GNSS与RTK的原理、应用第一章 GNSS基础知识1.1 卫星导航系统概述1.2 GNSS定位原理入门1.3 GNSS定位中的误差及分类1.4 差分定位技术的分类与应用第二章 经典RTK技术基础载波相位差分的数学模型模糊度的固定方法RTCM通信协议 和 Nrtip通信协议第三章 网络RTK技术基础网络RTK技术原理网络RTK主流算法经纬度第一章 GNSS基础知识1.1 卫星导航系统概述GNSS 全球导航卫星系统 Global Navigation Satellite System 泛指所有的卫星导航系统包括全球的、区域的和增强的等还涵盖在建和以后要建设的其他卫星导航系统。国际GNSS系统是个多系统、多层面、多模式的复杂组合系统。全球中国 BDS北斗、美国 GPS、俄罗斯 Glonass格洛纳斯、欧盟 Galileo伽利略区域印度区域导航卫星系统IRNSS、日本QZSS增强系统美国的WAAS广域增强系统、欧洲的EGNOS欧洲静地导航重叠系统和日本的MSAS多功能运输卫星增强系统1.2 GNSS定位原理入门全球导航卫星系统(GNSS)的核心功能在于精确测定用户在地球空间中的三维坐标经度、纬度和高程。那么这一空间定位功能的基本原理究竟是什么呢?用于接收机 接收来自 The three core components of GNSS satellite signals: carrier wave, ranging code, and navigation message.载波Carrier载波是由GPS卫星发射的基本信号它是一种高频率的电磁波携带着大量的信息。载波信号是一种连续波形它没有提供任何关于时间的信息因此无法直接用于测量距离或确定位置。 GPS信号的载波频率通常在L波段1-2 GHz。高铁列车本身是信号的 “运输载体”高频正弦波负责远距离传播测距码Pseudo-random Code测距码是一种短周期、高重复率的序列每颗卫星都有独特的测距码。接收机使用测距码来测量信号的传播时间从而计算出卫星与接收机之间的距离。测距码与载波相结合可以实现GPS信号的精确测量和距离计算。卫星发射信号时载波的相位是已知的信号传到接收机时接收机捕捉到的载波上的某一点的相位 —— 这个接收相位和发射相位的差值就是载波相位观测值。列车上的乘客是一组有规律的数字编码用于伪距测量导航电文Navigation Message导航电文是由GPS卫星发射的一种数据流包含了卫星的精确位置、时钟偏移、卫星健康状态等信息。 导航电文以一定的速率通常为50 bps传输。 接收机使用导航电文来解算卫星的位置和时间信息从而确定自身的位置。列车上的货物是卫星的星历、时钟改正等关键数据用于定位解算。1.3 GNSS定位中的误差及分类误差来源分为三类卫星有关的误差、传播路径有关的误差、接收机有关的误差卫星有关的误差广播星历是影响GNSS定位精度的主要因素之一 卫星位置是由导航电文中包含的广播星历广播星历是由地面控制系统基于轨道预报模型生成 通过上行注入站发送至卫星的。至此轨道精度通常在米级范围内 事后处理的精密星历可提供厘米级的轨道精度超快精密星历48h、快速精密星历2天、最终精密星历2周卫星钟的钟误差信号传播路径有关的误差电离层延迟 太阳活动、地磁扰动、地震活动多路径误差 产生于接收机同时接收到来自卫星的直接信号和 周围物体 建筑物、地面、水面反射后的接收号接收机有关的误差接收机时钟误差1.4 差分定位技术的分类与应用简单介绍单点定位本质是用 测距码 的传播时间来计算卫星到接收机的距离。1 卫星会在发射测距码比如 C/A 码的同时在码中 “标注” 发射时刻 2 接收机收到测距码后复制一份相同的码型通过对比 “卫星发射码” 和 “本地复制码” 的对齐时间差就能算出信号传播时间 3 再用 “传播时间 × 光速”得到卫星到接收机的伪距之所以叫 “伪距”是因为没消除时钟误差、电离层误差等 4 最后通过三角测量法其中三颗卫星得到三维第四颗卫星同步时间得到接收器的三维位置经度、纬度、高度。