Trimble RTX技術(shù)性能測試與應(yīng)用分析

吳建梅，柯 敏*，房新玉

(1.交通運輸部天津水運工程科學研究所，天津 300456；2.天津水運工程勘察設(shè)計院 天津市水運工程 測繪技術(shù)重點實驗室，天津 300456)

星站差分技術(shù)是近年來快速發(fā)展起來的一種定位技術(shù)，相對于現(xiàn)有已較為成熟的偽距差分RTD(Real Time Dynamie)和載波相位差分RTK(Real Time Kinematic)技術(shù)，前者屬于星基差分定位技術(shù)，而后者屬于陸基差分定位技術(shù)，這使得星站差分技術(shù)可不受地域條件限制，應(yīng)用范圍更為廣泛。

目前，星站差分技術(shù)在國內(nèi)工程測量領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛，在系統(tǒng)分類方面，主要包括Navcom公司的StarFire技術(shù)、Fugro公司的Starfix技術(shù)、Hexagon公司的TerraStar技術(shù)、Trimble公司的OmniSTAR及RTX技術(shù)[1]、日本的QZSS技術(shù)。在技術(shù)應(yīng)用方面，劉亮以StarFire技術(shù)為例，分析星站差分技術(shù)相對傳統(tǒng)差分技術(shù)優(yōu)勢，探討其在水運工程測量領(lǐng)域的應(yīng)用與優(yōu)勢[2]；張振軍、許捍衛(wèi)等通過StarFire技術(shù)在內(nèi)河航道水深測量定位中的應(yīng)用測試，表明其能穩(wěn)定、高效、高精度地應(yīng)用于大比例尺水下地形測量[3-4]；安云松采用OmniSTAR技術(shù)在國內(nèi)外兩地采集三組數(shù)據(jù)進行分析，得出滿足采樣率及觀測時長要求的星站差分靜態(tài)單點定位坐標均值精度較高，滿足石油勘探測量起算點的精度要求[5]；萬家歡等利用StarFire技術(shù)開展遠海島礁控制測量，并與PPP成果進行比對，得出StarFire技術(shù)平面精度達到厘米級，可替代PPP來快速獲取符合精度要求的控制點坐標[6]。

由于對StarFire及OmniSTAR等差分技術(shù)已有大量文獻資料進行介紹說明，而對RTX技術(shù)系統(tǒng)介紹及精度統(tǒng)計分析較少，因此本文對Trimble RTX技術(shù)進行相關(guān)性能測試，并結(jié)合水運工程測量現(xiàn)狀，對其應(yīng)用領(lǐng)域進行分析說明。

1 RTX系統(tǒng)介紹

1.1 RTX技術(shù)簡介

RTX(Real-Time eXtended)實時差分擴展技術(shù)是Trimble新近開發(fā)的一種定位技術(shù)，通過將多種創(chuàng)新技術(shù)融合在一起，使得用戶能夠在不采用各類基準站電臺或網(wǎng)絡(luò)參考站鏈接的情況下，實現(xiàn)在地球表面任何地方進行厘米級定位。其系統(tǒng)組成見圖1。

圖1 RTX系統(tǒng)組成Fig.1 RTX system composition

RTX系統(tǒng)工作原理為：利用分布于全球的約100個跟蹤站，連續(xù)獲得實時衛(wèi)星(包括時鐘誤差、軌道誤差)和大氣數(shù)據(jù)，通過高度準確的模型和算法來生成RTX差分數(shù)據(jù)，然后將差分數(shù)據(jù)以CMRx格式進行壓縮后注入L波段對地靜止衛(wèi)星或互聯(lián)網(wǎng)后廣播到GNSS接收機，從而提高其定位精度。

從本質(zhì)上說，RTX是采用精密單點定位技術(shù)進行定位的，其既可以實現(xiàn)實時精密單點定位，也可用于事后處理。與其他星站差分系統(tǒng)組成類似，RTX系統(tǒng)主要包含GNSS衛(wèi)星系統(tǒng)、RTX衛(wèi)星跟蹤網(wǎng)絡(luò)、L波段通信衛(wèi)星/互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)、用戶系統(tǒng)。

