RTK的定位理論基礎(chǔ)概述目錄TOC\o"1-3"\h\u27009RTK的定位理論基礎(chǔ)概述 1244001.1RTK系統(tǒng)組成 133061.2RTK時空基準的統(tǒng)一 210161.1.1時間基準統(tǒng)一 2226341.1.2空間基準統(tǒng)一 2170771.3RTK測量精度的誤差源 2203831.3.1衛(wèi)星本身的誤差 3321061.3.2與傳播路徑有關(guān)的誤差 437461.3.3與接收機自身有關(guān)的誤差 76751.4RTK的數(shù)據(jù)傳輸格式 7RTK定位基于的是載波相位差分定位。其定位基于一定的理論基礎(chǔ)，故本章先介紹了RTK的系統(tǒng)組成成分和RTK技術(shù)應(yīng)用在GPS系統(tǒng)中的時間標準可坐標系的建立。對RTK測量中影響定位精度的誤差因素及其誤差改正模型進行了描述；以及RTK數(shù)據(jù)傳輸?shù)腞INEX格式標準。1.1RTK系統(tǒng)組成RTK系統(tǒng)由固定的信號接收處、傳送數(shù)據(jù)的通道、對數(shù)據(jù)進行運算求解的站點和移動的信號接收處四個部分組成，這四部分都通過軟件技術(shù)和硬件技術(shù)建成。固定的信號接收處和移動的信號接收處主要是由硬件構(gòu)成，主要是進行衛(wèi)星的實時觀測和信號接收；傳送數(shù)據(jù)的通道時用來傳輸觀測數(shù)據(jù)的，是由可移動的網(wǎng)絡(luò)或無線電臺組成。對數(shù)據(jù)進行運算求解的站點由各種數(shù)據(jù)解算算法組成。RTK基線分為短基線、中基線和長基線三種，其中短基線是指基線長度最多為幾公里的情況，中等基線指的是相對傾斜電離層延遲的不確定性可以可靠地建模為基線長度的函數(shù)的情況，長基線是指有必要通過電離層-漂移模型和天頂電離層延遲來模擬傾斜電離層延遲的情況[13]。1.2RTK時空基準的統(tǒng)一1.1.1時間基準統(tǒng)一GPS系統(tǒng)在正常工作時，它的時間是連續(xù)走動的，是以1980.1.6零點為時間的原點，并不斷進行時間的累加，它不需要進行閏秒的時間改正，GPS時間系統(tǒng)的運行和國際原子時間的運行相似，但是二者間有個19s的系統(tǒng)差，即：TAI-TGPS=19s[14]。1.1.2空間基準統(tǒng)一在進行精密定位和測量時，需要建立一個標準的空間坐標系。并且由衛(wèi)星的各類參數(shù)解算出的衛(wèi)星實時位置和衛(wèi)星的運行速度都能夠在該坐標系中體現(xiàn)出來[15]。GPS系統(tǒng)在進行定位和測量時，有其特定的坐標系，稱為WGS-84世界大地坐標（WorldGeodeticsystem1984）。該橢圓坐標系以地球質(zhì)心M為坐標原點；Z軸指向BIH1984.0時元定義的協(xié)議地極（CTP,CoventionalTerrestrialPole）；X軸指向BIH1984.0時元定義的零子午面與CTP相應(yīng)的赤道的交點；Y軸垂直與XMZ平面，且與X、Z軸構(gòu)成右手系[16]。如圖2-1所示。圖2-1WGS-84世界大地坐標系1.3RTK測量精度的誤差源衛(wèi)星信號從發(fā)射到傳播再到最后被接收的過程中會受到許多的干擾，我們需要通過一定的技術(shù)手段來消除或減弱這些誤差對精密定位的影響。誤差源產(chǎn)生的原因各不相同，通常我們將其分為三個類型：衛(wèi)星運行時帶來的誤差；信號傳播時受到擾動后帶來的誤差；信號接收處引起的誤差。