無人機(jī)中的RTK差分定位技術(shù)解析

一、什么是RTK

實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分法（Real-time kinematic，RTK）又稱為載波相位差分技術(shù)。這是一種新的常用的GPS測(cè)量方法。以前的靜態(tài)、快速靜態(tài)、動(dòng)態(tài)測(cè)量都需要事后進(jìn)行解算才能獲得厘米級(jí)的精度，而RTK是能夠在野外實(shí)時(shí)得到厘米級(jí)定位精度的測(cè)量方法，它能實(shí)時(shí)提供觀測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，并達(dá)到厘米級(jí)的高精度。與偽距差分原理相同，由基準(zhǔn)站通過數(shù)據(jù)鏈實(shí)時(shí)將其載波觀測(cè)量及站坐標(biāo)信息一同傳送給用戶站。用戶站接收GPS衛(wèi)星的載波相位 與來自基準(zhǔn)站的載波相位，并組成相位差分觀測(cè)值進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，能實(shí)時(shí)給出厘米級(jí)的定位結(jié)果。實(shí)現(xiàn)載波相位差分GPS的方法分為兩類：修正法和差分法。前者與偽距差分相同，基準(zhǔn)站將載波相位修正量發(fā)送給用戶站，以改正其載波相位，然后求解坐標(biāo)。后者將基準(zhǔn)站采集的載波相位發(fā)送給用戶臺(tái)進(jìn)行求差解算坐標(biāo)。前者為準(zhǔn)RTK技術(shù)，后者為真正的RTK技術(shù)。

二、GPS與RTK

RTK技術(shù)是建立在實(shí)時(shí)處理上述基準(zhǔn)站與用戶站的載波相位基礎(chǔ)上的，采用了載波相位動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)差分方法，是GPS應(yīng)用的重大里程碑，它的出現(xiàn)為工程放樣、地形測(cè)圖，各種控制測(cè)量帶來了新曙光，極大地提高了外業(yè)作業(yè)效率。

常規(guī)的GPS測(cè)量方法，如靜態(tài)、快速靜態(tài)、動(dòng)態(tài)測(cè)量都需要事后進(jìn)行解算才能獲得厘米級(jí)的精度，而RTK是能夠在野外實(shí)時(shí)得到厘米級(jí)定位精度的測(cè)量方法，它采用了載波相位動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)差分（Real - time kinematic）方法，是GPS應(yīng)用的重大里程碑，它的出現(xiàn)為工程放樣、地形測(cè)圖，各種控制測(cè)量帶來了新曙光，極大地提高了外業(yè)作業(yè)效率。

高精度的GPS測(cè)量必須采用載波相位觀測(cè)值，RTK定位技術(shù)就是基于載波相位觀測(cè)值的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位技術(shù)，它能夠?qū)崟r(shí)地提供測(cè)站點(diǎn)在指定坐標(biāo)系中的三維定位結(jié)果，并達(dá)到厘米級(jí)精度。在RTK作業(yè)模式下，基準(zhǔn)站通過數(shù)據(jù)鏈將其觀測(cè)值和測(cè)站坐標(biāo)信息一起傳送給流動(dòng)站。流動(dòng)站不僅通過數(shù)據(jù)鏈接收來自基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)，還要采集GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)，并在系統(tǒng)內(nèi)組成差分觀測(cè)值進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，同時(shí)給出厘米級(jí)定位結(jié)果，歷時(shí)不到一秒鐘。流動(dòng)站可處于靜止?fàn)顟B(tài)，也可處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；可在固定點(diǎn)上先進(jìn)行初始化后再進(jìn)入動(dòng)態(tài)作業(yè)，也可在動(dòng)態(tài)條件下直接開機(jī)，并在動(dòng)態(tài)環(huán)境下完成周模糊度的搜索求解。在整周末知數(shù)解固定后，即可進(jìn)行每個(gè)歷元的實(shí)時(shí)處理，只要能保持四顆以上衛(wèi)星相位觀測(cè)值的跟蹤和必要的幾何圖形，則流動(dòng)站可隨時(shí)給出厘米級(jí)定位結(jié)果。

RTK技術(shù)的關(guān)鍵在于數(shù)據(jù)處理技術(shù)和數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，RTK定位時(shí)要求基準(zhǔn)站接收機(jī)實(shí)時(shí)地把觀測(cè)數(shù)據(jù)（偽距觀測(cè)值，相位觀測(cè)值）及已知數(shù)據(jù)傳輸給流動(dòng)站接收機(jī)，數(shù)據(jù)量比較大，一般都要求9600的波特率，這在無線電上不難實(shí)現(xiàn)。

