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GPS测量基础知识
…RTK原理…
RTK简介
高精度的GPS测量必须采用载波相位观测值，RTK定位技术就是基于载波相位观测值的实时动态定位技术，它能够实时地提供测站点在指定坐标系中的三维定位结果，并达到厘米级精度。
在RTK作业模式下，基准站通过数据链将其观测值和测站坐标信息一起传送给流动站。
流动站不仅通过数据链接收来自基准站的数据，还要采集GPS观测数据，并在系统内组成差分观测值进行实时处理，同时给出厘米级定位结果，历时不到一秒钟。
流动站可处于静止状态，也可处于运动状态；可在固定点上先进行初始化后再进入动态作业，也可在动态条件下直接开机，并在动态环境下完成周模糊度的搜索求解。
在整周末知数解固定后，即可进行每个历元的实时处理，只要能保持四颗以上卫星相位观测值的跟踪和必要的几何图形，则流动站可随时给出厘米级定位结果。
RTK技术的关键在于数据处理技术和数据传输技术，RTK定位时要求基准站接收机实时地把观测数据（伪距观测值，相位观测值）及已知数据传输给流动站接收机，数据量比较大，一般都要求9600的波特率，这在无线电上不难实现。
RTK定位技术可广泛用于：
1．各种控制测量
传统的大地测量、工程控制测量采用三角网、导线网方法来施测，不仅费工费时，要求点间通视，而且精度分布不均匀，且在外业不知精度如何，采用常规的GPS静态测量、快速静态、伪动态方法，在外业测设过程中不能实时知道定位精度，如果测设完成后，回到内业处理后发现精度不合要求，还必须返测，而采用RTK来进行控制测量，能够实时知道定位精度，如果点位精度要求满足了，用户就可以停止观测了，而且知道观测质量如何，这样可以大大提高作业效率。
如果把RTK用于公路控制测量、电子线路控制测量、水利工程控制测量、大地测量、则不仅可以大大减少人力强度、节省费用，而且大大提高工作效率，测一个控制点在几分钟甚至于几秒钟内就可完成。
2．地形测图
过去测地形图时一般首先要在测区建立图根控制点，然后在图根控制点上架上全站仪或经纬仪配合小平板测图，现在发展到外业用全站仪和电子手簿配合地物编码，利用大比例尺测图软件来进行测图，甚至于发展到最近的外业电子平板测图等等，都要求在测站上测四周的地形地貌等碎部点，这些碎部点都与测站通视，而且一般要求至少2-3人操作，需要在拼图时一旦精度不合要求还得到外业去返测，现在采用RTK时，仅需一人背着仪器在要测的地形地貌碎部点呆上一二秒种，并同时输入特征编码，通过手簿可以实时知道点位精度，把一个区域测完后回到室内，由专业的软件接口就可以输出所要求的地形图，这样用RTK仅需一人操作，不要求点间通视，大大提高了工作效率，采用RTK配合电子手簿可以测设各种地形图，如普通测图、铁路线路带状地形图的测设，公路管线地形图的测设，配合测深仪可以用于测水库地形图，航海海洋测图等等。
3．放样
工程放样是测量一个应用分支，它要求通过一定方法采用一定仪器把人为设计好的点位在实地给标定出来，过去采用常规的放样方法很多，如经纬仪交会放样，全站仪的边角放样等等，一般要放样出一个设计点位时，往往需要来回移动目标，而且要2-3人操作，同时在放样过程中还要求点间通视情况良好，在生产应用上效率不是很高，有时放样中遇到困难的情况会借助于很多方法才能放样，如果采用RTK技术放样时，仅需把设计好的点位坐标输入到电子手簿中，背着GPS接收机，它会提醒你走到要放样点的位置，既迅速又方便，由于GPS是通过坐标来直接放样的，而且精度很高也很均匀，因而在外业放样中效率会大大提高，且只需一个人操作。
差分GPS定位技术及发展
差分技术很早就被人们所应用。
它实际上是在一个测站对两个目标的观测量、两个测站对一个目标的观测量或一个测站对一个目标的两次观测量之间进行求差。
其目的在于消除公共项，包括公共误差和公共参数。
在以前的无线电定位系统中已被广泛地应用。
GPS是一种高精度卫星定位导航系统。
在实验期间，它能给出高精度的定位结果。
这时尽管有人提出利用差分技术来进一步提高定位精度，但由于用户要求还不迫切，所以这一技术发展较慢。
随着GPS技术的发展和完善，应用领域的进一步开拓，人们越来越重视利用差分GPS技术来改善定位性能。