1.2 RTX服務(wù)類型

表1 RTX差分改正服務(wù)Tab.1 RTX differential correction services

RTX差分改正支持GPS、GLONASS、QZSS及北斗系統(tǒng)，其服務(wù)可應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、林業(yè)、公用事業(yè)、陸地測量、海洋測量等諸多領(lǐng)域，目前RTX星站差分系統(tǒng)提供多種實時差分改正服務(wù)，具體見下表1。

上述初始化時間與使用的接收機類型及使用位置有關(guān)，表1所列數(shù)值為全球范圍內(nèi)大部分地區(qū)初始化時間。在美國部分地區(qū)及中、西歐大部分地區(qū)，CenterPoint RTX及FieldPoint RTX初始化時間更短，一般優(yōu)于5 min。如無特殊說明，本文后續(xù)所列RTX均特指CenterPoint RTX。

需要注意的是，目前儀器接收的RTX實時差分改正數(shù)據(jù)采用的坐標參考框架為ITRF2014歷元2005.00，與最新的WGS84(G1762)坐標系存在微小差異。WGS84(G1762)與ITRF2008歷元2005.00基本一致。

2 RTX性能測試

為驗證RTX系統(tǒng)性能，本文通過現(xiàn)場測試進行驗證?，F(xiàn)場測試控制點K001位于天津市濱海新區(qū)天津港周邊，靠近渤海海域，周邊較為空曠，無明顯遮擋地物，測試儀器采用Trimble R10 GPS雙頻接收機，測試內(nèi)容包括RTX收斂時間、內(nèi)符合精度、外符合精度及后處理精度統(tǒng)計。其中內(nèi)符合精度、外符合精度通過連續(xù)觀測模式，采集觀測時間為11 h、采樣間隔為15 s，采用頻率為1 Hz的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析；后處理精度采用靜態(tài)觀測模式分別采集2次，每次為2 h的觀測數(shù)據(jù)通過在線解算進行統(tǒng)計分析。

圖2 RTX平面及高程收斂時間Fig.2 Convergence time of RTX in plane and elevation

2.1 收斂時間

利用RTX進行測量前均存在收斂過程，收斂時間的長短與接收機類型及測量環(huán)境相關(guān)，當測量環(huán)境發(fā)生顯著變化時還會存在發(fā)散現(xiàn)象[7]。收斂時間包括兩種情形：已知控制點成果下收斂時間和未知控制點成果下收斂時間。經(jīng)過現(xiàn)場測試，在已知控制點成果情況下，通過將控制點成果輸入儀器中，RTX能在1 min內(nèi)快速收斂獲得固定解；在未知控制點成果情況下，需等待RTX自動收斂以獲得固定解。本次在同一控制點上，通過同一天內(nèi)測試三次，每次間隔時間為10 min，分別統(tǒng)計RTX收斂精度及收斂時間，具體見圖2。

RTX自動收斂過程中，開始時平面及高程精度均較差，瞬時收斂精度均大于1 m，收斂過程中精度受環(huán)境影響存在變差情形，但整體呈現(xiàn)逐步收斂至固定狀態(tài)，此時平面及高程殘差均優(yōu)于10 cm。三次時間測試中，第一次收斂時間約為33 min，第二次收斂時間約為17 min，第三次收斂時間約為14 min，收斂時間逐步縮短，收斂速率基本一致。

2.2 內(nèi)符合精度

內(nèi)符合精度主要反映了觀測數(shù)據(jù)的內(nèi)部質(zhì)量情況。目前常用的內(nèi)符合精度統(tǒng)計方法采用各個測量值與組內(nèi)平均值相比較，即計算所有觀測值的平均值，再與每個觀測值計算較差[8]。設(shè)各觀測值li與平均值l得差值為vi=li-l，則內(nèi)符合精度公式為

表2 RTX測量內(nèi)符合精度統(tǒng)計表Tab.2 Statistical of Internal accuracy for RTX measurement

(1)

將測試采集的數(shù)據(jù)按公式(1)計算，分別得到北方向x、東方向y及高程h的內(nèi)符合精度統(tǒng)計，具體見表2。

內(nèi)符合精度統(tǒng)計中,各坐標分量差值的頻率及分布情況見圖3。

圖3 內(nèi)符合各坐標分量差值統(tǒng)計Fig.3 Difference statistics of coordinate components in internal accuracy