GPS接收機(jī)如何分類

GPS衛(wèi)星發(fā)送的導(dǎo)航定位信號(hào)，是一種可供無數(shù)用戶共享的信息資源。對(duì)于陸地、海洋和空間的廣大用戶，只要用戶擁有能夠接收、跟蹤、變換和測(cè)量GPS信號(hào)的接收設(shè)備，即GPS信號(hào)接收機(jī)?？梢栽谌魏螘r(shí)候用GPS信號(hào)進(jìn)行導(dǎo)航定位測(cè)量。根據(jù)使用目的的不同， 用戶要求的GPS信號(hào)接收機(jī)也各有差異。目前世界上已有幾十家工廠生產(chǎn)GPS接收機(jī)， 產(chǎn)品也有幾百種。這些產(chǎn)品可以按照原理、用途、功能等來分類。

按接收機(jī)的用途分類

導(dǎo)航型接收機(jī)

此類型接收機(jī)主要用于運(yùn)動(dòng)載體的導(dǎo)航，它可以實(shí)時(shí)給出載體的位置和速度。這類接收機(jī) 一般采用C/A碼偽距測(cè)量，單點(diǎn)實(shí)時(shí)定位精度較低，一般為±25mm，有SA影響時(shí)為±100mm。這類接收機(jī)價(jià)格便宜，應(yīng)用廣泛。根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的不同，此類接收機(jī)還可以進(jìn)一步分為：車載型--用于車輛導(dǎo)航定位；航海型--用于船舶導(dǎo)航定位；航空型--用于飛機(jī)導(dǎo)航定位。由于飛機(jī)運(yùn)行速度快，因此，在航空上用的接收機(jī)要求能適應(yīng)高速運(yùn)動(dòng)。星載型--用于衛(wèi)星的導(dǎo)航定位。由于衛(wèi)星的速度高達(dá) 7km/s以上，因此對(duì)接收機(jī)的要求更高。

測(cè)地型接收機(jī)

測(cè)地型接收機(jī)主要用于精密大地測(cè)量和精密工程測(cè)量。定位精度高。儀器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格較貴。

授時(shí)型接收機(jī)

這類接收機(jī)主要利用GPS衛(wèi)星提供的高精度時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行授時(shí)，常用于天文臺(tái)及無線電通訊中時(shí)間同步。

按接收機(jī)的載波頻率分類

單頻接收機(jī)

單頻接收機(jī)只能接收L1載波信號(hào)，測(cè)定載波相位觀測(cè)值進(jìn)行定位。由于不能有效消除 電離層延遲影響，單頻接收機(jī)只適用于短基線（《15km）的精密定位。雙頻接收機(jī) 雙頻接收機(jī)可以同時(shí)接收L1，L2載波信號(hào)。利用雙頻對(duì)電離層延遲的不一樣，可以消除電離層 對(duì)電磁波信號(hào)的延遲的影響，因此雙頻接收機(jī)可用于長(zhǎng)達(dá)幾千公里的精密定位。

按接收機(jī)通道數(shù)分類

GPS接收機(jī)能同時(shí)接收多顆GPS衛(wèi)星的信號(hào)，為了分離接收到的不同衛(wèi)星的信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)衛(wèi)星信號(hào)的跟蹤、處理和量測(cè)，具有這樣功能的器件稱為天線信號(hào)通道。根據(jù)接收機(jī)所具有的通道種類可分為：多通道接收機(jī) 序貫通道接收機(jī) 多路多用通道接收機(jī) 按接收機(jī)工作原理分類

碼相關(guān)型接收機(jī)

碼相關(guān)型接收機(jī)是利用碼相關(guān)技術(shù)得到偽距觀測(cè)值。

平方型接收機(jī)

平方型接收機(jī)是利用載波信號(hào)的平方技術(shù)去掉調(diào)制信號(hào)，來恢復(fù)完整的載波信號(hào) 通過相位計(jì)測(cè)定接收機(jī)內(nèi)產(chǎn)生的載波信號(hào)與接收到的載波信號(hào)之間的相位差，測(cè)定偽距觀測(cè)值。

混合型接收機(jī)

