實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分GPS的發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀

1、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分GPS(RTD/RTK發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分GPS(RTD/RTK的發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀(塘沽渤海雷卡定位測量有限公司)曾望賢張興旺:實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分GPS(RTD/RTK的發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀，石油儀器,1997,11(1),36,11。摘要：80年代以來,實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分GPS測量技術(shù)發(fā)展很快。近年又有重大突破，從常規(guī)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差 分GPS(RTD)發(fā)展到載波相位實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分GPS(RTK)。文章就RTD與RTK發(fā)展現(xiàn)狀及其原理方 法、定位精度及其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行討論，可供專業(yè)人員或單位選型參考。主題詞：地球物理勘探常規(guī)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測量(RTD)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)相位測量(RTK)快速逼近(FARA) 寬巷組合波作

2、者介紹：曾望賢高級(jí)工程師,1938年生,1957年畢業(yè)于西安石油學(xué)校地形測量專業(yè)。長期從事海 上定位測量及定位導(dǎo)航設(shè)備的引進(jìn)與驗(yàn)收工作?，F(xiàn)任中英渤海雷卡定位測量有限公司副總經(jīng)理助 理。郵編:300451引言出于軍事和政治上的原因，美國在GPS定位系統(tǒng)研制的初始，就提出了限制使用的一系列政 策，首先把高精度的P碼加以保密，只讓使用只有25 m精度的C/A(精碼)信號(hào)，進(jìn)而于1992 年又實(shí)施SA (Selectic Avalability)政茂把精度猛降到100m左右，從而使民間在工程測量上幾乎 沒有可用價(jià)值。然而各國技術(shù)人員也在不斷地研究采取反限制技術(shù)，由于電子技術(shù)、計(jì)算技術(shù)的 不斷發(fā)展，反限

3、制技術(shù)取得了相當(dāng)成功。首先，在80年代中期，人們?cè)陟o態(tài)測量中引入事后差分技術(shù)，成功地利用載波相位測量，把 精度提高到毫米級(jí)，加上GPS測量不受通視條件限制，具有全大候作業(yè)等特點(diǎn)，因此首先應(yīng)用在 測繪控制專業(yè)，而巳動(dòng)搖了測繪專業(yè)傳統(tǒng)的經(jīng)典測繪方法，把測繪控制測量提高到一個(gè)全新的階 段。同時(shí)，各國又利用實(shí)時(shí)差分技術(shù)，用C / A碼測量，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差九把實(shí)時(shí)測量精度從100 m左右提高到l 7m，這種技術(shù)的應(yīng)用又動(dòng)搖了沿襲使用了幾十年的各類無線電定位系統(tǒng)。如 今，ARGO、SYLEDIS、TRISPONDER等各類無線電定位系統(tǒng)己紛紛被差分GPS系統(tǒng)所取代， 這使定位導(dǎo)航界一場大變革。但是，這種

4、突破性的變革仍在繼續(xù)，近幾年，人們又利用載波相位實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分技術(shù)，把實(shí) 時(shí)測量精度從RTD的幾米又提高到亞米級(jí)甚至厘米級(jí)，幾乎相當(dāng)于先期的靜態(tài)事后差分的精度， 從而使測繪專業(yè)的碎部測量、高精度的工程放樣測量成為現(xiàn)實(shí)。GPS定位在實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分技術(shù)上 的突飛發(fā)展，給定位導(dǎo)航及工程測量帶未廣周的應(yīng)用前景，其經(jīng)濟(jì)效益不可估量。RTD 一常規(guī)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分GPS因?yàn)樵趯?shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測量中，最先在碼相位測量上引入差分技術(shù)，所以把實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)碼相位差分測量稱 作常規(guī)差分 GPS 測量一 RTD (Real TwieDtherential)1 RTD測量原理及精度GPS測量主要誤差有如下三項(xiàng)：衛(wèi)星時(shí)鐘誤基約2 15 m。

