看懂RTK定位，這一篇就夠啦！

作者：小棗君 2022-07-19 19:39:05

RTK技術(shù)經(jīng)過(guò)多年的積累，已經(jīng)變得越來(lái)越成熟。它的高精度、高速度、高穩(wěn)定性特點(diǎn)，使得其被測(cè)繪、無(wú)人機(jī)、車載、安防等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

說(shuō)到定位，相信大家一定不會(huì)覺(jué)得陌生。如今我們所處的信息時(shí)代，人人都有手機(jī)。每天，我們都會(huì)用到與地圖和導(dǎo)航有關(guān)的APP。

這些APP，就是基于定位技術(shù)的。

說(shuō)到定位技術(shù)呢，大家又肯定會(huì)想到GPS、北斗這些名詞。是的，這些都屬于全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)，也就是GNSS（Global Navigation Satellite System）。

?正是這些在太空中飛行的衛(wèi)星，幫助我們的手機(jī)具備了定位能力，并為我們提供導(dǎo)航服務(wù)。

上面都是大家知道的。接下來(lái)，小棗君要給大家介紹一個(gè)可能比較陌生的概念。它也和衛(wèi)星有關(guān)，是目前行業(yè)最常用的定位技術(shù)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(wèi)星，為什么還需要它？它有什么特點(diǎn)，又是如何工作的？

別急，且讓小棗君一一道來(lái)。

什么是RTK?

?RTK，英文全名叫做Real-time kinematic，也就是實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)。這是一個(gè)簡(jiǎn)稱，全稱其實(shí)應(yīng)該是RTK（Real-time kinematic，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)）載波相位差分技術(shù)。（為了方便閱讀，接下來(lái)，我還是會(huì)簡(jiǎn)寫(xiě)為RTK。）

不要慌！這個(gè)技術(shù)雖然看上去很專業(yè)，但實(shí)際原理并不復(fù)雜。

RTK是一個(gè)對(duì)GNSS進(jìn)行輔助的技術(shù)。

為什么要對(duì)GNSS進(jìn)行輔助？當(dāng)然是因?yàn)镚NSS自身存在不足啦！

大家都知道，GNSS衛(wèi)星之所以能夠?qū)Φ厍蛏系慕K端（例如手機(jī)、汽車、輪船、飛機(jī)等）進(jìn)行定位，依靠的是三維坐標(biāo)系。?

找至少4顆衛(wèi)星，分別計(jì)算各個(gè)衛(wèi)星與終端之間的距離△L（這個(gè)距離也被稱為“偽距”），就可以列出4個(gè)方程組。

計(jì)算之后，就能得出終端的四個(gè)參數(shù)，分別是經(jīng)度、緯度，高程（海拔高度）和時(shí)間。

通過(guò)單位時(shí)間的位置變化，還能算出終端的速度。三維坐標(biāo)、速度、時(shí)間信息，我們通常稱之為PVT（Position Velocity and Time）。

僅靠衛(wèi)星，我們可以得到PVT。但是，注意了，衛(wèi)星定位是存在誤差的。

誤差既來(lái)自系統(tǒng)的內(nèi)部，也來(lái)自外部。例如衛(wèi)星信號(hào)穿透電離層和對(duì)流層時(shí)產(chǎn)生的誤差，還有衛(wèi)星高速移動(dòng)產(chǎn)生的多普勒效應(yīng)引起的誤差，以及多徑效應(yīng)誤差、通道誤差、衛(wèi)星鐘誤差、星歷誤差、內(nèi)部噪聲誤差，等等。

這些誤差，有些可以完全消除，有些無(wú)法消除或只能部分消除。它們影響了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性。

好啦，我們的主角終于要登場(chǎng)了。

為了更好地消除誤差、提高定位精度，行業(yè)專家們研究出了一個(gè)更厲害的定位技術(shù)，那就是RTK。

RTK的工作原理

我們直接來(lái)看RTK的工作原理。

如上圖所示，這是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的傳統(tǒng)RTK組網(wǎng)。（是不是超簡(jiǎn)單？）