這種儀器是綜合上述兩種接收機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，既可以得到碼相位偽距，也可以得到載波相位觀測(cè)值。

干涉型接收機(jī)

這種接收機(jī)是將GPS衛(wèi)星作為射電源，采用干涉測(cè)量方法，測(cè)定兩個(gè)測(cè)站間距離。

RTK技術(shù)如何應(yīng)用

1．各種控制測(cè)量 傳統(tǒng)的大地測(cè)量、工程控制測(cè)量采用三角網(wǎng)、導(dǎo)線網(wǎng)方法來施測(cè)，不僅費(fèi)工費(fèi)時(shí)，要求點(diǎn)間通視，而且精度分布不均勻，且在外業(yè)不知精度如何，采用常規(guī)的GPS 靜態(tài)測(cè)量、快速靜態(tài)、偽動(dòng)態(tài)方法，在外業(yè)測(cè)設(shè)過程中不能實(shí)時(shí)知道定位精度，如果測(cè)設(shè)完成后，回到內(nèi)業(yè)處理后發(fā)現(xiàn)精度不合要求，還必須返測(cè)，而采用RTK來進(jìn)行控制測(cè)量，能夠?qū)崟r(shí)知道定位精度，如果點(diǎn)位精度要求滿足了，用戶就可以停止觀測(cè)了，而且知道觀測(cè)質(zhì)量如何，這樣可以大大提高作業(yè)效率。如果把RTK用于公路控制測(cè)量、電子線路控制測(cè)量、水利工程控制測(cè)量、大地測(cè)量、則不僅可以大大減少人力強(qiáng)度、節(jié)省費(fèi)用，而且大大提高工作效率，測(cè)一個(gè)控制點(diǎn)在幾分鐘甚至于幾秒鐘內(nèi)就可完成。

2．地形測(cè)圖 過去測(cè)地形圖時(shí)一般首先要在測(cè)區(qū)建立圖根控制點(diǎn)，然后在圖根控制點(diǎn)上架上全站儀或經(jīng)緯儀配合小平板測(cè)圖，現(xiàn)在發(fā)展到外業(yè)用全站儀和電子手簿配合地物編碼，利用大比例尺測(cè)圖軟件來進(jìn)行測(cè)圖，甚至于發(fā)展到最近的外業(yè)電子平板測(cè)圖等等，都要求在測(cè)站上測(cè)四周的地形地貌等碎部點(diǎn)，這些碎部點(diǎn)都與測(cè)站通視，而且一般要求至少2-3人操作，需要在拼圖時(shí)一旦精度不合要求還得到外業(yè)去返測(cè)，現(xiàn)在采用RTK時(shí)，僅需一人背著儀器在要測(cè)的地形地貌碎部點(diǎn)呆上一二秒種，并同時(shí)輸入特征編碼，通過手簿可以實(shí)時(shí)知道點(diǎn)位精度，把一個(gè)區(qū)域測(cè)完后回到室內(nèi)，由專業(yè)的軟件接口就可以輸出所要求的地形圖，這樣用RTK僅需一人操作，不要求點(diǎn)間通視，大大提高了工作效率，采用RTK配合電子手簿可以測(cè)設(shè)各種地形圖，如普通測(cè)圖、鐵路線路帶狀地形圖的測(cè)設(shè)，公路管線地形圖的測(cè)設(shè)，配合測(cè)深儀可以用于測(cè)水庫地形圖，航 海海洋測(cè)圖等等。

3．放樣程放樣是測(cè)量一個(gè)應(yīng)用分支，它要求通過一定方法采用一定儀器把人為設(shè)計(jì)好的點(diǎn)位在實(shí)地給標(biāo)定出來，過去采用常規(guī)的放樣方法很多，如經(jīng)緯儀交會(huì)放樣，全站儀的邊角放樣等等，一般要放樣出一個(gè)設(shè)計(jì)點(diǎn)位時(shí)，往往需要來回移動(dòng)目標(biāo)，而且要2-3人操作，同時(shí)在放樣過程中還要求點(diǎn)間通視情況良好，在生產(chǎn)應(yīng)用上效率不是很高，有時(shí)放樣中遇到困難的情況會(huì)借助于很多方法才能放樣，如果采用RTK技術(shù)放樣時(shí)，僅需把設(shè)計(jì)好的點(diǎn)位坐標(biāo)輸入到電子手簿中，背著GPS接收機(jī)，它會(huì)提醒你走到要放樣點(diǎn)的位置，既迅速又方便，由于GPS是通過坐標(biāo)來直接放樣的，而且精度很高也很均勻，因而在外業(yè)放樣中效率會(huì)大大提高，且只需一個(gè)人操作。