從表2及圖3可知，RTX內(nèi)符合精度統(tǒng)計中，各坐標分量差值分布較為合理，符合正態(tài)分布情況，其中北方向x主要差值區(qū)間為-0.03～0.03 m、占比98.75%，東方向y主要差值區(qū)間為-0.02～0.02 m、占比99.24%，高程h主要差值區(qū)間為-0.08～0.08 m、占比98.29%。平面方向中誤差優(yōu)于2 cm，高程方向中誤差優(yōu)于4 cm，內(nèi)符合精度良好。

2.3 外符合精度

外符合精度主要用于判定系統(tǒng)測量精度，其精度統(tǒng)計采用測量值與真值進行比較，分析RTX系統(tǒng)性誤差。將高等級控制點的坐標成果作為真值，計算各個觀測值與真值之差，設(shè)各觀測值li與真值l0的差值為Δi=li-l0，外符合精度公式為

(2)

表3 RTX測量外符合精度統(tǒng)計表Tab.3 Statistical of external accuracy for RTX measurement

將測試采集數(shù)據(jù)按公式(2)計算，分別得到北方向x、東方向y及高程h的外符合精度統(tǒng)計，具體見表3。

外符合精度統(tǒng)計中，各坐標分量差值分布情況見圖4。

從表3及圖4可知，RTX外符合精度統(tǒng)計中，各坐標分量差值存在明顯方向偏差，其中北方向x主要差值區(qū)間為-0.05～0.01 m、占比98.18%，東方向y主要差值區(qū)間為0.04～0.08 m、占比98.82%，高程h主要差值區(qū)間為-0.18～0.02 m、占比99.20%。平面各方向中誤差優(yōu)于6 cm，高程中誤差約為10 cm，平面方向精度及離散性均優(yōu)于高程方向。

圖4 外符合各坐標分量差值分布Fig.4 Difference distribution of coordinate components in external accuracy

2.4 后處理精度

Trimble CenterPoint RTX post-processing(簡稱RTX-PP)是Trimble公司提供的RTX后處理服務(wù)。此應(yīng)用服務(wù)允許用戶在線上傳符合相關(guān)觀測要求的靜態(tài)GNSS數(shù)據(jù)至Trimble公司RTX后處理服務(wù)中心，通過選擇不同的坐標系統(tǒng)、地殼板塊模型來獲取對應(yīng)的定位解算成果。RTX-PP后處理通過相關(guān)算法模型消除或削弱影響定位的各項誤差，同時還進行如下解算校正：(1)衛(wèi)星和接收機天線校正；(2)固體潮汐；(3)波浪潮；(4)海潮加載效應(yīng)；(5)相對論修正；(6)相位疊加；(7)代碼和載波相位偏差[9]。

本次利用在測試控制點K001上采集3次，每次為2 h靜態(tài)觀測數(shù)據(jù)，選取目前國內(nèi)施行的2000國家大地坐標系下成果進行精度統(tǒng)計，具體步驟如下：

表4 RTX-PP與BHCORS解算結(jié)果對比表Tab.4 Comparison of calculation results between RTX-PP and BHCORS

(1)分別將GNSS靜態(tài)觀測數(shù)據(jù)上傳至RTX-PP在線服務(wù)中心，坐標系統(tǒng)選擇CGCS2000、地殼板塊選擇自動選取，填寫電子郵件地址后幾分鐘便可收到控制點K001的解算結(jié)果。

(2)利用濱海新區(qū)連續(xù)運行衛(wèi)星定位綜合服務(wù)系統(tǒng)(簡稱BHCORS)，通過同步觀測，采用靜態(tài)解算方式獲得控制點K001在CGCS2000坐標系下成果。