它使用一台GPS基准接收机和一台用户接收机，利用实时或事后处理技术，就可以使用户测量时消去公共的误差源—电离层和对流层效应。
特别提出的是，当GPS工作卫星升空时，美国政府实行了SA政策。
使卫星的轨道参数增加了很大的误差，致使一些对定位精度要求稍高的用户得不到满足。
因此，现在发展差分GPS技术就显得越来越重要。
GPS定位是利用一组卫星的伪距、星历、卫星发射时间等观测量来实现的，同时还必须知道用户钟差。
因此，要获得地面点的三维坐标，必须对4颗卫星进行测量。
在这一定位过程中，存在着三部分误差。
一部分是对每一个用户接收机所公有的，例如，卫星钟误差、星历误差、电离层误差、对流层误差等；第二部分为不能由用户测量或由校正模型来计算的传播延迟误差；第三部分为各用户接收机所固有的误差，例如内部噪声、通道延迟、多径效应等。
利用差分技术，第一部分误差完全可以消除，第二部分误差大部分可以消除，其主要取决于基准接收机和用户接收机的距离，第三部分误差则无法消除。
除此以外，美国政府实施了SA政策，其结果使卫星钟差和星历误差显著增加，使原来的实时定位精度从15m降至100m。
在这种情况下，利用差分技术能消除这一部分误差，更显示出差分GPS的优越性。
差分GPS定位原理
根据差分GPS基准站发送的信息方式可将差分GPS定位分为三类，
即：
位置差分
伪距差分
相位差分
这3类差分方式的工作原理是相同的，即都是由基准站发送改正数，由用户站接收并对其测量结果进行改正，以获得精确的定位结果。
所不同的是，发送改正数的具体内容不一样，其差分定位精度也不同。
1、概述
差分GPS定位系统是由一个基准站和多个用户台组成。
基准站与用户台之间的联系，即由基准站计算出的改正数发送到用户台的手段是靠数据链完成的。
数据链由调制解调器和电台组成。
调制解调器（MODEM）是将改正数进行编码和调制，然后输入到电台上发射出去。
用户台将其接收下来，并将数据解调后，送入GPS接收机进行改正。
电台是将调制后的数据变成强大的电磁波辐射出去，能在作用范围内提供足够的信号强度，使用户台能可靠地接收。
发射频率和辐射功率的选择是数据链的重要问题，它视作用距离而定。
为了更有效地选择发射频率，在下表中列出已经建立的各种无线电定位和导航系统的主要参数。
各种无线电导航定位系统发射频率与作用距离:
系统名称
采用的频率
覆盖范围
Decca
70-90KHZ，110-130KHZ
2000km
Radiobeacon
190-415KHZ，510-535KHZ
1000km
Loran-c
100KHZ
2000km
RacalPulse8
100KHZ
1500km
Geoloc
1600-2300KHZ
500km
Toran
1800-2000KHZ
500km
Ragdist-N/RAC
3300KHZ，1650KHZ
400km
Raydist-DRS
3300KHZ，1650KHZ
400km
RacalHyperfix
1600/3400KHZ
100km
ARGO
1646.7KHZ
100km
Hydrotrac
1720KHZ
100km
Maxian
430MHZ
320km
Syledis
430MHZ
120km
Lorac
1600-2500KHZ
460km
RacalMicrofix
5520/5560MHZ
180km
Mini-Ranger
5570/5480MHZ
180km
Trisponder
9480/9325MHZ
80km
Artemis
9200/9300MHZ
30km
从上表中,我们可以将通信设备分为两大类:
第一类为直接波传输,其中包括甚高频（VHF）、超高频（UHF）、基准站的天线必须建立在高塔之上，以视距直接通视的方式以25W的功率进行传输，一般作用距离可达到20～100km。
这种设备的天线简单、容易架设，适用于流动作业，适用于海港、河道等测量应用。
第二类为地波传输。
其中包括低频（LF）和中频（MF）。
这种信号能沿地球表面传播，能绕过建筑物和山丘，使作用距离达到1000～2000km。
为了提高辐射频率，天线设计为高桅杆或铁塔，适合固定基准站应用。
一般一旦建立就长期应用，适用于远距离导航和定位。
2、差分GPS的数据通信类型
