基于RTK技術的靶場大地測量系統(tǒng)設計應用

李 平，宋修元，魏天虎，李 慧，王偉志

（1.北方自動控制技術研究所，太原 030006；2.北京奧博泰科技有限公司，北京 100070；3.哈爾濱建成集團有限公司，哈爾濱 150030）

基于RTK技術的靶場大地測量系統(tǒng)設計應用

李 平1，宋修元1，魏天虎2，李 慧3，王偉志2

（1.北方自動控制技術研究所，太原 030006；2.北京奧博泰科技有限公司，北京 100070；3.哈爾濱建成集團有限公司，哈爾濱 150030）

針對點位坐標、距離和方向的靶場試驗應用需求，基于RTK（Real Time Kinematic）技術設計了一套靶場大地測量系統(tǒng)。系統(tǒng)采用固定站+移動站方式設計，移動站可以在固定站配合下進行測量，也可以單獨進行測量。既能滿足點位坐標、距離、方位角高精度的測量需要，又能滿足多種坐標測量和實時測量的靶場應用需求。

RTK，大地測量，靶場測量

Abstract：In order to solve the application requirements of range test point coordinates，distance and direction，a range of geodetic system is designed based on RTK.The system is composed of the fixed station and mobile station.The mobile station can be used together with the fixed station，and can also be used alone.Can not only meet the point coordinate and distance，azimuth high-precision measurement needs but also meet a variety of coordinate measurement and real-time measurements of the range application demand.

Key words：RTK，geodesy，range measurement

0 引言

現(xiàn)代靶場試驗中經(jīng)常完成以下測量任務：裝甲車輛的定位定向檢驗，指控系統(tǒng)的定位導航檢驗，著彈點精度試驗等。這些測量項目都需要測量點位坐標、距離、方位角。點位坐標、距離和方向是靶場試驗的重要基礎測量，基于RTK技術針對點位坐標、距離和方向的靶場試驗應用需求設計一套靶場大地測量系統(tǒng)。

1 實時載波相位差分定位原理

1.1 衛(wèi)星定位原理

衛(wèi)星定位的基本原理是利用接收機同時接收4顆衛(wèi)星發(fā)射出來的無線電信號中的測距信號，測算出接收機該時刻與這4顆衛(wèi)星的距離（偽距）。從而利用無線電信號中的導航電文中衛(wèi)星位置信息與這4顆衛(wèi)星間的距離，便可以求出該時刻接收機的位置。

衛(wèi)星定位系統(tǒng)已在大地測量領域得到了廣泛的應用，全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)目前有4種，美國全球定位系統(tǒng)GPS、中國北斗導航Compass、歐盟伽利略系統(tǒng)Galileo和俄羅斯格洛納斯Glonass，目前在國內(nèi)測繪領域應用衛(wèi)星定位系統(tǒng)主要是GPS和北斗雙系統(tǒng)。

1.2 差分定位

差分技術很早就被人們所應用。比如相對定位中，在一個測站上對兩個觀測目標進行觀測，將觀測值求差；或在兩個測站上對一個目標進行觀測，將觀測值求差；或在一個測站上對一個目標進行兩次觀測求差。其目的是消除公共誤差，提高定位精度。利用求差后的觀測值解算兩觀測站之間的基線向量，這種差分技術已經(jīng)用于靜態(tài)相對定位。

這里所講述的差分衛(wèi)星定位技術是將一臺接收機安置在基準站上進行觀測。根據(jù)基準站已知精密坐標，計算出基準站到衛(wèi)星的距離改正數(shù)，并由基準站實時地將這一改正數(shù)發(fā)送出去。用戶接收機在進行GPS觀測的同時，也接收到基準站的改正數(shù)，并對其定位結果進行改正，從而提高定位精度。

①衛(wèi)星定位誤差分析。衛(wèi)星定位中，存在著3部分誤差：一是多臺接收機公有的誤差，如：衛(wèi)星鐘誤差、星歷誤差；二是傳播延遲誤差，如：電離層誤差、對流層誤差；三是接收機固有的誤差，如：內(nèi)部噪聲、通道延遲、多路徑效應。采用差分定位，可完全消除第1部分誤差，可大部分消除第2部分誤差（視基準站至用戶的距離）。