1.3.1衛(wèi)星本身的誤差(1)衛(wèi)星運行時的軌道誤差：根據(jù)衛(wèi)星運行時反饋回來的星歷數(shù)據(jù)，能夠計算出衛(wèi)星運行時的大致位置，但是該值會和實際運行值之間有誤差，該誤差值便是衛(wèi)星運行時的軌道誤差。此項誤差可分為外推誤差和定軌誤差兩種，不同類型的運行軌道它的外推精度和定軌精度不同，因此不同的軌道衛(wèi)星計算出的軌道誤差也有差別[2]。查閱資料可得到：采用RTK定位技術(shù)進行精密定位與測量時，衛(wèi)星軌道誤差對基線誤差的影響如表2-1所示表2-1衛(wèi)星軌道誤差所帶來的的基線誤差衛(wèi)星型號運行時的誤差(m)位置高度誤差(km)1km基線誤差(m)相距20km誤差(m)相距200km誤差(m)2000km誤差(m)MEO衛(wèi)星10215000.55.050.0500.0IGSO衛(wèi)星10360000.31.727.7277.7CEO衛(wèi)星20360000.65.655.6555.6（2）衛(wèi)星的時鐘鐘差：在進行精密定位和測量時，信號接收機的計時方式和衛(wèi)星運行時的計時方式都以標準的準則在計時，但是在信號的發(fā)送與接收時，接收機時鐘和衛(wèi)星時鐘與規(guī)定的時間值是有時間差值的。這個值便是衛(wèi)星的鐘差[17]。因此衛(wèi)星的時鐘鐘差對測量精度的影響很大，只有消除該項誤差才能夠得到精密定位與測量結(jié)果。某一衛(wèi)星在t時刻的鐘差可表示[18]式(1.1):?t=其中，toc參考衛(wèi)星的運行值，t信號接收值，ao為時鐘差，a1為運行速度，a（3）發(fā)射衛(wèi)星信號時的天線誤差：衛(wèi)星的質(zhì)量中心和發(fā)射衛(wèi)星信號的天線相位中心會產(chǎn)生一定的差值，該值便是衛(wèi)星自身的天線誤差。通過衛(wèi)星觀測值所測得的實際距離為：發(fā)射衛(wèi)星信號的天線相位中心到地面接收信號的接收機間的距離，精密的時鐘鐘差和精密的衛(wèi)星星歷基于的都是衛(wèi)星質(zhì)心，但是衛(wèi)星測量值的基于卻是天線的相位中心。因此，在進行衛(wèi)星的數(shù)據(jù)處理時會相應(yīng)的誤差。在進行高精度的定位和測量時，我們需要通過查閱天線相位中心的偏差修正文件來消除該項誤差，以此來獲得高精度的位置信息。（4）相對論效應(yīng)產(chǎn)生的誤差：愛因斯坦的相對論指出：衛(wèi)星在繞著地球轉(zhuǎn)動時會有相對于地球的運動速度，同時，和海平面之間也有引力位差，故衛(wèi)星會有一個攝動的加速度，這使得在確定衛(wèi)星軌道時會產(chǎn)生誤差。地球引力場會使衛(wèi)星信號在傳播過程中海平面之間產(chǎn)生重力位差，該重力位差會隨著信號的向下傳播而變?nèi)酰虼丝臻g尺度和時間尺度標準會發(fā)生相應(yīng)的變化，此種變化會使衛(wèi)星信號發(fā)生時空彎曲，這種現(xiàn)象又叫做引力延遲，同時衛(wèi)星的時鐘和接收機的時鐘在運動速度以及重力位等狀態(tài)也不一樣，兩個時鐘間也有相對誤差[19]。利用相對定位，便能夠消除掉相對論產(chǎn)生的誤差。1.3.2與傳播路徑有關(guān)的誤差圖2-2電離層延遲誤差圖2-2電離層延遲誤差電離層對信號的干擾具體是指未發(fā)生路徑改變時的值和受到干擾后發(fā)生偏離值之差，由Fermat定律得測量距離s如式（1.2）：s=式子中，c為光速，n代表大氣折射率，我們令其折射率為1，推出衛(wèi)星到接收機的直線幾何距離s1，如式（1.s在利用載波相位進行測量時，電離層延遲誤差值可以用如式（1.4）表示：IKlobuchar在1987年提出了Klobuchar模型來解決該項誤差，并且廣泛的用于定位測量中，模型公式如（1.5）所示：其中，A為振幅，B為周期，t為地方時，由GNSS時轉(zhuǎn)化能夠得到：Dc=5ns，Tp=14h(地方時）。