若按传输差分信息的覆盖范围来区分，大体可以分为三类，即近程（小于100km）、中程（30～800km）和远程（大于800km）；按播发站的位置来分，可分为空（星）基和陆基。
1）差分GPS的近程数据通信
临时性或短期性的差分GPS作业，其近程数据传输的播发站一般直接附加在GPS接收机上，往往采用UHF无线通信传输或有线通信传输。
UHF的频率在300MHZ～3GHZ，波长为10cm～1m，故一般为分米波。
其穿透性强，直线传播性强，但易受障碍物、地形和地球曲率的影响。
长期性的差分GPS服务，如在国外已实际建成的LADGPS系统，往往采用城市的调频（FM）电台，它的频率一般在80～108MHZ，利用调频信号基带中的副载波进行数据传输，即不影响调频台的主频道的正常播音，又充分利用了调频信号基带中的副载波资源。
因此利用FM来传输差分GPS信号的技术受到极大重视，已开始在发达国家中采用。
2）差分GPS的中程数据通信
差分GPS的中程数据通信可以采用LF、MF和VHF无线通信。
长波（LF）通信主要靠地面波传输，受大气影响小而受地形影响较大。
但长波通信设备比较复杂昂贵，在中国只有级个别台站具有这一功能。
由于数据传输速率和数据分辨率呈正比，因此长波的低分辨不太适宜于差分GPS的数据通信。
中波（MF）传输的主要缺点是频道较挤，易受干扰，而且传播速率仍偏低。
短波（HF和VHF）易受天气和电离层干扰和影响，而且在主控站附近常会出现盲区，收不到信号。
它的优点是通信设备低廉，集成度高。
3）差分GPS的远程数据通信
差分GPS的远程数据通信往往采用星基的差分数据播发站，例如可以采用HF和卫星通讯。
卫星通信中的Inmarsat系统和公共电话网相联，也和Internet网相联，具有64kb/s的传输速率，是一种比较理想的远程数据通信网络，但价格比较昂贵。
3、伪卫星方案
一、概述
传统的差分GPS的组成包括一个位置已知的固定监测站，它实时接收GPS信号并确定出测距误差，把此误差作为改正数提供给本地用户，用户则用此改正自己测得的伪距，使计算出的位置精度更高。
这样，采用适当的设备就能使监测站附近几百公里范围内的定位精度提高到5m。
除了获得较好的定位精度外，通过对GPS信号的监测改正，差分GPS还能提高导航的可靠性，甚至当GPS卫星显示不健康信号时仍能工作。
由于基准站在卫星测距信号无法校正时，能立刻通知用户，所以改进了系统的完整性。
但是，不管差分GPS如何提高导航精度、可靠性和完善性，也不能克服掉由于卫星星座几何图形不佳而造成的缺陷。
18颗卫星的配置方案使这一缺陷更加突出。
21+3颗卫星的配置方案弥补了这一缺陷。
现在正在运行着的26颗卫星，已完全消除了这一缺陷。
现在正在运行着的26颗卫星，已完全消除了这一缺陷。
但是，将来BLOCK1型试验卫星寿命终结，GPS卫星保持着21+3的配置方案运行。
一旦有一颗卫星发生故障，或者由于某种原因接收不到GPS信号，几何配置不当的缺陷仍会存在。
为了保证GPS在一些特定地区为特殊用途时的精确性和可靠性，SC-104分会提出了伪卫星的概念，即在该地区建立类似于GPS卫星的固定基准站，行使GPS和基准站的功能。
从本质上看，伪卫星仅仅是差分GPS应用的特殊方案。
因此伪卫星电文格式也和其他差分GPS的电文格式一样。
下图为伪卫星系统配置图。
监测站接收所有可见的GPS卫星信号和伪卫星信号，并把它们和已知监测站位置及伪卫星天线位置进行比较。
监测站控制伪卫星发射并提供差分GPS电文。
因为伪卫星是精确地在GPSL1频率1575.42MHZ上发射信号的，所以GPS用户设备可以同时接收GPS信号和伪卫星信号。
概括起来，利用伪卫星系统具有下列优点：
1.根据国际和美国无线电管理的规定，1559～1610MHZ频段用于航空导航与天线电卫星导航。
GPS采用了其中一个频率1575.42MHZ，而伪卫星仍选用这一频率。
所以，GPS用户设备可同时接收GPS信号和伪卫星信号，不必再设置另一套接收差分GPS基准站信号的设备。
2.由于伪卫星信号处相在GPS时间中是被精确确定的，所以用户设备能从伪卫星获得一个附加的伪距测量，这样就增大了卫星覆盖面积，改善了导航几何配置。
结果，即使某个卫星工作不健康或其他原因造成卫星几何配置不良，仍能获得优良的导航性能。