5、2.大氣影響：包括電高層及對(duì)流層影響，約2 15 m。3.選擇可用性誤羞SA）,約100。由于上述幾個(gè)主要誤差的存在，所以單點(diǎn)定位精度只能在100 m左右。然而這些誤差具有共同的 特性，這就是在相距不遠(yuǎn)的（比如幾十公里至幾百公里）兩臺(tái)接收機(jī)同時(shí)對(duì)某衛(wèi)星進(jìn)行測量時(shí)， 其誤差對(duì)兩臺(tái)接收機(jī)的影響是相關(guān)的。根據(jù)此原理，如果其中一臺(tái)接收機(jī)置于己知位置的點(diǎn)上測 量，則可以計(jì)算出誤差值（也稱校正值）將該校正值傳送到另一臺(tái)接收機(jī)，校正其測量值，因其 誤差相關(guān)，所以該接收機(jī)最后測量結(jié)果，其主要誤差基本消除，這就是常規(guī)動(dòng)態(tài)差分GPS定位的 基本原理。己知位置的接收機(jī)稱基淮臺(tái)（或參考臺(tái)），其它臺(tái)稱移動(dòng)臺(tái)。校正值由數(shù)

6、據(jù)傳輸鏈發(fā)送 給移動(dòng)臺(tái)。差分方式有位置差分及偽距差分兩種，前者簡單，精度稍差，后者是在偽距上進(jìn)行校 正。RTD的測量誤差與基線長度（移動(dòng)臺(tái)一基準(zhǔn)臺(tái)距高）成正比，如果經(jīng)濾波或相位平滑，精度 會(huì)進(jìn)一步提高。RTD測量精度見表1。聶1測最精度(m 1偽所虹用仲.平滑 （rr）近訴a- a1 - J1w 2iin km中獨(dú)。72- 3-L 3v 】口口口 Mm7- 1 S3- 72.RTD主要系統(tǒng)組成RTD由下列三部分組成；基淮臺(tái)衛(wèi)星接收機(jī)及接收天線；移動(dòng)臺(tái)衛(wèi)星接收機(jī)及接收大線；數(shù)據(jù)傳輸挽包括校正值處理乳數(shù)字調(diào)制解調(diào)器，數(shù)據(jù)發(fā)射機(jī)及數(shù)據(jù)接收機(jī)。系統(tǒng)組成如圖1所/示OiitdRTD系統(tǒng)使用的衛(wèi)星接收機(jī)單

7、頻機(jī)就可隊(duì)但要求接收通道要盡可能的多，基淮臺(tái)要有10個(gè)以上接 收通道，標(biāo)淮配置是12個(gè)通道。這是為了能接收到所有通過的衛(wèi)星，以保證其它移動(dòng)臺(tái)因環(huán)境差 異不能接收到全部通過衛(wèi)星時(shí)，仍能對(duì)應(yīng)基淮臺(tái)有4個(gè)以上衛(wèi)星進(jìn)行選擇的可能憂實(shí)施RTD的關(guān)鍵是數(shù)據(jù)傳輸鏈，基準(zhǔn)臺(tái)要將大量的信息傳送到移動(dòng)包差分定位精度的好壞與差分 校正值的更新率與數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性密切相關(guān)，因此對(duì)數(shù)據(jù)鏈的要求是數(shù)據(jù)傳輸淮確可靠，速度 快。一般要求數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`碼率應(yīng)小于10，差分?jǐn)?shù)據(jù)的更新率應(yīng)小于10 S由于。SA”的影響， 超過10 S校正值項(xiàng)的變化將明顯增大而降低精度。3 .RTD現(xiàn)狀及其應(yīng)用常規(guī)差分GPS定位技術(shù)目前己經(jīng)相當(dāng)成熟成