此模型結(jié)構(gòu)簡單，用戶不需要其他的輔助信息，只要知道廣播星歷信息就可計算出改正數(shù)（2）對流層對信號的干擾：離地面60km以下的大氣層為對流層。對流層中的各類介質(zhì)會使信號傳播時產(chǎn)生延遲誤差。由于這些介質(zhì)是不會進行擴散的，因此，衛(wèi)星信號在大氣層傳播時，產(chǎn)生的信號延遲量和信號的頻率沒有關(guān)系。對流層對信號的干擾有兩類，濕延遲指的是受水汽的影響，干延遲指的是大氣中干燥氣體的影響。對于衛(wèi)星導航信號來說，經(jīng)常使用對流層經(jīng)驗?zāi)Ｐ蛠頊p少對流層延遲的影響[21]。修正方法有：1）做差法。在固定信號接收處和移動信號接收處之間的距離(<15km)時，對固定信號接收處和移動信號接收處的同時刻獲得的衛(wèi)星信號進行做差處理，來減弱對流層對信號的干擾。2）1973年Saastamonien提出的Saastamonien模型為常用的模型，它以觀測站的維度、高程和觀測高度角、干濕度、水氣壓為變量函數(shù)，改正的模型公式如式(1.6)所示：T式中，p指總氣壓,T指的是絕對溫度，e是水蒸氣分壓，l頂角。3）多路徑效應(yīng)：衛(wèi)星信號傳播時會受到各類障礙物的遮擋并發(fā)生信號的反射，因此接收機天線在接收電磁波信號時，還會接收到經(jīng)過一次或者數(shù)次反射以后的信號，從而導致衛(wèi)星測量值產(chǎn)生難以規(guī)避的誤差，如圖2-3產(chǎn)生多路徑效應(yīng)的原因有很多，無法構(gòu)造合適的模型，因此很難通過固定的模型進行誤差修正。只能從源頭上切斷多路徑效應(yīng)帶來的誤差影響。例如，在寬闊的地方放置接收機，最大限度的遠離障礙物所帶來的誤差影響；使用屏蔽性能好的接收機來接收數(shù)據(jù)等。圖2-3多路徑延遲1.3.3與接收機自身有關(guān)的誤差（1）接收機的時鐘鐘差由于接收機內(nèi)部的硬件電路中有晶體振蕩器的存在，因此，其在運行時會受到溫度、負載等因素的干擾而發(fā)生頻率漂移，故接收機鐘面與標準時間會產(chǎn)生時間上的偏差，這就是接收機的時鐘鐘差。雖然接收機內(nèi)部的時鐘是由精度特別高的石英晶體制成的，其內(nèi)部產(chǎn)生的鐘差也特別小，但是映射到距離上誤差依然很大。同時，此誤差并不會隨著時間的增長而減弱，反而會越來越大。故我們需要找到合適的解決方法來消除此類誤差，具體可通過兩種方式來解決：一是把接收機鐘差和位置的坐標信息都作為未知值來求解；二是進行相對定位，在不同衛(wèi)星之間進行差分來消除[22]。（2）接收機接收信號時的天線誤差信號接收處在接收信號的時候?qū)嶋H的天線相位中心會和理論值產(chǎn)生一定的偏差，這便是信號接收處獲得信號時的天線誤差。在進行信號的測量時，信號接收處的瞬時位置會隨著接收信號持續(xù)的發(fā)生變化，從而使天線的相位中心和理論值不能夠保持同步，進而誤差便會產(chǎn)生。進行高精度的定位時，可參考已知的IGS誤差消除模型來進行誤差修正。（3）觀測時的噪聲信號接收處在獲取信號時，各種不可抗因素也會對信號的接收產(chǎn)生影響，統(tǒng)稱為噪聲。同時衛(wèi)星的各類觀測噪聲是不具有相關(guān)性的。載波相位的噪聲誤差指在2mm左右，觀測噪聲為所發(fā)射載波信號波長的1%。在對載波相位數(shù)據(jù)進行處理時，通過相對靜態(tài)長時間觀測取平均值來減弱觀測噪聲的影響[23]。1.4RTK的數(shù)據(jù)傳輸格式進行RTK精密定位時，獲取的衛(wèi)星數(shù)據(jù)為RINEX（ReceiverIndependentExchangeFormat