什麼是RTK？GPS導航和RTK的基本原理有什麼不同？

        極飛科技XAG在 2015 年開始自營作業，當時使用的是單點 GPS， 遇到了各種羅盤幹擾、航迹偏移、起降需人工幹預等問題；2015 年下半年開始做 RTK 相關的研發，努力實作全自主飛行。極飛的 P系列植保無人機所使用的RTK 是雙天線版本，能夠測量航向，不受地磁幹擾，精準的飛行作為基礎實作了全自主飛行和精準的變量噴灑。另外，極飛地理C2000測繪無人機 的拍攝也需要 RTK，因為需要保證高清地圖是精确的，這樣才能保證在 App 上智能識别農田的邊界，實作精準地圖，協助規劃航線。

RTK 的基本概念

        RTK 有兩個重要概念：固定站（也就參考站）和移動站。固定站顧名思義就是固定在地面上為移動站提供參考基準的基站，在使用過程中不可移動，固定基站、雲基站和移動基站都是固定站；移動站是進行作業的裝置，它使用固定站發送來的差分資料進行 RTK 精準定位，無人機和測繪器都是移動站。國内習慣把GNSS接收機叫成RTK這倒是真的，因為RTK技術的普及，讓大家對接收機的作用就“限定”在了RTK，在之前沒有RTK時，接收機就是接收機。

RTK測量技術原理

        RTK（Real Time Kinematic）實時動态測量技術，是以載波相位觀測為根據的實時差分GPS（RTDGPS）技術，它是測量技術發展裡程中的一個突破，它由基準站接收機、資料鍊、 流動站接收機三部分組成。 在基準站上安置1台接收機為參考站， 對衛星進行連續觀測，并将其觀測資料和測站資訊，通過無線電傳輸裝置，實時地發送給流動站，流動站GPS接收機在接收GPS衛星信号的同時，通過無線接收裝置，接收基準站傳輸的資料，然後根據相對定位的原理，實時解算出流動站的三維坐标及其精度（即基準站和流動站坐标差△X、△Y、△H，加上基準坐标得到的每個點的WGS－84坐标，通過坐标轉換參數得出流動站每個點的平面坐标X、Y和海拔高H）。分電台模式和網絡通訊模式。

RTK的測量精度包括兩個部分，其一是GPS的測量誤差，其二是坐标轉換帶來的誤差。

        對于南方RTK裝置來說，這兩項誤差都能夠反映，GPS的測量誤差在實時測量時可以從手簿上的工程之星中看得到（HRMS 和 VRMS）。對于坐标轉換誤差來說，又可能有兩個誤差源，一是投影帶來的誤差，二是已知點誤差的傳遞。當用三個以上的平面已知點進行校正時，計算轉換四參數的同時會給出轉換參數的中誤差（北方向分量和東方向分量，必須通過控制點坐标庫進行校正才能得到）。值得注意的是，如果此時發現轉換參數中誤差比較大（比如，大于5cm），而在采集點時實時顯示的測量誤差在标稱精度範圍之内，則可以判定是已知點的問題（有可能找錯點或輸錯點），有可能已知點的精度不夠，也有可能已知點的分布不均勻。當平面已知點隻有兩個時，則隻能滿足計算坐标轉換四參數的必要條件，無多餘條件，也就不能給出坐标轉換的精度評定，此時，可以從檢視四參數中的尺度比ρ來檢驗坐标轉換的精度，該值理想值為1，如果發現ρ偏離1較多（比如：|ρ-1|≧1/40000，超出了工程精度），則在保證GPS測量精度滿足要求的情況下，可判定已知點有問題。

總結得到：

        為了保證RTK的高精度，最好有三個以上平面坐标已知點進行校正，而且點精度要均等，并要均勻分布于測區周圍，要利用坐标轉換中誤差對轉換參數的精度進行評定。如果利用兩點校正，一定要注意尺度比是否接近于1。

 雲RTK系統的組成

        雲RTK系統除了固定站和移動站，還包括鍊路（4G網絡和數傳電台）和雲端RTK系統。

        目前極飛提供了兩條鍊路，一條是4G網絡，用于與雲端RTK系統連接配接；一條是數傳電台，移動基站使用無線電廣播基站的差分資料，在蘑菇頭上可以看到一個辮子狀的天線。

極飛科技的RTK裝置

        雲基站與固定基站同樣固定在地面，可以 24 小時不間斷提供資料，與固定基站不同：雲基站能夠做到“三網三通”（中國移動、聯通、電信），提高差分資料傳輸的可靠性；雲基站已經沒有内置電台，完全與雲端連接配接，也更省電，能夠長時間使用；雲基站采用全新的硬體方案，未來雲基站将會有更多智能功能，也會更容易部署和維護，包括雲基站的報警、預告、提醒等，敬請期待。