②衛(wèi)星差分定位比較。目前，應用廣泛的差分定位技術有實時偽距差分定位（RTD）、實時載波相位差分（RTK）和事后差分等。表1給出了幾種差分定位技術的對比。

對比分析以上3種差分定位技術，實時載波相位差分（RTK）適合靶場大地測量的應用。

③實時載波相位差分。RTK技術是以載波相位測量與數(shù)據(jù)傳輸技術相結合的以載波相位測量為依據(jù)的實時衛(wèi)星差分測量技術，是衛(wèi)星測量技術發(fā)展里程中的一個標志，是一種高效的定位技術。

實時動態(tài)衛(wèi)星差分系統(tǒng)主要包括3個部分：基準站、流動站和數(shù)據(jù)鏈。在RTK作業(yè)模式下，基準站接收機設在具有已知坐標的參考點位上，連續(xù)接收所有可視衛(wèi)星信號。流動站先進行初始化，完成整周未知數(shù)的搜索求解后，進入動態(tài)作業(yè)，基準站將測站點坐標、載波相位觀測值、偽距觀測值、衛(wèi)星跟蹤狀態(tài)及接收機工作狀態(tài)等通過無線數(shù)據(jù)鏈一起發(fā)送給流動站。

流動站在接收來自基準站的數(shù)據(jù)時，同步觀測采集衛(wèi)星載波相位數(shù)據(jù)，通過在系統(tǒng)內(nèi)差分處理求解載波相位整周模糊度，得到基準站和流動站之間的坐標差值ΔXΔYΔZ，坐標差加上基準站坐標就可以得到流動站點的WGS84坐標，通過坐標轉換和參數(shù)轉換，得出流動站每個站點的平面坐標XY和海拔高H。

2 靶場大地測量系統(tǒng)組成及工作原理

靶場大地測量系統(tǒng)由固定站和移動站組成。固定站為1臺RTK基準站，固定在靶場已知坐標的標準點上。移動站為移動測量車，裝配有2臺RTK主機和1臺全站儀，2臺RTK主機可以設置為2臺RTK流動站與系統(tǒng)固定站RTK基準站進行RTK組網(wǎng)測量。2臺RTK主機也可以分別設置為RTK基準站和RTK流動站進行RTK組網(wǎng)測量，脫離系統(tǒng)固定站工作。

全站儀使用2臺RTK主機站獲得的點位坐標作為起始邊，可計算出觀測范圍內(nèi)任意測量的點位坐標。系統(tǒng)可根據(jù)高精度的點位坐標計算任意兩點的距離和方向角。

2.1 靶場大地測量固定站組成及工作原理

固定站為1臺RTK基準站，固定在靶場已知坐標的標準點上，通過GPS北斗衛(wèi)星定位并發(fā)射載波相位信息。

RTK基準站由RTK基準站主機和外接大功率電臺組成，RTK基準站主機由GPS北斗接收板卡、STM32微處理器、LCD顯示屏和電源及天線等組成，RTK基準站組成關系如下頁圖1所示。

RTK基準站的工作原理：GPS北斗接收板卡接收GPS北斗衛(wèi)星信號，并接收所有GPS北斗衛(wèi)星的RTK改正數(shù)據(jù)，然后按照RTCM的標準格式通過串口發(fā)送給大功率PDL數(shù)傳電臺，大功率PDL數(shù)傳電臺將RTK改正數(shù)據(jù)發(fā)送給RTK流動站，供其進行實時載波相位差分定位。STM32微處理器負責配置GPS北斗接收板卡和大功率PDL數(shù)傳電臺以及整個工作流程的控制。LCD觸摸屏是RTK基準站主機的輸入輸出接口，可通過其輸入標準點數(shù)據(jù)和配置信息，同時顯示RTK基準站的運行狀態(tài)和測量數(shù)據(jù)等信息。

