100038)

0 引言

20世纪末，出现了网络实时动态载波相位差分技术(Real Time Kinematic，RTK)，该技术是在全球定位系统(Global Positioning System，GPS)-RTK测量技术、计算机技术、通信网络技术的基础上发展起来的一种实时动态定位新技术[1-3]，它扩大了覆盖范围、降低了作业成本、缩短了工作时间，弥补了GPS-RTK测量随着作业半径增大而产生系统误差的致命缺陷，但此技术依赖通信网络，在通信网络不佳的状况下很难保证定位精度与作业效率，这就需要采用其他的作业方式进行辅助，通常的做法是利用网络RTK在收敛精度好的区域布设GPS点，在此基础上利用全站仪引测三级导线来完成后续放线工作，但此方法效率低下，放线作业不灵活，经常会受到通视条件的制约导致部分楼角角点不能放样。规划监督项目一般为几幢楼或一个小区，整体覆盖范围较小，GPS-RTK技术的优势就可以得到很好地发挥，单基站GPS-RTK架设灵活，无须通信网络，可以利用网络RTK布设的GPS点坐标计算四参数、七参数，实现GPS-RTK与网络RTK的快速协同作业。

本文阐述了GPS-RTK与网络RTK技术的原理及作业差异，通过公式推导GPS-RTK的点位中误差，以及实地获取的实验数据进行比对分析，综合各方面因素对GPS-RTK与网络RTK进行评价，验证了GPS-RTK的定位精度可以满足规划放线的规范要求，为今后使用GPS-RTK进行规划放线、拨地钉桩等提供技术支撑。

1 差分技术

全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System，GNSS)的定位精度受到很多因素的影响，虽然可以建立不同的模型来加以改正或消除，但残差的影响仍然很严重。为了提高定位的精度，可以通过接收机观测数据进行求差，此方法可以消除基准站和流动站的相关误差，实现高精度的相对定位。差分GPS技术因此诞生。

差分定位是指使用两台以上的GNSS接收机作同步观测，其最基本情况是使用两台GNSS接收机，分别安置在两个测站上，并同步观测相同的GNSS卫星，由于在同一时刻、同一地域内流动站接收机、基准站对同一卫星的距离测量值有着相关或者相近的误差。因而，如果基准站将其接收机对卫星的测量误差通过电波发送给流动站，那么流动站接收机就可以利用接收到的基准站接收机的测量误差来校正其对同一卫星的距离观测值，从而提高其测量与定位精度[4-5]。

2 GPS-RTK与网络RTK技术的原理及作业差异

2.1 GPS-RTK技术原理

GPS-RTK的基本原理可以表述为：将一台接收机架设在已知坐标的位置作为基准站，另外的一台或多台接收机作为流动站，基准站与流动站同时观测视野内的卫星数据，基准站将载波观测值和已知点的坐标信息等实时的发送给流动站[6-7]，流动站接收到信息后通过系统内的软件做差分处理，然后利用与基准站的空间相关性得出流动站的精确坐标,如图1所示。

图1 GPS-RTK工作原理

2.2 网络RTK技术原理

网络RTK技术是连续运行参考站(Continuously Operating Reference Stations，CORS)产生最重要原因和最主要的应用方式之一。在某一区域内建立若干个GNSS参考站,对该地区构成网状覆盖,联合若干参考站数据解算或消除电离层、对流层等影响,发播GNSS改正信息,对该地区内的GNSS用户进行实时载波相位/伪距差分改正的定位方式,称为网络RTK[8-9],如图2所示。

图2 网络RTK工作原理

2.3 GPS-RTK与网络RTK技术的作业差异

GPS-RTK技术和网络RTK技术的原理不同，所以他们最大的差异就是覆盖范围不一样，后者覆盖范围更广。GPS-RTK覆盖范围在10 km以内，而且精度随着距离的增大而降低。在相同基准站的情况下，GPS-RTK技术是在作业半径内，流动站围绕基准站工作，各个基准站相互独立[10]，而网络RTK解算的是多基站的差分数据，在网络覆盖的范围内测量精度不会因为和基准站距离的增大而变化，差分的范围还可以向网外延展。网络RTK比GPS-RTK定位精度分布更均匀。网络RTK可以提供比GPS-RTK更高的可靠性。GPS-RTK是单基站差分数据，基准站有任何状况发生就将影响流动站。而网络RTK则不同，即使有某个基站发生了意外状况，系统可以根据网内的其他基站重新解算差分数据，继续为流动站发送有效信息。系统还可以根据多余观测值来剔除个别基站的粗差数据，从而大大提高了可靠性。

