单基站RTK及城市多基站CORS测量原理精度及优缺点比较分析.doc

1、单基站 RTK 及城市多基站 CORS 测量原理精度及优缺点比较分析摘 要：GPS 实时定位技术已广泛应用于测量当中，目前使用 RTK测量主要是单基站和多基站的两种常用模式，文章从单基站 RTK以及多基站 CORS系统的定位原理、主要误差源分析了各种因素对其对定位精度的影响程度，为帮助测绘作业者对两种系统的理论提高认识，为 GPS使用过程中精度分析提供参考。 关键词：RTK；CORS；VRS；测量原理；定位精度 GPS 是英文 Global Positioning System（全球定位系统）的简称，根据 GPS的定位方式可将其分为：测码伪距定位、测相伪距定位；静态定位和动态定位以及相对定位和

2、绝对定位等。大地测量中高精度（毫米级）的控制点测量多采用静态测相伪距相对定位；而施工放线、数字化测图等厘米级精度要求的测量，多采用动态测相伪距相对定位。因动态测相伪距相对定位采用的是站间求差，且可以实时得到测量结果，故把该种测量方法称为实时动态差分测量（Real time kinematic） ，简称RTK。目前测量中常用的动态测量方法主要是单基站 RTK和多基站城市连续运行参考站（ Continuous Operational Reference Systems）简称CORS。本文将针对两种动态测量方式进行原理和精度分析比较，得出两者的优缺点。 1 单基站 RTK定位原理 所谓 GPS-RT

3、K定位是将参考站的单点定位的观测结果与参考站的已知坐标进行比较，计算出参考站至卫星的距离改正数，并将改正数发送给移动台，移动台则根据参考站的改正数，实时对定位结果进行改正，从而提高定位精度。目前单基站 RTK定位方法中有伪距法和载波相位法，因载波相位差分法比其他几种方法的精度要高，因此目前市场上主流 RTK仪器的解算方法也多为载波相位差分法。接下来我们用公式来解释其定位的原理： 在卫星信号被接收机锁定之后，卫星与测站间的相位值由三部分组成 （1） 式中为观测相位的不足整周的小数部分，为起始整周模糊度，为从起始时刻至观测时刻的整周变化值，则星站间距离为载波波长与星站相位差的乘积。即 （2） 若在

4、参考站利用已知坐标和卫星星历可求得星站间的真实距离，星站间伪距观测值则可表示为： （3） 公式中为电离层折射对伪距观测值的影响，为对流层折射对伪距观测值的影响为多路径效应，Vi 为 GPS接收机噪声。在参考站可求出伪距改正数： （4） 用此改正数对用户站伪距观测值进行修正，有 （5） 当参考站和用户站之间的距离小于 30km，可认为， ，则 （6） 式中。 将载波相位伪距观测值（2）代入上式，则可得 （7） 上式中令为起始整周数之差，若观测过程中若卫星跟踪且信号不失锁，则即为常数，令载波相位测量差值 （7）式可表示成 （8） 公式中的未知数、Xk、Yk、Zk 及中除外，其余均为常数。但两接收机

5、钟差之差、噪声之差及两站间多路径效应之差在相邻历元间的变化量均小于厘米级动态定位允许的误差，在求解过程中也可将视作常数。因此，起始整周未知数若能确定，在参考站和用户站同时观测相同的 4颗卫星，就可实现对用户站的定位。可见起始整周未知数的快速求解是载波相位差分动态定位的关键。由于每增加一个观测卫星，将相应增加一个整周未知数，因而只能靠延长观测时间，增加观测历元数求解起始整周未知数，整周未知数一旦确定就能够求解出对应点位的坐标，RTK 就是这样来实现定位的目的。 2 多基站 CORS测量原理 CORS 的测量原理与单基站的定位原理主要是它数据处理的方法的不同，在 CORS网络中，各固定参考站不直接

6、向流动站发送载波修正信息，而是将所有伪距数据通过发给 CORS控制中心，同时，流动站在工作前，先通过移动网络向控制中心发送移动台单点定位后的坐标，控制中心收到坐标信息后，根据用户坐标，对给定的位置进行几何替代处理，整体改正 GPS轨道误差，电离层，对流层和大气折射等引起的误差，再生成一组标准格式的改正信息，通过移动网络由控制中心发送给流动站。流动站接收到控制中心发出经过的修正信息，该修正信息经过改正后，相当于参考站参考站在旁边，不包含因距离原因所带来的区域模型误差，所以叫做虚拟参考站法（又称 VRS） 。该方法解算时加入了区域定位实时误差模型，其他与单基站观测方程相同。 3 精度分析 在利用