因為RTK基準站向外發(fā)射數(shù)據(jù)，為了保證通信距離，擴大RTK的作用范圍，故采用外置的大功率PDL數(shù)傳電臺向外發(fā)送，并且盡可能將電臺天線架高。系統(tǒng)實際選用了具有5 W和35 W兩檔功率的PDL數(shù)傳電臺，并將發(fā)生天線架設在50 m高的鐵塔上，當RTK流動站采用內(nèi)置2 W數(shù)傳電臺時，RTK流動站可在20 km內(nèi)接收RTK基準站發(fā)送的RTK改正數(shù)進行實時載波相位差分定位。RTK基準站主機如圖2所示。

2.2 靶場大地測量移動站組成及工作原理

移動站為移動測量車，裝配有2臺RTK主機和1臺全站儀，2臺RTK主機可以設置為2臺RTK流動站與系統(tǒng)固定站RTK基準站進行RTK組網(wǎng)測量。2臺RTK主機也可以分別設置為RTK基準站和RTK流動站進行RTK組網(wǎng)測量，脫離系統(tǒng)固定站工作。

全站儀使用2臺RTK主機站獲得的點位坐標作為起始邊，可計算出觀測范圍內(nèi)任意測量的點位坐標。系統(tǒng)可根據(jù)高精度的點位坐標計算任意兩點的距離和方向角。

①RTK主機組成及工作原理。RTK主機與RTK基準站主機組成類似，主要有兩方面區(qū)別，一方面由于RTK主機主要接收RTK改正數(shù)據(jù)，為了減小設備體積，延長電池使用時間，沒有采用外置的大功率PDL數(shù)傳電臺，而采用發(fā)射功率2 W，接收功率0.3 W的內(nèi)置數(shù)傳電臺；另一方面為了方便野外作業(yè)，RTK主機沒有采用電源供電而采用電池供電。RTK主機由GPS北斗接收板卡、STM32微處理器、LCD顯示屏、數(shù)傳電臺和電池及天線等組成，RTK主機組成關系如圖3所示。

圖3 RTK主機組成示意圖

RTK主機用戶可以通過軟件界面配置為RTK基準站或RTK流動站，當系統(tǒng)移動站與固定站進行聯(lián)合測量時，2臺RTK主機與固定站RTK基準站進行RTK組網(wǎng)測量時，2臺RTK主機配置為RTK流動站。當系統(tǒng)移動站脫離系統(tǒng)固定站單獨測量時，1臺RTK主機配置為RTK基準站，1臺RTK主機配置為RTK流動站，進行RTK組網(wǎng)測量。

RTK主機作為RTK基準站時，其工作原理與固定站的RTK基準站工作原理相同，只是內(nèi)置電臺功率小于外置電臺，RTK作用距離變小。系統(tǒng)移動站的RTK主機作為RTK基準站時，實際的左右距離為5 km。

RTK主機作為RTK流動站的工作原理：GPS北斗接收板卡接收GPS北斗衛(wèi)星信號，并接收RTK基準站發(fā)送的RTK改正數(shù)據(jù)，進行實時載波相位差分定位，從而獲得高精度點位坐標。STM32微處理器負責配置GPS北斗接收板卡和數(shù)傳電臺以及整個工作流程的控制。LCD觸摸屏是RTK流動站主機的輸入輸出接口，可通過其設置RTK流動站的工作模式和配置信息，同時顯示RTK流動站的運行狀態(tài)和測量數(shù)據(jù)等信息。

RTK流動站在收到RTK基準站發(fā)送的RTK改正數(shù)時，可進行實時載波相位差分定位。當無法接收RTK基準站發(fā)送的RTK改正數(shù)時，可進行單點定位測量點位坐標。系統(tǒng)在RTK組網(wǎng)測量時，測量點位坐標精度為1 cm，單點定位時，測量點位坐標精度為1 m。RTK主機實物圖如圖4所示。

圖4 RTK主機實物圖

②全站儀選型及使用原理。全站儀使用2臺RTK主機獲得的點位坐標作為起始邊，可計算出觀測范圍內(nèi)任意測量的點位坐標。

全站儀選用日本拓普康GPT-7501型全站儀，該全站儀測角精度為1 s，無合作目標測距量程為2 000 m，測距精度為2 mm。

全站儀使用時需要將全站儀與1臺RTK主機天線同軸架設（通過設計連接機構保證，這樣通過RTK主機即可獲得全站儀的位置坐標），先觀察另一臺RTK主機，然后將水平角讀數(shù)清零，再旋轉全站儀將觀測測量目標點，記錄下此時水平角讀數(shù)和到測量目標點的距離，再結合兩個2臺RTK主機之間的方向角和全站儀的點位坐標，即可計算出測量目標點的點位坐標。