8、熟的標(biāo)志是：l系統(tǒng)精度穩(wěn)定由于關(guān)鍵技術(shù)部位的數(shù)據(jù)傳輸鏈的質(zhì)量和可靠性均己達(dá)到較高的水平，采用了 EDAC技術(shù)（錯(cuò)誤 檢查和改正）。使數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`碼率很低。有的數(shù)據(jù)鏈采用雙頻發(fā)射，以避免大氣噪聲干擾。目前 RTD的精度在1- 10 m內(nèi)是比較穩(wěn)定的，可信度為2S嗎m a，即96%的數(shù)據(jù)在這個(gè)范巴2系統(tǒng)產(chǎn)品齊全目覦RTD的產(chǎn)品從近程、中程、遠(yuǎn)程等系列產(chǎn)品相繼投入應(yīng)用，作用距離最遠(yuǎn)的可達(dá)到干公里， 基本上覆蓋了所有較遠(yuǎn)的海域。3設(shè)備輕便靈活由于微電于及數(shù)據(jù)處理等一些高新技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，目前的差分GPS設(shè)備不斷換代，設(shè)備體積越 來越小，重量越來越輕，移動(dòng)臺(tái)設(shè)備包括衛(wèi)星接收機(jī)，校正值接收機(jī)，調(diào)制解調(diào)器，

9、可以完整地 組裝在一個(gè)箱體，其重量不過2 3 kg。近程基淮臺(tái)也非常輕便靈活，一個(gè)人1h就可以安裝完成。 即是比較笨重的遠(yuǎn)程基淮臺(tái)，其電源、GPS接收機(jī)、解調(diào)器、數(shù)據(jù)發(fā)射機(jī)等也可以組裝在一個(gè)機(jī) 柜中，加上接收及發(fā)射大線等設(shè)備一部車就可以搬走，兩個(gè)工作人員兩天可以安裝調(diào)試完成。RTD技術(shù)日趨完善可靠，其各項(xiàng)性能均優(yōu)于傳統(tǒng)的無線電定位系統(tǒng)，表2是簡要對(duì)比。由于RTD GPS整個(gè)系統(tǒng)設(shè)備少，易管理，故障少，精度高，成本低，效益高等優(yōu)點(diǎn)，所以各類 無線電定位系統(tǒng)己逐漸被常規(guī)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分GPS所替代，目前RTD己廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，特 別是海上作業(yè)，如海洋物幌包括二維、三維地震勘探；井場調(diào)查、平臺(tái)移位；

10、工程管道鋪設(shè)；水 道測量常規(guī)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分GPS是采用碼相位測量，因此其精度不可能進(jìn)一步提高，而巳三維坐標(biāo)中的高 程誤差是水平誤差的2倍，即高程誤差在2 15 m。這在某些要求三維坐標(biāo)的作業(yè)，高程精度是 難以滿足要求的。RTK 一實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)載波相位差分GPS實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)載波相位差分GPS測量是指在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下通過跟蹤處理接收衛(wèi)星信號(hào)的載波相位，從而 獲得比RTD 一常規(guī)差分GPS測量高得多的定位精度。為了和常規(guī)的碼相位差分GPS相區(qū)別，稱 實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)載波相位差分GPS為RTK，也有稱作RTK / OTF (RealTwie Kinematlyon The Fly)RTK是在載波相位上進(jìn)行測量，所以精度很高