(3)將BHCORS解算成果作為真值，并與3次RTX-PP解算成果進行比對，結(jié)果見表4。

從表4解算結(jié)果可以看出：在CGCS2000坐標系下，不同時段3次RTX-PP解算結(jié)果平面最大差值為0.025 m，高程最大差值為0.065 m，解算結(jié)果符合性較好；RTX-PP解算結(jié)果與BHCORS解算結(jié)果平面最大差值為0.161 m，高程最大差值為0.081 m，RTX-PP直接解算結(jié)果精度為分米級。分析認為，由于RTX-PP解算成果是基于整個歐亞板塊歐拉矢量求得[10]，精度不高。如需獲得CGCS2000坐標系下高精度成果，需進行相應(yīng)的框架變換及歷元變換，利用高精度速度場模型可獲得厘米級解算精度[9]。

3 應(yīng)用分析

現(xiàn)行的JTS131-2012《水運工程測量規(guī)范》主要包括控制測量、地形測量、水深測量、變形測量、施工測量，根據(jù)RTX技術(shù)性能測試結(jié)果，其應(yīng)用分析如下：

(1)控制測量：目前RTX-PP后處理成果經(jīng)過框架及歷元變換后，其精度可達到厘米級，相較于傳統(tǒng)控制測量，其優(yōu)勢包括不需要同步觀測，單站采集靜態(tài)數(shù)據(jù)進行單獨處理即可。同時，在CGCS2000坐標系下，可減少對作為起算點的高級控制點的數(shù)量要求，采用1組平面、高程控制點作為校核點后便可快速開展測量作業(yè)。

(2)地形測量：可滿足中、小比例尺地形圖測量精度要求，傳統(tǒng)RTK測量前需先布設(shè)控制網(wǎng)及架設(shè)基準站，采用RTX則不需要進行上述作業(yè)步驟，直接進行現(xiàn)場地形測量，且不受電臺信號遮擋及傳播距離限制，適用范圍更廣。

(3)水深測量：RTX定位精度為厘米級，現(xiàn)有RBN-DGPS定位精度為分米級，前者定位精度更高，因此采用RTX可提高水深測量定位精度，尤其是在多波束測量作業(yè)中。同時，RTX覆蓋范圍為全球，因此其作業(yè)范圍更廣，尤其是在深遠海地區(qū)及海外欠發(fā)達地區(qū)，可用性及便捷性更大。

(4)變形測量：由于變形測量的測量精度需達到毫米至亞毫米級，因此RTX目前還不具備在變形測量領(lǐng)域全面推行條件，但RTX-PP后處理精度可達厘米級，可在變形測量特定作業(yè)環(huán)節(jié)中使用。

(5)施工測量：主要涉及施工定位及放樣，目前在疏浚和航道整治施工放樣及水工建筑施工放樣領(lǐng)域定位普遍采用DGPS，由于RTX精度更高，故可滿足此類領(lǐng)域定位精度要求。

4 結(jié)論

本文以Trimble RTX技術(shù)為例，分別從收斂時間、內(nèi)符合精度、外符合精度及后處理精度對其進行性能測試及應(yīng)用分析，主要結(jié)論如下：

(1)在已知控制點成果情況下，RTX可快速收斂至固定狀態(tài)。在未知控制點成果情況下，RTX自動收斂時間約為30 min，與標定時間基本一致，且后續(xù)收斂時間逐步縮短。

(2)RTX內(nèi)符合精度平面中誤差優(yōu)于2 cm，高程中誤差優(yōu)于4 cm；外符合精度各方向中誤差優(yōu)于6 cm，高程中誤差約為10 cm，與標定精度基本一致。在成果精度及離散性方面，平面方向明顯優(yōu)于高程方向。

(3)在CGCS2000坐標系下，3次RTX-PP解算結(jié)果內(nèi)符合性較好，平面較差優(yōu)于3 cm；與BHCORS解算結(jié)果相比，平面及高程精度均為分米級。如要獲得高精度的CGCS2000坐標，則需進行框架及歷元變換，其精度可達毫米級，具體方法及參數(shù)可從ITRF官網(wǎng)獲取。

(4)星站差分技術(shù)作為一種廣域(全球)差分技術(shù)，在無基準站或CORS系統(tǒng)的區(qū)域，尤其是一帶一路沿線發(fā)展中國家并未建立完善的陸基差分改正服務(wù)系統(tǒng)，其重要性及優(yōu)勢十分明顯。RTX技術(shù)精度較高，可廣泛應(yīng)用于水運工程測量領(lǐng)域，提高測量精度及效率，節(jié)省工作時間及成本。