其中，除了衛(wèi)星之外，RTK系統(tǒng)包括兩個(gè)重要組成部分——基準(zhǔn)站和流動(dòng)站。

兩個(gè)站都帶有衛(wèi)星接收機(jī)，可以觀測(cè)和接收衛(wèi)星數(shù)據(jù)。顧名思義，基準(zhǔn)站是提供參考基準(zhǔn)的基站。而流動(dòng)站，是可以不斷移動(dòng)的站。流動(dòng)站其實(shí)就是要測(cè)量自身三維坐標(biāo)的那個(gè)對(duì)象目標(biāo)，也就是用戶終端。

大家經(jīng)常在戶外看到一些扛著三腳架設(shè)備進(jìn)行測(cè)量的人。其中一部分人，扛的可能就是RTK基準(zhǔn)站或流動(dòng)站。

我們來(lái)仔細(xì)看看定位過(guò)程。

首先，基準(zhǔn)站作為測(cè)量基準(zhǔn)，一般會(huì)固定放在開(kāi)闊且視野良好的地方。基準(zhǔn)站的三維坐標(biāo)信息，一般是已知的。

第①步，基準(zhǔn)站先觀測(cè)和接收衛(wèi)星數(shù)據(jù)。

第②步，基準(zhǔn)站通過(guò)旁邊的無(wú)線電臺(tái)（數(shù)據(jù)鏈），將觀測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送給流動(dòng)站（距離一般不超過(guò)20公里）。

第③步，流動(dòng)站收到基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)的同時(shí)，也觀測(cè)和接收了衛(wèi)星數(shù)據(jù)。

第④步，流動(dòng)站在基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)和自身數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)相對(duì)定位原理，進(jìn)行實(shí)時(shí)差分運(yùn)算，從而解算出流動(dòng)站的三維坐標(biāo)及其精度，其定位精度可達(dá)1cm~2cm。至此，測(cè)量完成。

如大家所見(jiàn)，RTK技術(shù)具有觀測(cè)站之間無(wú)需通視（無(wú)需在視線范圍內(nèi)）、定位精度高、操作簡(jiǎn)單、全天候作業(yè)等優(yōu)點(diǎn)，是非常不錯(cuò)的定位技術(shù)。

網(wǎng)絡(luò)RTK vs 傳統(tǒng)RTK

剛才我們所說(shuō)的，是RTK的早期模型，我們稱為傳統(tǒng)RTK技術(shù)。

傳統(tǒng)RTK技術(shù)實(shí)施簡(jiǎn)單，成本低廉。但是，它也存在一個(gè)很大的問(wèn)題，那就是流動(dòng)站和基準(zhǔn)站之間存在距離限制。

距離越遠(yuǎn)，誤差因素差異變大，定位精度就會(huì)下降。而且，距離遠(yuǎn)了，超過(guò)了無(wú)線電臺(tái)的通信范圍，也就無(wú)法工作了。

為了克服傳統(tǒng)RTK技術(shù)的缺陷，在20世紀(jì)90年代中期，人們提出了網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)。

在網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)中，在一個(gè)較大的區(qū)域內(nèi)，均勻分散設(shè)置多個(gè)基準(zhǔn)站（3個(gè)或以上），構(gòu)成一個(gè)基準(zhǔn)站網(wǎng)。

基準(zhǔn)站網(wǎng)

那么，這種情況下，流動(dòng)站需要和每個(gè)基準(zhǔn)站進(jìn)行對(duì)比和測(cè)算嗎？

當(dāng)然不會(huì)，那樣太費(fèi)事了。

網(wǎng)絡(luò)RTK相比傳統(tǒng)RTK，其實(shí)是用區(qū)域型的GNSS網(wǎng)絡(luò)誤差模型取代了單點(diǎn)GNSS誤差模型。多個(gè)基準(zhǔn)站組成的基準(zhǔn)站網(wǎng)，它們將數(shù)據(jù)發(fā)給中央服務(wù)器。中央服務(wù)器會(huì)根據(jù)數(shù)據(jù)，模擬出一個(gè)“虛擬基準(zhǔn)站”。（所以，網(wǎng)絡(luò)RTK也被稱為“虛擬基準(zhǔn)站技術(shù)”或“虛擬參考站技術(shù)”。）