　　2018 年，極飛科技會着重架設雲基站，增加覆寫範圍，減少架設移動基站，節約時間與成本，2018 款蘑菇頭的三網三通也能更好的适應國情。

GPS導航和RTK的基本原理

        GPS即全球定位系統（Global Positioning System）是美國從本世紀70年**始研制，曆時20年，耗資200億美元，于1994年全面建成的衛星導航定位系統。作為新一代的衛星導航定位系統經過二十多年的發展，已成為在航空、航天、軍事、交通運輸、資源勘探、通信氣象等所有的領域中一種被廣泛采用的系統。我國測繪部門使用GPS也近十年了，它最初主要用于高精度大地測量和控制測量，建立各種類型和等級的測量控制網，現在它除了繼續在這些領域發揮着重要作用外還在測量領域的其它方面得到充分的應用，如用于各種類型的工程測量、變形觀測、航空攝影測量、海洋測量和地理資訊系統中地理資料的采集等。GPS以測量精度高；操作簡便，儀器體積小，便于攜帶；全天候操作；觀測點之間無須通視；測量結果統一在WGS84坐标下，資訊自動接收、存儲，減少繁瑣的中間處理環節、高效益等顯著特點，赢得廣大測繪工作者的信賴。GPS是靠天吃飯，看不見摸不着，總結起來有三個知識點非常重要：RTK 共用衛星原理；環境對 RTK 的影響；衛星像天上的星星一樣，時刻在飛，不同時間看到的衛星不一樣。

        上圖解釋了 GPS 共用衛星的工作原理，虛線代表着基站或無人機能夠正常使用的衛星，中間的三顆衛星是重合的，代表着二者可以共同使用的。根據這個原理，無論是基站還是移動站的衛星被遮擋，無人機的能夠進行 RTK 定位的衛星就會變少。

　　是以在防風林、山區等條件惡劣的地區，基站不能架設在有遮擋物的位置，否則将導緻 RTK 的不穩定；在山區盡可能架在高處，盡可能開闊。有遮擋的環境要注意共用衛星的問題，飛機和基站盡可能看到同一片盡可能大的天空。

　　GPS 誤差的環境因素有很多，最主要影響有電離層、天氣和幹擾等，這三種從本質上講都是影響了 GPS 的信号（電磁波）。基站和移動站兩端的電磁環境越相似， RTK 越穩定。

        我們知道，在利用GPS進行定位時，會受到各種各樣因素的影響(見上節中的GPS誤差源)，為了消除這些誤差源，必須使用兩台以上的GPS接收機同步工作。GPS靜态測量的方法是各個接收機獨立觀測，然後用後處理軟體進行差分解算。那麼對于RTK測量來說，仍然是差分解算，隻不過是實時的差分計算。

        也就是說，兩台接收機（一台基準站，一台流動站）都在觀測衛星資料，同時，基準站通過其發射電台把所接收的載波相位信号（或載波相位差分改正信号）發射出去；那麼，流動站在接收衛星信号的同時也通過其接收電台接收基準站的電台信号；在這兩信号的基礎上，流動站上的固化軟體就可以實作差分計算，進而精确地定出基準站與流動站的空間相對位置關系。在這一過程中，由于觀測條件、信号源等的影響會有誤差，即為儀器标定誤差,一般為平面1cm+1ppm，高程2cm+1ppm。

GPS高程測量

一、高程系統

　　1、高程系統

　　（1）大地高（Hg）

　　（2）正常高/正高（Hr/hg）

　　2、大地高系統

        大地高系統是以參考橢球面為基準面的高程系統。某點的大地高是該點到通過該點的參考橢球的法線與參考橢球面的交點間的距離。大地高也稱為橢球高，大地高一般用符号H表示。大地高是一個純幾何量，不具有實體意義，同一個點，在不同的基準下，具有不同的大地高。