实时差分定位通过基准站计算校正参数并发送给流动站以消除公共误差如电离层延迟显著提升实时精度按处理方式位置差分、伪距差分RTD和载波相位实时差分RTK位置差分位置差分适用于 基准站和用户站观测同一组卫星用户与基准站间距离在100km以内的情况。安装在基准站上的GNSS接收机观测4颗卫星后便可进行三维定位解算出基准站的坐标。由于存在着轨道误差、时钟误差、SA影响、大气影响、多径效应以及其他误差解算出的坐标与基准站的已知坐标是不一样的存在误差。基准站利用数据链将此改正数发送出去由用户站接收并且对其解算的用户站坐标进行改正。伪距差分—— RTD技术Real Time Differential实时动态码相位差分技术工作方法 根据基准站已知坐标和各卫星的坐标求出每颗卫星每一时刻到基准站的真实距离。再与测得的伪距比较得出伪距改正数将其传输至用户接收机属于码差分技术。载波相位差分 —— RTKReal - time kinematic实时动态差分法传统RTK工作模式只有一个基准站。基准站将 测量数据 与 已知的位置数据进行计算得出载波相位观测值然后将 载波相位观测值 通过电台发送给用户设备流动站。将其与自身接收到的卫星信号进行比较。通过计算差异可以校正自身的位置实现高精度的定位信息。网络RTKNetwork RTKNRTK工作模式是在一个较大区域内均匀布设多个基准站通常为3个或以上构成一个基准站网络。这些基准站将观测数据实时发送至中央服务器。服务器利用来自多个参考站的观测信息通过建立精确的区域误差模型如电离层、对流层延迟模型在流动站用户站附近虚拟出一个物理上不存在的“虚拟参考站”VRS。该VRS会生成一组经过高精度改正的观测数据或改正数再通过数据链发送给用户设备流动站从而实现比单基准站RTK更稳定、覆盖范围更广的高精度定位。CORS 连续运行卫星定位服务综合系统CORS是一种基于网络的 RTK 技术的扩展系统第二章 经典RTK技术基础载波相位差分的数学模型模糊度的固定方法我们把 RTK 的工作流程拆成 3 步就能看清载波相位的作用步骤 1双站同步采集载波相位基准站位置已知的固定接收机同时采集卫星的载波相位和伪距观测值流动站位置未知的移动接收机和基准站同步采集同一批卫星的载波相位和伪距观测值。两者的观测值都包含相同的误差源比如电离层延迟、对流层延迟、卫星钟差。骤 2差分消去公共误差RTK 的关键操作是求 “双站观测值之差”整周模糊度接收机实际测得的载波相位由三部分组成Φ N ΔϕN整周模糊度就是信号传播过程中载波完整波动的整数周期数—— 这个值是一个未知的整数也是高精度定位需要解算的关键Δϕ 非整周相位就是信号到达接收机时不足一个完整周期的小数部分相位—— 这个值可以被接收机直接精确测量Φ 接收机观测到的总相位值。这个差分操作的神奇之处在于卫星钟差、电离层 / 对流层延迟等公共误差会被大幅抵消剩下的观测值只和双站间的距离、整周模糊度有关。步骤 3解算整周模糊度得到高精度坐标经过差分后的载波相位观测值只剩下两个核心未知量1 流动站与基准站的相对位置我们最终要的定位结果2 载波相位的整周模糊度计算出双站间的高精度距离最终推算出流动站的坐标。关键前提载波相位的 “同步性” 要求RTK 要发挥作用对载波相位观测有两个硬性要求卫星同步基准站和流动站必须同时锁定同一组卫星否则无法形成差分观测值相位连续观测过程中不能出现周跳载波相位的整周数突然跳变一旦周跳发生整周模糊度就会出错定位精度会骤降 —— 所以 RTK 设备都有周跳检测和修复的算法。RTCM通信协议 和 Nrtip通信协议第三章 网络RTK技术基础网络RTK技术原理网络RTK主流算法1 参考站处理2 VRS技术虚拟参考站3 MAC技术主辅站4 FKP技术区域校正参数经纬度E / W / S / N 东经 / 西经 / 南纬 / 北纬格式显示具体度 ddd.ddddd °十进制小数部分5位 百度地图谷歌地图手机自带gps经纬度输出度 . 分ddd°mm.mmm’ 十进制小数部分3位,引自 GPGGA 语句度 . 分 . 秒ddd°mm’ss’’谷歌地图
