中航恒拓 | 什么是无人机RTK差分定位技术?

发布于 2018年06月07日 / 编辑于 2018年07月08日 / 技术科普

          随着无人机技术的不断发展,精确的位置信息变得越来越重要,能让无人机实现真正的无人自动飞行等智能应用。因此,RTK定位技术逐渐被应用到无人机领域中。接下来我们为大家讲述并分析什么是RTK 差分定位系统和一些使用时的注意事项。 

RTK 技术原理

        RTK(Real - time kinematic)实时动态差分法。这是一种新的常用的GPS 测量方法,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,历时不足一秒钟。  

RTK 技术的优点

  1. RTK 作业自动化、集成化程度高,测绘功能强大。RTK 可胜任各种测绘内、外业。流动站利用内装式软件控制系统,无需人工干预便可自动实现多种测绘功能,使辅助测量工作极大减少,减少人为误差,保证了作业精度。
  2. 降低了作业条件要求。RTK 技术不要求两点间满足光学通视,只要求满足“电磁波通视”和对天基本通视,因此,和传统测量相比,RTK 技术受通视条件、能见度、气候、季节等因素的影响和限制较小,在传统测量看来由于地形复杂、地物障碍而造成的难通视地区,只要满足RTK 的基本工作条件,它也能轻松地进行快速的高精度定位作业。
  3. 定位精度高,数据安全可靠,没有误差积累。不同于全站仪等仪器,全站仪在多次搬站后,都存在误差累积的状况,搬的越多,累积越大,而RTK 则没有,只要满足RTK的基本工作条件,在一定的作业半径范围内,RTK 的平面精度和高程精度都能达到厘米级。
  4. 作业效率高。在一般的地形地势下,高质量的RTK设站一次即可测完10km 半径左右的测区,大大减少了传统测量所需的控制点数量和测量仪器的“搬站”次数,仅需一人操作,在一般的电磁波环境下几秒钟即得一点坐标,作业速度快,劳动强度低,节省了外业费用,提高了测量效率。  
  5. 操作简便、数据处理能力强。南方测绘RTK 的基准站无需任何设置,移动站就可以边走边获得测量结果坐标或进行坐标放样。数据输入、存储、处理、转换和输出能力强,能方便快捷地与计算机、其他测量仪器通信。

RTK 技术的缺点

  1. RTK 测量受接收卫星个数限制,RTK 接收天空卫星个数低于4 个时不能正常工作。
  2. 受一些地域限制,城区楼群林立、山区山高林密,跨越沟岗、基准站与流动站距离过大时,流动站接收不到基准站发射的电台信号,导致流动站只有浮动解,而无固定解。因此在这些地区作业时RKT 的高作业效率得不到体现。 
  3. 温度过低时,天线电缆线变硬,给作业带来不便。 

RTK 的误差特性:

        同仪器和干扰有关的误差,同仪器和干扰有关的误差包括天线相位中心变化、多径误差、信号干扰和气象因素:  

  1. 天线相位中心变化。天线的机械中心和电子相位中心一般不重合。而且电子相位中心是变化的,它取决于接收信号的频率、方位角和高度角。天线相位中心的变化,可使点位坐标的误差一般达到3-5cm。因此,若要提高RTK 定位精度,必须进行天线检验校正,检验方法分为实验室内的绝对检验法和野外检验法。 
  2. 多路径误差。多径误差是RTK 定位测量中最严重的误差。多径误差取决于天线周围的环境。多径误差一般为几厘米,高反射环境下可超过10cm。  

多径误差可通过下列措施予以削弱:

         选择合适的站址:

  1. 测站应远离大面积平静的水面。灌木丛、草和其他地面植被能较好地吸收微波信号的能量,是较为理想的设站地址。翻耕后的土地和其他粗糙不平的地面的反射能力也较差,也可以选站。
  2. 测站不宜选择在山坡、山谷和盆地中。以避免反射信号从天线抑径板上方进入天线,产生多路径效应。
  3. 测站应离开高层建筑物。观测时,汽车也不要停放得离测站附近。
  4. 在天线中设置抑径板。
  5. 接收天线对于极化特性不同的反射信号应该有较强的抑制作用。
  6. 信号干扰。信号干扰可能有多种原因,如无线电发射源、雷达装置、高压线等,干扰的强度取决于频率、发射台功率和至干扰源的距离。为了削弱电磁波辐射副作用,必须在选点时远离这些干扰源,离无线电发射台应超过200 米,离高压线应超过50米。在基地站削弱天线电噪声最有效的方法是连续监测所有可见卫星的周跳和信噪比。 
  7. 气象因素。快速运动中的气象峰面,可能导致观测坐标的变化达到1-2dm。因此,在天气急剧变化时不宜进行RTK 测量。 

同距离有关的误差

        同距离有关的误差包括轨道误差、电离层误差和对流层误差,其的主要部分可通过多基准站技术来消除。但是,其残余部分也随着至基地站距离的增加而加大。 

  1. 轨道误差。目前,轨道误差只有几米,其残余的相对误差影响约为1ppm,就短基线(<10km)而言,对结果的影响可忽略不计。但是,对20-30km 的基线则可达到几厘米。 
  2. 电离层误差。电离层引起电磁波传播延迟从而产生误差,其延迟强度与电离层的电子密度密切相关,电离层的电子密度随太阳黑子活动状况、地理位置、季节变化、昼夜不同而变化,白天为夜间的5 倍,冬季为夏季的5 倍,太阳黑子活动最强时为最弱时的4 倍。利用下列方法使电离层误差得到有效的消除和削弱:利用双频接收机将L1 和L2 的观测值进行线性组合来消除电离层的影响;利用两个以上观测站同步观测量求差(短基线);利用电离层模型加以改正。 
  3. 对流层误差。对流层的折射与地面气候、大气压力、温度和湿度变化密切相关,这也使得对流层折射比电离层折射更复杂。对流层折射的影响与信号的高度角有关,当在天顶方向(高度角为90°),其影响达2.3m;当在地面方向(高度角为10°),其影响可达20m。  

         RTK 模式时移动站和基准站有效作用半径相距不太远(一般小于20km),由于信号通过对流层的路径相似,所以对同一卫星的同步观测值求差,可以明显地减弱对流层折射的影响。这一方法在精密测量相对定位中被广泛应用。  

结论  

  1. 利用RTK 进行线路测量,遵循了“从整体到局部”的测量原则,避免了传统测量方法中“从局部到局部”的误差累积和传播,保证了线路路径走向的准确无误。 
  2. RTK 与航测方法相结合,可真正实现送电线路测量的一次性终勘定位,并可保证工程质量,大大提高工作效率,减少青苗砍伐和环境破坏,降低工程成本,减少野外劳动强度。可以预见,航测方法与RTK 相结合,将是今后送电线路测量的最终方向。
  3. 利用RTK 进行选线,也可以大大优化线路路径走向,有效地避开建筑物和不良地质地段,使线路路径走向更加经济合理。