北斗網(wǎng)絡RTK接收機校準方法

王卓念 劉曉琴

北斗網(wǎng)絡RTK接收機校準方法

王卓念 劉曉琴

（廣州廣電計量檢測股份有限公司，廣東 廣州 510656）

介紹了北斗網(wǎng)絡RTK接收機的工作原理，提出北斗網(wǎng)絡RTK接收機的校準方法，并對測量不確定度進行分析。該方法可滿足各類RTK儀器的校準需求，且測量參數(shù)更容易溯源。

北斗導航；網(wǎng)絡RTK；校準

0　引言

北斗網(wǎng)絡實時動態(tài)（real - time kinematic, RTK）接收機是一種采用載波相位差分技術(shù)并支持無線網(wǎng)絡傳輸修正信息的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)（BeiDou navigation satellite system, BDS）接收機。它相較其他衛(wèi)星定位接收機能提供更高精度的定位、測距功能，因此在智能網(wǎng)聯(lián)交通、國土測繪、礦山地災、水利水電、農(nóng)林建筑等領(lǐng)域都有廣泛應用[1-3]。北斗網(wǎng)絡RTK接收機在獲取地理位置信息方面發(fā)揮了重要作用，所提供的數(shù)據(jù)在相關(guān)行業(yè)均與工程質(zhì)量安全密切關(guān)聯(lián)，儀表用戶對其測試質(zhì)量非常重視，對其進行校準和量值溯源的需求也十分迫切。

目前常規(guī)RTK接收機采用現(xiàn)行規(guī)程“JJG（測繪） 2301—2013”進行校準。但網(wǎng)絡RTK接收機無需用戶自己搭建參考站，無法按照規(guī)程中直接測量流動站到參考站的距離[4-5]來開展校準工作?！癇S ISO 17123-8: 2015”提供了一種在無法自行搭建參考站情況下的RTK測試方法。該方法得到許多生產(chǎn)廠家的認可并作為內(nèi)部功能測試方法之一，但該試驗規(guī)范聲明因測試內(nèi)容不夠全面，不建議將其作為驗收或性能評估的測試[6]。“BD 420023—2019”提供了RTK接收機靜態(tài)模式以及網(wǎng)絡RTK模式的測試方法。該方法作為性能檢測方法合理可靠，若在校準工作中使用，基線場上的固定點坐標或者坐標系下的基線分量作為溯源的參考值，由接收機進行標定。該方法的溯源鏈為接收機→基線場→接收機，無法滿足校準工作中精度傳遞要求[7]。

本文提出一種基于因瓦基線尺→基線場→接收機的溯源鏈，通過流動站位移長度來判定RTK測量誤差的校準方法。該校準方法應用范圍更為廣泛，可滿足各類RTK儀器的校準需求，且精度測量參數(shù)更容易溯源，適合校準工作開展。

1 北斗網(wǎng)絡RTK接收機工作原理

北斗網(wǎng)絡RTK接收機包含多種工作模式，其中最為主要的網(wǎng)絡RTK測量模式需要已組網(wǎng)的參考站、數(shù)據(jù)處理中心、數(shù)據(jù)通信鏈路進行輔助工作。用戶使用網(wǎng)絡RTK測量模式過程如圖1所示。多個參考站建立在已知坐標點并按規(guī)定的采樣率進行連續(xù)觀測；數(shù)據(jù)處理中心對各參考站的同步觀測數(shù)據(jù)進行處理、生成差分信息并通過網(wǎng)絡播發(fā)；該區(qū)域內(nèi)的流動站接收衛(wèi)星信號和差分信息，從而實現(xiàn)高精度實時動態(tài)定位。

圖1　網(wǎng)絡RTK測量模式過程

2　校準條件

2.1　環(huán)境條件

校準工作應在待校準的網(wǎng)絡RTK接收機標稱工作環(huán)境下進行。RTK接收機在校準場地能夠接收5顆高度角大于15°的單星座或多星座導航定位衛(wèi)星，且衛(wèi)星分布情況良好，位置精度衰減因子（PDOP）值應小于6?，F(xiàn)場無線網(wǎng)絡性能良好，無強電磁信號干擾，環(huán)視高度角15°以上無障礙物遮擋。

2.2　標準裝置

1）秒表：測量范圍（0~3600）s，儀表顯示分辨力不大于0.1 s；

2）基線場：基線場至少包含3個固定點，各點之間距離不等且高度可調(diào)，固定點絕對地心坐標精度優(yōu)于1 m，基線長度精度優(yōu)于1 mm。

3　校準項目和方法

3.1　初始化時間

按照網(wǎng)絡RTK接收機操作方式，設置其工作模式并安置在基線場內(nèi)的固定點；用秒表記錄流動站觀測衛(wèi)星數(shù)據(jù)完成初始整周未知數(shù)解算的過程；從開啟電源到首次獲得固定解的時間1，關(guān)機后重復次取最大值為結(jié)果：

3.2　RTK測量誤差

設置網(wǎng)絡RTK接收機為流動站，工作模式為RTK模式以及數(shù)據(jù)鏈參數(shù)。流動站至少在2個固定點進行測量并獲得固定解的坐標信息，在每個點至少測量5次，固定點位置如圖2所示。選擇安置流動站的各固定點間距小于20 m，參考站到流動站間距根據(jù)實際情況設置。流動站在所測固定點均獲得固定解后計算流動站各點之間的距離、高程差測量值。

