無人機中的RTK差分定位技術(shù)解析

一、什么是RTK

實時動態(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測量方法。以前的靜態(tài)、快速靜態(tài)、動態(tài)測量都需要事后進行解算才能獲得厘米級的精度，而RTK是能夠在野外實時得到厘米級定位精度的測量方法，它能實時提供觀測點的三維坐標，并達到厘米級的高精度。與偽距差分原理相同，由基準站通過數(shù)據(jù)鏈實時將其載波觀測量及站坐標信息一同傳送給用戶站。用戶站接收GPS衛(wèi)星的載波相位 與來自基準站的載波相位，并組成相位差分觀測值進行實時處理，能實時給出厘米級的定位結(jié)果。實現(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。后者將基準站采集的載波相位發(fā)送給用戶臺進行求差解算坐標。前者為準RTK技術(shù)，后者為真正的RTK技術(shù)。

二、GPS與RTK

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

常規(guī)的GPS測量方法，如靜態(tài)、快速靜態(tài)、動態(tài)測量都需要事后進行解算才能獲得厘米級的精度，而RTK是能夠在野外實時得到厘米級定位精度的測量方法，它采用了載波相位動態(tài)實時差分（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、地形測圖，各種控制測量帶來了新曙光，極大地提高了外業(yè)作業(yè)效率。

高精度的GPS測量必須采用載波相位觀測值，RTK定位技術(shù)就是基于載波相位觀測值的實時動態(tài)定位技術(shù)，它能夠?qū)崟r地提供測站點在指定坐標系中的三維定位結(jié)果，并達到厘米級精度。在RTK作業(yè)模式下，基準站通過數(shù)據(jù)鏈將其觀測值和測站坐標信息一起傳送給流動站。流動站不僅通過數(shù)據(jù)鏈接收來自基準站的數(shù)據(jù)，還要采集GPS觀測數(shù)據(jù)，并在系統(tǒng)內(nèi)組成差分觀測值進行實時處理，同時給出厘米級定位結(jié)果，歷時不到一秒鐘。流動站可處于靜止狀態(tài)，也可處于運動狀態(tài)；可在固定點上先進行初始化后再進入動態(tài)作業(yè)，也可在動態(tài)條件下直接開機，并在動態(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，即可進行每個歷元的實時處理，只要能保持四顆以上衛(wèi)星相位觀測值的跟蹤和必要的幾何圖形，則流動站可隨時給出厘米級定位結(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定位時要求基準站接收機實時地把觀測數(shù)據(jù)（偽距觀測值，相位觀測值）及已知數(shù)據(jù)傳輸給流動站接收機，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現(xiàn)。

GPS接收機如何分類

GPS衛(wèi)星發(fā)送的導(dǎo)航定位信號，是一種可供無數(shù)用戶共享的信息資源。對于陸地、海洋和空間的廣大用戶，只要用戶擁有能夠接收、跟蹤、變換和測量GPS信號的接收設(shè)備，即GPS信號接收機。可以在任何時候用GPS信號進行導(dǎo)航定位測量。根據(jù)使用目的的不同， 用戶要求的GPS信號接收機也各有差異。目前世界上已有幾十家工廠生產(chǎn)GPS接收機， 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。

按接收機的用途分類

導(dǎo)航型接收機

此類型接收機主要用于運動載體的導(dǎo)航，它可以實時給出載體的位置和速度。這類接收機 一般采用C/A碼偽距測量，單點實時定位精度較低，一般為±25mm，有SA影響時為±100mm。這類接收機價格便宜，應(yīng)用廣泛。根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的不同，此類接收機還可以進一步分為：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--用于飛機導(dǎo)航定位。由于飛機運行速度快，因此，在航空上用的接收機要求能適應(yīng)高速運動。星載型--用于衛(wèi)星的導(dǎo)航定位。由于衛(wèi)星的速度高達 7km/s以上，因此對接收機的要求更高。

測地型接收機

測地型接收機主要用于精密大地測量和精密工程測量。定位精度高。儀器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格較貴。

授時型接收機

這類接收機主要利用GPS衛(wèi)星提供的高精度時間標準進行授時，常用于天文臺及無線電通訊中時間同步。

按接收機的載波頻率分類

單頻接收機

單頻接收機只能接收L1載波信號，測定載波相位觀測值進行定位。由于不能有效消除 電離層延遲影響，單頻接收機只適用于短基線（《15km）的精密定位。雙頻接收機 雙頻接收機可以同時接收L1，L2載波信號。利用雙頻對電離層延遲的不一樣，可以消除電離層 對電磁波信號的延遲的影響，因此雙頻接收機可用于長達幾千公里的精密定位。

