說到定位,相信大家一定不會覺得陌生。如今我們所處的信息時代,人人都有手機。每天,我們都會用到與地圖和導航有關的APP。
這些APP,就是基于定位技術的。說到定位技術呢,大家又肯定會想到GPS、北斗這些名詞。是的,這些都屬于全球導航衛星系統,也就是GNSS(Global Navigation Satellite System)。
正是這些在太空中飛行的衛星,幫助我們的手機具備了定位能力,并為我們提供導航服務。
上面這些概念大家都是知道的。接下來,要給大家介紹一個可能比較陌生的概念:它也和衛星有關,是目前行業最常用的定位技術之一,為我們的工作和生活提供了很大的幫助,它就是——RTK。
究竟什么是RTK?有了衛星,為什么還需要它?它有什么特點,又是如何工作的?別急,下面將為大家一一道來。
什么是 RTK
RTK,英文全名叫做Real-time kinematic,也就是實時動態。這是一個簡稱,全稱其實應該是RTK(Real-time kinematic,實時動態)載波相位差分技術。(為了方便閱讀,下面將繼續簡寫為RTK。)
不要慌!這個技術雖然看上去很專業,但實際原理并不復雜。
RTK是一個對GNSS進行輔助的技術。為什么要對GNSS進行輔助?當然是因為GNSS自身存在不足啦!
大家都知道,GNSS衛星之所以能夠對地球上的終端(例如手機、汽車、輪船、飛機等)進行定位,依靠的是三維坐標系。
找至少4顆衛星,分別計算各個衛星與終端之間的距離△L(這個距離也被稱為“偽距”),就可以列出4個方程組。計算之后,就能得出終端的四個參數,分別是經度、緯度,高程(海拔高度)和時間。
通過單位時間的位置變化,還能算出終端的速度。三維坐標、速度、時間信息,我們通常稱之為PVT(Position Velocity and Time)。僅靠衛星,我們可以得到PVT。但是,注意了,衛星定位是存在誤差的。
誤差既來自系統的內部,也來自外部。例如衛星信號穿透電離層和對流層時產生的誤差,還有衛星高速移動產生的多普勒效應引起的誤差,以及多徑效應誤差、通道誤差、衛星鐘誤差、星歷誤差、內部噪聲誤差,等等。
這些誤差,有些可以完全消除,有些無法消除或只能部分消除,它們影響了系統的準確性和可靠性。
為了更好地消除誤差、提高定位精度,行業專家們研究出了一個更厲害的定位技術,那就是RTK。
RTK的工作原理
我們直接來看RTK的工作原理。
如上圖所示,這是一個標準的傳統RTK組網。
其中,除了衛星之外,RTK系統包括兩個重要組成部分——基準站和流動站。
兩個站都帶有衛星接收機,可以觀測和接收衛星數據。顧名思義,基準站是提供參考基準的基站。而流動站,是可以不斷移動的站。流動站其實就是要測量自身三維坐標的那個對象目標,也就是用戶終端。
大家經常在戶外看到一些扛著三腳架設備進行測量的人。其中一部分人,扛的可能就是RTK基準站或流動站。
我們來仔細看看定位過程。
首先,基準站作為測量基準,一般會固定放在開闊且視野良好的地方。基準站的三維坐標信息,一般是已知的。
第①步,基準站先觀測和接收衛星數據;
第②步,基準站通過旁邊的無線電臺(數據鏈),將觀測數據實時發送給流動站(距離一般不超過20公里;
第③步,流動站收到基準站數據的同時,也觀測和接收了衛星數據;
第④步,流動站在基準站數據和自身數據的基礎上,根據相對定位原理,進行實時差分運算,從而解算出流動站的三維坐標及其精度,其定位精度可達1cm~2cm。
至此,測量完成。
如大家所見,RTK技術具有觀測站之間無需通視(無需在視線范圍內)、定位精度高、操作簡單、全天候作業等優點,是非常不錯的定位技術。
網絡RTK vs 傳統RTK
剛才我們所說的,是RTK的早期模型,我們稱為傳統RTK技術。
傳統RTK技術實施簡單,成本低廉。但是,它也存在一個很大的問題,那就是流動站和基準站之間存在距離限制。距離越遠,誤差因素差異變大,定位精度就會下降。而且,距離遠了,超過了無線電臺的通信范圍,也就無法工作了。
為了克服傳統RTK技術的缺陷,在20世紀90年代中期,人們提出了網絡RTK技術。
在網絡RTK技術中,在一個較大的區域內,均勻分散設置多個基準站(3個或以上),構成一個基準站網。
(基準站網)
那么,這種情況下,流動站需要和每個基準站進行對比和測算嗎?當然不會,那樣太費事了。
網絡RTK相比傳統RTK,其實是用區域型的GNSS網絡誤差模型取代了單點GNSS誤差模型。
多個基準站組成的基準站網,它們將數據發給中央服務器。中央服務器會根據數據,模擬出一個“虛擬基準站”。(所以,網絡RTK也被稱為“虛擬基準站技術”或“虛擬參考站技術”。)
對于流動站來說,它只會“看到”這個“虛擬基準站”。基于這個“虛擬基準站”發來的數據,流動站完成最終的測量運算。
網絡RTK的優勢是非常明顯的。
大家應該都看出來了,我們平時看到的移動通信基站,其實就可以兼職“基準站”。我們身邊到處都是基站,也就意味著,網絡RTK基本上實現了無縫覆蓋。
首先,流動站與中央服務器的通信,也可以通過流動站(終端)內置的無線通信模組來完成。這些高精度定位模組,集成了RTK技術,且本身也是移動通信模組,可以實現上述功能。
其次,對于用戶來說,不需要自建基準站,節約了大量成本(只需要支付一些通訊費用)。
第三,精度和可靠性更高。畢竟基準站多了嘛,就算壞了一兩個,也影響不大。
值得一提的是,網絡RTK的模型中,網絡的穩定性對定位精度影響極大。必須保證網絡通信穩定,從而確保差分數據穩定下發,才能實現超高定位精度。
結語
RTK技術經過多年的積累,已經變得越來越成熟。它的高精度、高速度、高穩定性特點,使得其被測繪、無人機、車載、安防等領域廣泛應用。
作為領先的物聯網整體解決方案供應商,移遠通信已推出多款集成RTK/DR技術的GNSS模組,包括近期發布的雙頻段高精度/INS組合導航定位模組LC29H系列,可以滿足無人機、共享兩輪車等場景的厘米級或分米級定位需求。而集成了RTK/DR技術的車規級GNSS高精度/INS組合導航定位模組LG69T系列,更是在為大型整車廠和Tier 1客戶提供厘米級定位追蹤服務。
未來,RTK技術將會向更遠距離、更高精度、多頻多模、更高穩定性的方向發展。讓我們拭目以待!
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原文標題:搞懂RTK定位,看這一篇就夠了!
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