3.差分GPS伪卫星体制比传统体制所需费用要少，因为它不需要单独的接收设备。
天线前置放大器等部分是与GPS接收机相同的。
对用户来说，没有增加更多的负担。
4.在伪卫星作用范围内，伪卫星能提供许多比利用传统差分GPS或普通GPS更多的导航功能。
特别是通过伪卫星能减少或限制高度误差，能为飞机（包括直升飞机）提供非精密进场能力。
5.利用GPS的非精密进场并不限定在直线段，飞机不是跟踪一个窄波信号波束。
对于从任何航线进场的飞机都能把位置计算并显示出来，这对于复杂地形非常有用，因为它允许在任何需要的时候都可以改变进场航线，而不影响地面设备的安装和运行。
二、方案设计
设计伪卫星信号结构的一个重要问题是对GPS卫星信号的干扰问题。
假如用户在距伪卫星50km处，伪卫星信号与GPS卫星信号一样强，那麽当用户靠近伪卫星只有50m时，则此伪卫星信号将比GPS卫星信号强60dB。
因此伪卫星的信号结构设计要解决这种远-近效应问题。
即在最大范围内能提供足够强的伪卫星信号，又能在距伪卫星很近时不干扰GPS卫星信号。
这样要求设计的接收机动态范围至少在60dB以上。
要达到60dB的动态范围，有三种方法可供选择。
1.CDMA—码分多址技术
利用不同C/A码进行码间互相关，只能分离25dB，因此还剩下35dB必须考虑采用其他手段。
如果要应用伪随机码来分离这60dB,则必须使此码率比C/A码率提高若干倍,以降低伪卫星信号对可接收值的噪声电平.根据不同的假定和试验,此码率必须达到25～50MHZ,并具有类似的带宽.但是,现在GPS的带宽是30MHZ,所以现有的GPS接收机是无法达到的。
解决这个问题的另一条途径是提高码元的码率.但这在硬件上也存在着困难.这种技术将减少GPS信号的兼容性,而且显著增加接收机的成本.因此,利用一种新码来解决远-近效应似乎是不现实的。
2.FDMA—频率偏值技术
使伪卫星信号偏离标称值1575.42MHZ约10～20MHZ。
这样可隔离正常码的25dB。
下表示出了干扰衰减与频率分离的关系。
这一技术是具有吸引力的，因为在要求的隔离上有可能产生60dB。
因此，伪卫星用这一方案将忽略掉对接收机的影响。
因为伪卫星和GPS卫星信号是通过不同通道进入接收机的，必须仔细控制两通道间的相对时延，以避免组合误差。
于是在接收机中改善滤波器和内部校准技术，增加了接收机的成本。
干扰电平与频率偏移的关系:
信号描述
dB/1kHz
备注
参考卫星C/A码
其他卫星C/A码
伪卫星C/A码（偏离10MHz）
伪卫星C/A码（偏离15MHz）
伪卫星C/A码（偏离20MHz）
0
-23
-58
-60.5
-63
参考电平
基本码隔离
3dB，取决于假定条件
3dB，取决于假定条件
3dB，取决于假定条件
3dB，取决于假定条件
3.TDMA—时分信号结构
在TDMA工作方式下，使用一种低占空率的短脉冲来传送伪卫星信号，这样，只在很短的时间内干扰GPS信号。
这一方案伪卫星和用户设备造价都很低，具有巨大的吸引力。
使用TDMA的主要缺点是，伪卫星信号能够对不按伪卫星环境下设计的接收机进行脉冲干扰。
例如，对于建议采用的10%占空率的TDM信号格式而言，由非参与接收机所承担的最大信噪比损耗约为1dB。
这就必须要求设计出适用于伪卫星环境下的新型接收机。
综合上述，TDMA是伪卫星工作的优选方案。
伪卫星每秒发送11个90.91US的脉冲。
这样伪卫星干扰GPS信号不超过10%的时间，此时使接收机的GPS平均信号功率损耗不大于1dB。
所有伪卫星都在相同时间内发射脉冲，脉冲对脉冲，数据bit对数据bit的位置都是每200Mms复一次，并且与GPS时间同步。
脉冲位置随机化的目的是讲每ms所有11个位置均匀分布。
应用了非Gold编码，不同的伪卫星采用不同码加以识别。
4、DGPS系统方案
1、DGPS精确定位系统
1.1GPS和DGPS
全球定位系统（GPS）自从建立以来，已得到非常广泛的应用。
但美国出于其战略上的考虑，对外应用上，一直采用SA政策，使用户的GPS接收机精度都在100米左右，这样的精度不能满足实际应用需要，也给使用者带来极大不便。
为了实际定位需求，采用差分技术（DGPS）可以改善因各种误差所影响的定位精度，使定位精度提高到10米甚至1米。