7、RTK进行定位时，不管是单基站 RTK还是多基站 CORS系统都会受到各种各样因素的影响，下面就各种误差和影响进行叙述： 3.1 RTK 测量误差 RTK 测量精度受到卫星星历、卫星钟及接收机钟差、电离层、对流层、多路径效应以及地球潮汐等影响。同时还受仪器本身的误差、坐标转换过程中控制点的精度误差、作业半径，天线架设高度等观测条件等因素影响。因此 RTK作业时，用来求转换参数控制点的精度分布要均匀，安排观测时间时应排除白天高温时段以及电离层较活跃期间、点位几何图形强度因子选择（PDOP 3.2 CORS 测量系统误差 CORS 系统的误差来源与常规 RTK误差源基本相同，主要有三部分：与 GP

8、S卫星有关的误差（包括：卫星星历误差、卫星钟差及相对论效应） ；与信号传播有关的误差（包括：电离层折射延迟、对流层折射误差以及多路径误差） ；与 GPS接收机有关的误差（包括：收机钟差、接收机位置误差） 。由于 GPS以上的误差在空间和时间上具有极大相关性，GPS 定位时都采用差分定位方法，该方法能够使用这些相关性来改善整个 GPS系统的性能，可以减少或者消除卫星误差、接收机钟差和大气折射误差等。与单基站 RTK不同的是，使用 CORS系统时，CORS 数据控制中心能够根据各个参考站的观测值，建立整个区域误差模型（如电离层折射误差模型、对流层折射误差模型和卫星轨道误差模型等） ，并将这些误差从

9、观测数据中消除，加上 CORS系统提供的载波相位差分改正信息是将多个参考站的观测资料进行有效的组合而求解得到的，所以在几百公里的距离内也能很快实现厘米级的定位，并且精度不随距离的增大而降低。 另外，RTK 测量使用的是美国卫星，因此测量的数据为美国 WGS-84坐标系统下数据，要将数据转换成当地坐标系的成果就必须进行坐标转换。平面坐标转换需要采集已知的高等级控制点，因等级控制点等级及精度不一致，导致作业成果因坐标转换造成较大误差。单基站 RTK因控制点误差导致求解参数的不准确，可能产生 23cm 的 RTK测量误差。而CORS系统采用的是获取本地区经纬度原始观测值，并且系统会将误差模型加入观测

10、值进行改正得到各种坐标系下的精确坐标值，所以这样得到的参数也能较大地提高精度。单基站 RTK大地高转换成正常高一般使用的是 2-3个控制点求出该区域的高程异常值的平均值。CORS 系统则是按高程拟合、大地水准面精化等方法求得区域高程，因此使用 CORS系统可大大提高其测高的精度。 通过以上分析我们将两个优缺点综合如下： 3.2.1 单基站主要的局限性表现为： （1）用户需要架设本地参考站 ，且基站架设时存在误差；（2）误差随着距离的增长而增大；可靠性和精度随距离增长而降低，作业距离10km。 3.2.2 多基站 CORS系统的优势有： （1） 增大了移动站与固定参考站的作业距离，作业范围可扩大

11、到几百公里，并能保证精度均匀，精度保证控制在 12cm 范围。 （2）费用大幅度降低，用户无需架设自己的参考站，仪器购买时无需购置参考站。4 未来发展及展望 随着城市数字化及空间数据转换等基础设施建设，使用 GPS进行定位的范围增大，因 CORS使用上有很多便捷之处，因此多基站 CORS是未来发展的主要方向，并且将变成城市空间基础设施的重要组成部分，未来 CORS的发展主要有以下几个方面： 4.1 取代常规控制测量方法 CORS 将取代常规测量控制网，CORS 的建设作为永久控制网的基准点，能够实时快速的提供控制点，实现一次投入，永久收益，而且参考站网能够自我完善，不断更新动态基准点，最终将于

12、周边城市，省份网络连城一个整体，全面取代现有国家级天文控制网的功能。 4.2 提供更高精度（毫米级）定位服务 为满足地理物理与环境监测的需求，CORS 将与周边地区连续跟踪参考站进行数据交换，分析研究所在板块相对于其他周边板块的运动规律，支持地震监测部门在参考站网服务区内的流动检测点位进行毫米级精度的监测研究作业。 参考文献 1 东海宇.CORS 系统与传统 RTK测量的优势对比分析J.西部探矿工程，2012 第 6期. 2 郑廷隆.单基站 RTK实时定位原理及应用J.吉林地质，2010年 3月第 29卷. 3 徐绍全张华海 GPS测量原理及应用武汉J.武汉大学出版社，2002. 作者简介：罗勇（1982- ） ，男，江西九江人，工程硕士，长江工程职业技术学院教师，讲师，研究方向：GPS 定位技术。