　　3、正高系統

        正高系統是以大地水準面為基準面的高程系統。某點的正高是該點到通過該點的鉛垂線與大地水準面的交點之間的距離，正高用符号hg表示。

　　4、正常高系統

　　正常高系統是以似大地水準面為基準的高程系統。某點的正常高是該點到通過該點的鉛垂線與似大地水準面的交點之間的距離，正常高用Hr表示。

　　5、高程系統之間的轉換關系

　　Hr=H-r

　　Hg=H-hg

二、GPS測高方法

　　1、等值線圖法

        從高程異常圖或大地水準面差距圖分别查出各點的高程異常或大地水準面差距，然後分别采用下面兩式可計算出正常高和正高。

        在采用等值線圖法确定點的正常高和正高時要注意以下幾個問題：

　　（1）注意等值線圖所适用的坐标系統，在求解正常高或正高時，要采用相應坐标系統的大地高資料。

　　（2）采用等值線圖法确定正常高或正高，其結果的精度在很大程度上取決于等值線圖的精度。

　　2、大地水準面模型法

        地球模型法本質上是一種數字化的等值線圖，目前國際上較常采用的地球模型有OSU91A等。不過可惜的是這些模型均不适合于我國。

　　3、拟合法

　　（1）基本原理

        所謂高程拟合法就是利用在範圍不大的區域中，高程異常具有一定的幾何相關性這一原理，采用數學方法，求解正高、正常高或高程異常

　　（2）注意事項

　　–适用範圍

        上面介紹的高程拟合的方法，是一種純幾何的方法，是以，一般僅适用于高程異常變化較為平緩的地區（如平原地區），其拟合的準确度可達到一個分米以内。對于高程異常變化劇烈的地區（如山區），這種方法的準确度有限，這主要是因為在這些地區，高程異常的已知點很難将高程異常的特征表示出來。

　　– 選擇合适的高程異常已知點

        所謂高程異常的已知點的高程異常值一般是通過水準測量測定正常高、通過GPS測量測定大地高後獲得的。在實際工作中，一般采用在水準點上布設GPS點或對GPS點進行水準聯測的方法來實作，為了獲得好的拟合結果要求采用數量盡量多的已知點，它們應均勻分布，并且最好能夠将整個GPS網包圍起來。

         高程異常已知點的數量

        若要用零次多項式進行高程拟合時，要确定1個參數，是以，需要1個以上的已知點；若要采用一次多項式進行高程拟合，要确定3個參數，需要3個以上的已知點；若要采用二次多項式進行高程拟合，要确定6個參數，則需要6個以上的已知點。

以 RTK 的覆寫範圍為例

        電離層：越靠近赤道，電離層越活躍，使得基站和移動站兩端的電磁環境随着距離拉遠就越不相似，是以經驗上，低緯度地區的基站有效覆寫距離小，高緯度地區的距離遠。如廣州一般是 35 km是極限，而新疆可以到 70 km，每個地方的經驗值都不一樣。

        天氣：作業區域天晴，而基站那邊陰天和下雨，這時候 GPS 信号經過層到達裝置的信号就不一樣了，RTK 的有效距離也會縮短。

        所有跟電有關都會有電磁波輻射（無線電），都有可能造成幹擾。根據經驗，常見的幹擾源有：高壓線、對講機、雷達站、移動鐵塔。具體的案例：

案例分享

        案例一：無人機都在飛行中同時出現了丢星迫降，随後發現旁邊有一條高速高路，我們分析是路過的某台車上有人開了大功率的車載電台，幹擾了這一片區域的 GPS 信号。

        案例二：某客戶把基站架設在高壓線下，幾十米外的飛機一直在 FLOAT 狀态，原因是基站觀測到的衛星信号與飛機觀測到的衛星信号有極大不同。高壓線産生的電磁波幹擾了 GPS 信号。

        衛星一直在天上飛行，不同時刻看到的衛星是不同的。在遮擋環境下，比如在防風林邊上飛，由于衛星數和信号品質都随時在變化，可能發生今天在這邊飛行很穩定，但其它時間則可能有發生退出 RTK 的危險。此外，出于國家經濟發展的考慮，各國對其衛星軌道的設定也不同，比如：我國在沿海經濟地區，北鬥的衛星數會多一些；GPS 在美國本土的覆寫會更好。是以我們選用的是三系統（GPS, GLONASS 和北鬥）的高精度闆卡，在不同地區能夠使用盡可能多的衛星來提高穩定性。

 移動基站的使用場景

        移動基站采用雙鍊路資料，即 4G 網絡和數傳電台。

        在使用時，需要先搜尋移動基站或設定數傳的通道，飛機收到從數傳來的差分資料之後，再自動向雲 RTK 請求連接配接這個移動基站。

        這兩條鍊路是互補的，比如這一秒沒有收到數傳來的差分資料，但網絡信号還在，飛機就可以繼續使用從雲RTK 來的差分資料進行持續的精準定位。這樣，就提高了 RTK 的穩定性。是以，在山區等地形複雜或離雲基站較遠的區域作業時，使用移動基站會是一個不錯的選擇。

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