3 靶場大地測量系統(tǒng)應用

3.1 RTK流動站測量點位坐標

靶場應用測試條件允許，可以將RTK流動站測量天線直接架設在測量點時，可打開固定站的RTK基準站，然后將移動站的RTK主機設置為RTK流動站，將其天線架設在測量點上，進行RTK組網(wǎng)測量，直接通過RTK流動站測量出測量點的點位坐標等信息。RTK流動站測量顯示界面如圖5所示。靶場的多數(shù)測試都具備條件將RTK流動站測量天線直接架設在測量點上。

3.2 RTK流動站與全站儀聯(lián)合測量點位坐標

靶場應用時，有些情況不具備將RTK流動站天線架設在目標點上，此時就需要RTK流動站和全站儀聯(lián)合測量目標點點位坐標。

將1臺RTK主機設置為RTK流動站，1臺RTK主機設置為RTK基準站，將全站儀與RTK基準站天線同軸架設。

圖5 RTK流動站測量顯示界面

首先，觀測RTK基準站顯示界面記錄RTK基準站到RTK流動站的方向角。其次，水平轉動全站儀觀測RTK流動站，然后將水平角讀數(shù)清零。再次，水平轉動全站儀觀測測量目標點，記錄此時水平角讀數(shù)和到測量目標點的距離。最后，結合全站儀的點位坐標，根據(jù)上述RTK基準站到RTK流動站的方向角、全站儀水平角讀數(shù)和到測量目標點的距離，使用極坐標法即可計算出測量目標點的點位坐標。

4 靶場大地測量系統(tǒng)使用與測試

4.1 RTK組網(wǎng)測量操作流程

RTK組網(wǎng)測量操作流程如圖6所示。

圖6 RTK組網(wǎng)測量操作流程

表2 RTK測得坐標數(shù)據(jù)和5″網(wǎng)坐標數(shù)據(jù)對比

4.2 靶場大地測量系統(tǒng)測試

靶場大地測量系統(tǒng)在5″網(wǎng)上，選擇了6個標準點進行了測試，測試時，采用固定站和移動站聯(lián)合測試，將移動站的1臺RTK主機設置為RTK流動站，與固定站的RTK基準站進行RTK組網(wǎng)測量，測量數(shù)據(jù)如表2所示。根據(jù)表2，計算各個點的位置誤差和平均誤差，位置誤差計算位置誤差結果如下：

KD012位置誤差為0.019 m；KD013位置誤差為0.022 m；KD014位置誤差為 0.014 m；KD022位置誤差為 0.021 m；KD032位置誤差為 0.010 m；KD033位置誤差為0.014 6 m。

比較上述數(shù)據(jù)，系統(tǒng)測量最大位置誤差為0.022 m。

5 結論

系統(tǒng)在5″網(wǎng)上進行了測試，分析測試數(shù)據(jù)可知，系統(tǒng)測量精度＜0.03 m。系統(tǒng)既能滿足點位坐標、距離、方位角高精度的測量需要，又能滿足多種坐標測量和實時測量的靶場應用需求。

［1］劉基余.GPS衛(wèi)星導航定位原理與方法［M］.北京：科學出版社，2003.

［2］孔祥元，郭際明，劉宗泉，等.大地測量學基礎［M］.武漢：武漢大學出版社，2001.

Design and Application of Geodetic Measurement System Based on RTK

LI Ping1，SONG Xiu-yuan1，WEI Tian-hu2，LI Hui3，WANG Wei-zhi2
（1.North Automatic Control Technology Institute，Taiyuan 030006，China；2.Beijing Aoptek Scientific Co.，Ltd，Beijing 100070，China；3.Harbin Building Group Co.，Ltd，Harbin 150030，China）

TP302.1

A

10.3969/j.issn.1002-0640.2017.09.034

1002-0640（2017）09-0153-05

2016-08-26

2016-09-16

李 平（1961- ），男，山東榮城人，高級工程師。研究方向：軍品檢測。