圖2 RTK測量誤差校準示意圖

通過觀測值計算各點坐標平均值：

結(jié)合觀測值和式(2)計算點殘差：

計算殘差平方和：

式中，各點測量次數(shù)= 1,2,…,5；固定點個數(shù)= 1,2；自由度v=v=v= (?1)·= (5 ? 1)×2，因此各點標準差s，s，s為

由式(5)可得水平標準差s和垂直標準差s：

計算流動站在各固定點之間的距離和高程差Δ：

計算5組水平距離測量值D與參考值*之差ε和高程差測量值h與參考值*之差ε：

式中，基線場上的*和*均由因瓦基線尺標定得出。

為保障校準結(jié)果可靠，ε和ε需要滿足以下條件：

若ε和ε不滿足式(9)中任意一項，則建議該項目重新進行校準。若ε和ε均滿足上述條件，則RTK測量水平精度m和垂直精度m可表示為

3.3　靜態(tài)測量誤差

設置各接收機工作模式為靜態(tài)模式以及數(shù)據(jù)鏈參數(shù)，至少在3個固定點進行測量，各接收機必須保證同步觀測時間滿足技術(shù)指標要求，在每個點至少測量5次，固定點位置如圖3所示。選擇安置接收機的各固定點間距小于20 m。接收機在所測固定點均獲得固定解后計算各點之間的距離、高程差測量值。誤差計算以及判斷可參考3.2。

圖3　靜態(tài)測量誤差校準示意圖

4　RTK測量不確定度分析

以華測導航I80 RTK測量系統(tǒng)為例，依據(jù)3.2校準方法對RTK測量誤差進行校準，校準工作在如圖4所示的基線場內(nèi)開展。在上一級溯源過程中，各固定點坐標由接收機標定得出，固定點之間的水平距離和高程差由因瓦基線尺標定得出。校準過程無線網(wǎng)絡性能良好且衛(wèi)星分布情況正常。

圖4　北斗網(wǎng)絡RTK接收機校準場地布點圖

在2個固定點分別進行5次測試，按式(2)~式(8)計算水平距離、高程差，并判斷測量誤差是否均滿足式(9)。觀測數(shù)據(jù)由式(6)可得水平標準差s=1.665 mm 和垂直標準差s=3.273 mm。將其他主要不確定度來源匯總后如表1所示。

表1　測量不確定分量

因測量重復性引入的標準不確定度包含儀器顯示分辨力、對中桿和各部件引入的標準不確定度，取其中最大者，將表1數(shù)據(jù)代入式(11)計算合成標準不確定度：

可得RTK測量不確定度：?xy= 1.666 mm，?h= 3.273 mm；擴展不確定度：取= 2，U=?xy= 3.3 mm，U= 2?h= 6.5 mm。

5　結(jié)語

本文根據(jù)北斗網(wǎng)絡RTK接收機的工作原理，提出了初始化時間、RTK測量誤差、靜態(tài)測量誤差的校準方法。本校準方法已通過大量的實地測試驗證其可行性和適用性，可作為北斗網(wǎng)絡RTK接收機校準的參考依據(jù)，其他具有類似功能的設備也可以參照該方法對設備測量性能進行校準。

[1] 錢志鴻,田春生,郭銀景,等.智能網(wǎng)聯(lián)交通系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)與發(fā)展[J].電子與信息學報,2020,42(1):2-19.

[2] 杜仲進.基于多模CORS的網(wǎng)絡RTK服務性能測試[J].地理空間信息,2019,17(4):32-34,47.

[3] 羅衛(wèi)國.基于北斗的網(wǎng)絡RTK實時定位服務分析[J].北京測繪,2019,33(7):787-791.

[4] 國家測繪地理信息局.JJG(測繪) 2301—2013 全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)測量型接收機RTK檢定規(guī)程[S].北京:測繪出版社,2013.

[5] 侯建明.對網(wǎng)絡RTK接收機檢定方法的探討[J].華北國土資源,2013(4):96-97,102.

[6] ISO 17123-8:2015 Optics and optical instruments - Field procedures for testing geodetic and surveying instruments - Part 8: GNSS field measurement systems in real-time kinematic (RTK) [S]. Switzerland: ISO, 2015.

[7] 全國北斗衛(wèi)星導航標準化技術(shù)委員會.BD 420023—2019 北斗/全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)（GNSS）RTK接收機通用規(guī)范[S].北京:中國標準出版社,2019.

Calibration Method of BDS Network RTK Receiver

Wang Zhuonian Liu Xiaoqin

(Guangzhou GRG Metrology & Test Co., Ltd. Guangzhou510656, China)

This paper introduces the working principle of BDS Network RTK receiver, presents a calibration method for BDS Network RTK receiver, and analyzes the measurement uncertainty. This method can meet the calibration requirements of all kinds of RTK receivers, and the measurement parameters are more easily traceable.

BDS; Network RTK; calibration

王卓念，男，1991年生，碩士，主要研究方向：光電信息技術(shù)。E-mail：wangzn@grgtest.com

TH71

A

1674-2605(2020)04-0008-04

10.3969/j.issn.1674-2605.2020.04.008