三、無人機(jī)中的RTK

最近幾年無人機(jī)市場(chǎng)可以說的上是非?；鸨?，無人機(jī)公司也是數(shù)不勝數(shù)。無人機(jī)的應(yīng)用場(chǎng)合也是非常之多的，農(nóng)業(yè)、物流、安防、巡航、測(cè)繪、航拍等等都得到了非常好的應(yīng)用。同時(shí)無人機(jī)市場(chǎng)也催生了許多的配套設(shè)備的發(fā)展。RTK在工業(yè)無人機(jī)上的應(yīng)用就是一個(gè)很好的例子，他的精準(zhǔn)性可以說的上是相當(dāng)完美，在固定解狀態(tài)定位精度是可以達(dá)到厘米級(jí)的。在這里就不對(duì)RTK系統(tǒng)如何去工作來做解析了，我們這里主要講的是如何去應(yīng)用這個(gè)系統(tǒng)。

RTK的全名是叫載波相位差分，其應(yīng)用依賴于基站的差分信號(hào)。再在接收機(jī)上求差解算坐標(biāo)位置。這種解算出來的數(shù)據(jù)定位精度可以到達(dá)厘米級(jí)，當(dāng)然這個(gè)是相對(duì)基站的定位精度，因?yàn)榛精@取自身的坐標(biāo)屬于單點(diǎn)位置，而單點(diǎn)位置本身就存在誤差。

RTK一旦進(jìn)入到固定解在這里面是有很多的數(shù)據(jù)可以利用，不止是位置哦，還有高度也是可以用的。不過對(duì)RTK的數(shù)據(jù)的可靠性還是非常重要的，因?yàn)榛旧鲜忻嫔系腞TK系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)的可靠性都是99.99%，還有就是中間差分?jǐn)?shù)據(jù)鏈突然斷掉了，這些都是需要去考慮的。所以還是有比用利用RTK中的一些數(shù)據(jù)來進(jìn)行判別，比如固定解的標(biāo)志，位置方差等等，大家有興趣可以自己去發(fā)掘，這個(gè)也是需要很多實(shí)驗(yàn)才能夠得出的。

我這里就不對(duì)這些個(gè)方案進(jìn)行詳細(xì)去描述，我這里只貼出幾張圖片，具體的如何去應(yīng)用可以有很多的功能可以去開發(fā)的。這里我們貼出兩個(gè)參考方案，一個(gè)是基于普通無線的方式，這個(gè)主要是考慮移動(dòng)性強(qiáng)，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是基站無線覆蓋范圍小。還有一個(gè)是基于GSM網(wǎng)絡(luò)方案，這個(gè)方案應(yīng)用性強(qiáng)，但是這個(gè)就類似于手機(jī)基站了，這個(gè)覆蓋范圍廣（但是這個(gè)也不能太廣了最好是《60km），缺點(diǎn)是維護(hù)成本高，開發(fā)周期長(zhǎng)。

無線方案就比較簡(jiǎn)單，一個(gè)基站+一個(gè)無線模塊就可以解決。

這個(gè)主要是把差分?jǐn)?shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到服務(wù)器再分發(fā)到移動(dòng)站終端，這個(gè)從長(zhǎng)期的角度上來看是比較靠譜的，畢竟省了基站，而且這種差分?jǐn)?shù)據(jù)也是可以應(yīng)用在很多的場(chǎng)合的。這個(gè)就對(duì)很多無人機(jī)應(yīng)用的場(chǎng)合就提出了要求，就是需要好的網(wǎng)絡(luò)才能通信順暢，不過未來的發(fā)展全面覆蓋網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該問題也不大。

RTK在無人機(jī)上的應(yīng)用在一定程度上是非常重要的，畢竟這個(gè)是在天上飛，一旦有差池就掉下來，那樣損失就大了。目前很多領(lǐng)域的無人機(jī)都要求精準(zhǔn)定位，比如農(nóng)業(yè)無人機(jī)就要求在噴灑的時(shí)候不漏噴、不重噴，那么這就需要RTK系統(tǒng)了，也有很多的無人機(jī)的電子羅盤很容易受到干擾，比如電力巡航就可以采用定位定向的RTK系統(tǒng)了。