11、，可以達(dá)到幾厘米或幾分米的精度。這樣高的精度 其應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展到許多范圍。然而，在動(dòng)態(tài)情況下，實(shí)施相位測量有很大難度，主要是多值性， 也就是如何求解初始整周未知數(shù)問題。1關(guān)鍵問題一一整周未知數(shù)測量點(diǎn)P到任一衛(wèi)星在t.時(shí)刻相應(yīng)測量有下式：中=N + Nn| I 式中.為在t.時(shí)刻測量點(diǎn)到任一衛(wèi)星間相位測量的相位數(shù)值；A甲為在t.時(shí)刻相應(yīng)測量的小數(shù) 值(l周內(nèi))；N。為信號(hào)從島時(shí)鎖定到局時(shí)刻接收到達(dá)的載波信號(hào)進(jìn)行拍頻計(jì)數(shù)的累計(jì)整周數(shù)；N。 為在島時(shí)刻前載波相位從衛(wèi)星到測量點(diǎn)在空間傳播的整周故A叩是瞬時(shí)可以測量到的值，N。是 在相位鎖定后可通過累計(jì)得到，唯N。是個(gè)未知?jiǎng)P這是無法通過觀測得到的值，稱初始

12、整周未知 數(shù)，也稱整周模糊度或多值性。*段2載波用忡.觀測環(huán)底區(qū)（1）式可以用圖2表示。從式和圖2可知，要進(jìn)行載波相位測量，必須解決整周未知數(shù)N。 問題，在靜態(tài)測量電可利用長時(shí)間觀測和事后處理求解出N。，然而在動(dòng)態(tài)下求解N。就非常困難。2求解整周未知數(shù)的方法在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下求解整周未知數(shù)叫無初始化相位測量。主要方法有：l快速逼近法（FARA）FARA門ast Am b嗎ulty Resolutl。n Approach）法是以統(tǒng)計(jì)理論為依據(jù)，在某一估值的范圍內(nèi)搜 索一組方差之和為最小的似然整周數(shù)解集。這種以統(tǒng)計(jì)方式求解整周未知數(shù)的方法速度快，陰加 條件少。估值是以常規(guī)差分方法得到的解值，所以常規(guī)碼相

13、位差分是基礎(chǔ)，估值精度越高，求解 的范圍就越小，求解的速度就越快，準(zhǔn)確性就越高。該方法的優(yōu)點(diǎn)是使用單頻接收機(jī)就可以，缺 點(diǎn)是需要一定的時(shí)間，需要幾秒鐘到幾分鐘才能完成初始化。2組合波寬巷處理：它的前提是必須采用雙頻接收機(jī)。仍然利用常規(guī)碼相位差分測量，得到一個(gè)整周模糊度的近似估 值，然后再對(duì)偽距噪聲及多路徑效應(yīng)進(jìn)行平滑，以減少整周數(shù)的搜索個(gè)數(shù)，最后根據(jù)雙頻信號(hào)， 通過兩種波長（巷寬）的線性組合，可以得到一個(gè)寬巷的巷寬。CjPS系統(tǒng)發(fā)射了和八隋個(gè)頻-率./. = （ 5 7 5. 42 M H %= I 2-27. fid M H T,波蕓0.-J4 in.迎過如下組合計(jì)算平以得劃一個(gè)塹林波長上：

14、顯然，寬巷的波長比單頻的波長大4倍，利用寬巷極易在估值范圍內(nèi)求出巷寬的整周模糊度，再利 用/和寬巷的參數(shù)間的線性關(guān)系求出/和整周未知故組合波法其優(yōu)點(diǎn)是求解速度快，一般需幾秒至十幾秒時(shí)鳳缺點(diǎn)是需配置雙頻接收機(jī)成本要高出單 頻機(jī)一倍。3 .RTK的發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)載波相位測量是差分GPS測量技術(shù)的一大突破，它把實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)下的定位精度提高到過去 只能在靜態(tài)測量中經(jīng)過較長時(shí)間(1 2 h)測量，而巳需要事后處理才能得到的精度一一幾厘 米或幾分米。由于RTK GpS測量精度高，而巳是實(shí)時(shí)，無需事后處理，因此它己使當(dāng)前GPS技術(shù)發(fā)展到最高 點(diǎn)。它的應(yīng)用領(lǐng)域己擴(kuò)大到許多方面。1 RTK突出的優(yōu)點(diǎn)：高精度