3 GPS-RTK数据精度分析

3.1 GPS-RTK测量距离中误差

GPS-RTK放样点间距离S由两放样点的坐标反算求得,设有两相邻放样点1、2,根据两点间距离公式有

(1)

求全微分得

(2)

由误差传播定律得

(3)

对于任意测量点,我们可以假设mx=my=m,则式(3)可简化为

(4)

式(1)～(4)中，x1,x2为点坐标南北分量；y1、y2为点坐标东西分量；S为两点间距；ms为两点间距中误差；mx为南北分量中误差;my为东西分量中误差。

(5)

式中,a为固定误差(mm);b为比例误差系数(1×10-6);D为基准站到流动站的距离(km)。

本次测试选用中海达iRTK5，RTK的平面标称精度：±(8+1×10-6×D) mm。在规划监督工程项目中，基准站与流动站的间距一般小于500 m，我们暂以500 m为例，计算放样点相对于基准站的点位中误差为：

(6)

从以上仪器标称±8.0 mm精度和理论计算，GPS-RTK的测量精度在小范围内可以满足规划放线规范要求[11]。

3.2 GPS-RTK与网络RTK的协同作业测试分析

选取一块比较典型的施工场地作为本次项目的测试实验的场地，如图3所示。

图3 测试实验场地

现场利用北京GNSS网络RTK布设三个GPS点K1,K2,K3，并利用具有0.5″测角精度的徕卡Nova TS50全站仪对其进行角度和距离的坐标归化。在此基础上布设施工导线一条，导线点坐标视为真值，用以检测评估GPS-RTK与网络RTK的相对定位精度。B1～B6为导线点，S1～S9为导线点间距，a1～a8为导线夹角。GPS点与导线点布设情况如图4所示。

图4 GPS点与导线点布设

利用网络RTK分别对新布设的导线点进行数据采集；GPS-RTK利用坐标归化后的GPS点K1,K3进行四参数转换，四参数的转换效果主要看旋转和尺度，旋转不能超过1°，尺度大于0.999 9小于1.000 09，完成设置后对K2点进行校核，检查设置是否正确和定位精度情况。然后对新布设的导线点、K1、K3进行数据采集。

测试坐标测试结果如表1和表2所示，在网络RTK信号良好的情况下，GPS-RTK与网络RTK的绝对定位精度大致相同。表1和表2中，Y为东西坐标，X为南北坐标，ΔY，ΔX为较差。

点位的相对关系如表3和表4所示,《工程测量技术规程》DB11/T 339—2016关于规划监督放线的规定：校核限差应符合规划用地边长在25 m以下时，拨条件角检查点位不应大于10 mm；实测边长与条件边长较差，50 m以下的应在±20 mm之内。由表3和表4可以看出在小范围内进行作业，GPS-RTK的测角、测边稳定性优于网络RTK，GPS-RTK的检测角与边长相对误差满足规范要求，在通信网络不佳的偏远地区，可以先利用网络RTK在信号优良的区域进行首级控制点布设，在此基础上可以引测导线点至测区作为GPS-RTK的控制点，当网络RTK布设的控制点距离测区较近时，GPS-RTK则可以直接利用，参数转换后即可进行定位测量。

表1 网络RTK坐标测试结果 单位：m

表2 GPS-RTK坐标测试结果 单位：m

表3 GPS-RTK、网络RTK检测角较差

表4 GPS-RTK、网络RTK边长相对误差 单位：m

表5 校核限差

4 结束语

网络RTK技术是GPS-RTK技术的发展方向，但到目前为止,因为CORS系统的普及情况及通信网络的影响，并不能完全取代GPS-RTK测量，GPS-RTK有其自身独特的优势，它不需要公网，无线电数据链在短距离通信更加稳定。通过本文测试表明，在小范围内进行规划监督放线测量、道路中线测设、拨地钉桩、条件点串测方面，相比全站仪导线测量效率更高，相比网络RTK数据，其相对位置更加精准。在一定区域内，GPS-RTK、网络RTK协同作业，会大大提高工作效率，降低劳动强度，保证数据质量。

使用GPS-RTK模式需要对GPS手簿进行多项设置，并求解转换参数，对操作人员的素质要求更高，外业时还需要注意基准站尽量选择在测区内地势相对较高，且架设在安全、牢固的地方，避免晃动和其他因素的干扰。一键设置GPS-RTK模式是下一步需要研究的方向。