按接收機通道數(shù)分類

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

碼相關(guān)型接收機

碼相關(guān)型接收機是利用碼相關(guān)技術(shù)得到偽距觀測值。

平方型接收機

平方型接收機是利用載波信號的平方技術(shù)去掉調(diào)制信號，來恢復(fù)完整的載波信號 通過相位計測定接收機內(nèi)產(chǎn)生的載波信號與接收到的載波信號之間的相位差，測定偽距觀測值。

混合型接收機

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

干涉型接收機

這種接收機是將GPS衛(wèi)星作為射電源，采用干涉測量方法，測定兩個測站間距離。

RTK技術(shù)如何應(yīng)用

1．各種控制測量 傳統(tǒng)的大地測量、工程控制測量采用三角網(wǎng)、導(dǎo)線網(wǎng)方法來施測，不僅費工費時，要求點間通視，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)測量、快速靜態(tài)、偽動態(tài)方法，在外業(yè)測設(shè)過程中不能實時知道定位精度，如果測設(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，而采用RTK來進行控制測量，能夠?qū)崟r知道定位精度，如果點位精度要求滿足了，用戶就可以停止觀測了，而且知道觀測質(zhì)量如何，這樣可以大大提高作業(yè)效率。如果把RTK用于公路控制測量、電子線路控制測量、水利工程控制測量、大地測量、則不僅可以大大減少人力強度、節(jié)省費用，而且大大提高工作效率，測一個控制點在幾分鐘甚至于幾秒鐘內(nèi)就可完成。

2．地形測圖 過去測地形圖時一般首先要在測區(qū)建立圖根控制點，然后在圖根控制點上架上全站儀或經(jīng)緯儀配合小平板測圖，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，利用大比例尺測圖軟件來進行測圖，甚至于發(fā)展到最近的外業(yè)電子平板測圖等等，都要求在測站上測四周的地形地貌等碎部點，這些碎部點都與測站通視，而且一般要求至少2-3人操作，需要在拼圖時一旦精度不合要求還得到外業(yè)去返測，現(xiàn)在采用RTK時，僅需一人背著儀器在要測的地形地貌碎部點呆上一二秒種，并同時輸入特征編碼，通過手簿可以實時知道點位精度，把一個區(qū)域測完后回到室內(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，不要求點間通視，大大提高了工作效率，采用RTK配合電子手簿可以測設(shè)各種地形圖，如普通測圖、鐵路線路帶狀地形圖的測設(shè)，公路管線地形圖的測設(shè)，配合測深儀可以用于測水庫地形圖，航 海海洋測圖等等。

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

三、無人機中的RTK

最近幾年無人機市場可以說的上是非常火爆的，無人機公司也是數(shù)不勝數(shù)。無人機的應(yīng)用場合也是非常之多的，農(nóng)業(yè)、物流、安防、巡航、測繪、航拍等等都得到了非常好的應(yīng)用。同時無人機市場也催生了許多的配套設(shè)備的發(fā)展。RTK在工業(yè)無人機上的應(yīng)用就是一個很好的例子，他的精準性可以說的上是相當完美，在固定解狀態(tài)定位精度是可以達到厘米級的。在這里就不對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。再在接收機上求差解算坐標位置。這種解算出來的數(shù)據(jù)定位精度可以到達厘米級，當然這個是相對基站的定位精度，因為基站獲取自身的坐標屬于單點位置，而單點位置本身就存在誤差。

RTK一旦進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RTK的數(shù)據(jù)的可靠性還是非常重要的，因為基本上市面上的RTK系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的可靠性都是99.99%，還有就是中間差分數(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)來進行判別，比如固定解的標志，位置方差等等，大家有興趣可以自己去發(fā)掘，這個也是需要很多實驗才能夠得出的。

我這里就不對這些個方案進行詳細去描述，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。這里我們貼出兩個參考方案，一個是基于普通無線的方式，這個主要是考慮移動性強，設(shè)計簡單，缺點是基站無線覆蓋范圍小。還有一個是基于GSM網(wǎng)絡(luò)方案，這個方案應(yīng)用性強，但是這個就類似于手機基站了，這個覆蓋范圍廣（但是這個也不能太廣了最好是《60km），缺點是維護成本高，開發(fā)周期長。

無線方案就比較簡單，一個基站+一個無線模塊就可以解決。

這個主要是把差分數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到服務(wù)器再分發(fā)到移動站終端，這個從長期的角度上來看是比較靠譜的，畢竟省了基站，而且這種差分數(shù)據(jù)也是可以應(yīng)用在很多的場合的。這個就對很多無人機應(yīng)用的場合就提出了要求，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在無人機上的應(yīng)用在一定程度上是非常重要的，畢竟這個是在天上飛，一旦有差池就掉下來，那樣損失就大了。目前很多領(lǐng)域的無人機都要求精準定位，比如農(nóng)業(yè)無人機就要求在噴灑的時候不漏噴、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。