15、：采用高性能雙頻機(jī)可達(dá)到2。m+2PPm x D，性能差的也可達(dá)到亞米級(jí)；實(shí)時(shí)性能：在 現(xiàn)場即可得到三維坐標(biāo)，并能實(shí)時(shí)放樣出設(shè)計(jì)坐泳輕便靈活：設(shè)備都非常輕便，不包括電源基準(zhǔn)臺(tái)只有十多公斤，移動(dòng)臺(tái)只有幾公斤，搬遷安裝非 常靈活。2應(yīng)用領(lǐng)域：一一地震測線放樣，可以根據(jù)設(shè)計(jì)測線的檢波點(diǎn)及炮點(diǎn)位置在實(shí)地確認(rèn)。由于有很高的三維坐標(biāo) 精度，在陸地測量中，可以同時(shí)得到點(diǎn)位的平面位置和高程。一一代替常規(guī)的GPS靜態(tài)控制測量，因幾厘米或幾分米的精度可以滿足一般工程測量中的控制精 度要灰無需長時(shí)間靜態(tài)測量事后處理。一一高精度的工程測量：如航道測量，地形測圖，道路工程等。3幾種典型的RTK設(shè)備性能如表3所示。新兒種

16、鹿型HTK 能r家：類S度N間tr用T nrn hlg R T li*1rm hie安司舞E 1浦III1 UsW r|d 河L氟新廠W級(jí)1is m ci f*美舊1姑r巴由 1. L35綠I- 1M nukn rTE S I I. KC E 1L JIce域1 Dkni4U1關(guān) I k.、d In cLI1 Ln郎04 RTK的局限性(1)作用距離有限：RTK測量在解算整周未知數(shù)時(shí)，需要一個(gè)近似的估值，該估值是以碼相位常規(guī)差分測量求得的， 作用距高太大時(shí)，該估值的誤差就大，有可能在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下無法搜索到可靠的整周數(shù)解，導(dǎo)致作 業(yè)失敗，因此作用距高就非常有限，一般要得到厘米級(jí)精度作用距離不能大于

17、10 15 km，要 得到亞米級(jí)精度作用距高不能大于5 0 km，隨著今后研究的深入和技術(shù)不斷完善，作用距離可能放寬。（2）初始化時(shí)間的等待在動(dòng)態(tài)下求解整周模糊度一一即初始化需要一定時(shí)間（幾秒到幾分鐘），因此在連續(xù)動(dòng)態(tài)作業(yè)過程 電一巳信號(hào)失鎖，需要重新進(jìn)行初始化，在初始化過程中，精度將降低到常規(guī)差分GPS的精度， 只有等待初始化完成，精度才能恢復(fù)到原有的精度。4.結(jié)束語RTD作為海洋勘探的定位導(dǎo)航設(shè)備己經(jīng)相當(dāng)成熟，遠(yuǎn)程的RTD己能達(dá)到1 5 m的精度，這時(shí)常 規(guī)的二維，三維地震勘探是有保證的。TRK以其厘米級(jí)的高精度和輕便靈活為優(yōu)勢，作為海灘及內(nèi)陸湖泊等小區(qū)域物探作業(yè)極為有利。 尤其陸地部分地震作業(yè)要求點(diǎn)位具有高程數(shù)據(jù)且誤差不能大于2 m，RTK完全滿足這些條件它 的輕便靈活又為復(fù)雜地區(qū)隨意搬遷安裝提供了方便。我單位在新疆博湖地區(qū)作業(yè)，由于地區(qū)復(fù)雜， 應(yīng)答器系統(tǒng)使用了8個(gè)岸包4套移動(dòng)包外加經(jīng)緯儀和紅外線測距儀，如果使用一套R(shí)TK，就可以替 代上述所有設(shè)備。不管從管理或效益上講，盡快由RTK替代之是明智的選擇。參考文獻(xiàn)：1Brookfie1dEngineeringLaboratories,Inc:Moreso1utionstostick