差分定位是在一个地理位置准确已知点建立差分基准台，实时计算出差分误差信息，并将此信息传送给用户，用户即可得到高精度定位。
这项技术由基准站、移动站和数据链组成，由数据链来传送差分所需要的伪距修正值。
传统的数据链使用的是超高频（VHF）和甚高频（UHF）的无线电通讯设备，传输距离与电台发射天线高度、功率及移动站天线和基准站天线间的阻挡有关。
在城区电台只能覆盖25公里范围非常有限。
另外，随着通讯事业的发展，VHF和UHF频段资源愈来愈紧张，互相干扰现象也十分严重。
每一组DGPS系统都要建一个基准站，无疑对无线电资源造成了很大的浪费。
寻找一条合适的数据链来传送差分信息十分必要。
采用先进的"无线电数据系统"向DGPS用户广播差分修正数据是一种非常理想的方案。
1、位置差分原理
任何一种GPS接收机均可改装和组成这种差分系统。
安装在基准站上的GPS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。
最后得到的改正后的用户坐标已消去了基准站和用户站的共同误差，例如卫星轨道误差、SA影响、大气影响等，提高了定位精度。
以上先决条件是基准站和用户站观测同一组卫星的情况。
位置差分法适用于用户与基准站间距离在100km以内的情况。
这是一种最简单的差分方法。
2、伪距差分原理
伪距差分是目前用途最广的一种技术。
几乎所有的商用差分GPS接收机均采用这种技术。
国际海事无线电委员会推荐的RTCMSC-104也采用了这种技术。
在基准站上的接收机要求得它至可见卫星的距离，并将此计算出的距离与含有误差的测量值加以比较。
利用一个α-β滤波器将此差值滤波并求出其偏差。
然后将所有卫星的测距误差传输给用户，用户利用此测距误差来改正测量的伪距。
最后，用户利用改正后的伪距来解出本身的位置，就可消去公共误差，提高定位精度。
与位置差分相似，伪距差分能将两站公共误差抵消，但随着用户到基准站距离的增加又出现了系统误差，这种误差用任何差分法都是不能消除的。
用户和基准站之间的距离对精度有决定
影响。
3、载波相位差分原理
测地型接收机利用GPS卫星载波相位进行的静态基线测量获得了很高的精度（10-6～10-8）。
但为了可靠地求解出相位模糊度，要求静止观测一两个小时或更长时间。
这样就限制了在工程作业中的应用。
于是探求快速测量的方法应运而生。
例如，采用整周模糊度快速逼近技术（FARA）使基线观测时间缩短到5分钟，采用准动态（stopandgo），往返重复设站（re-occupation）和动态（kinematic）来提高GPS作业效率。
这些技术的应用对推动精密GPS测量起了促进作用。
但是，上述这些作业方式都是事后进行数据处理，不能实时提交成果和实时评定成果质量，很难避免出现事后检查不合格造成的返工现象。
差分GPS的出现，能实时给定载体的位置，精度为米级，满足了引航、水下测量等工程的要求。
位置差分、伪距差分、伪距差分相位平滑等技术已成功地用于各种作业中。
随之而来的是更加精密的测量技术—载波相位差分技术。
载波相位差分技术又称为RTK技术（realtimekinematic），是建立在实时处理两个测站的载波相位基础上的。
它能实时提供观测点的三维坐标，并达到厘米级的高精度。
与伪距差分原理相同，由基准站通过数据链实时将其载波观测量及站坐标信息一同传送给用户站。
用户站接收GPS卫星的载波相位与来自基准站的载波相位，并组成相位差分观测值进行实时处理，能实时给出厘米级的定位结果。
实现载波相位差分GPS的方法分为两类：
修正法和差分法。
前者与伪距差分相同，基准站将载波相位修正量发送给用户站，以改正其载波相位，然后求解坐标。
后者将基准站采集的载波相位发送给用户台进行求差解算坐标。
前者为准RTK技术，后者为真正的RTK技术。
定性影响。
3、载波相位差分原理
测地型接收机利用GPS卫星载波相位进行的静态基线测量获得了很高的精度（10-6～10-8）。
但为了可靠地求解出相位模糊度，要求静止观测一两个小时或更长时间。
这样就限制了在工程作业中的应用。
于是探求快速测量的方法应运而生。
例如，采用整周模糊度快速逼近技术（FARA）使基线观测时间缩短到5分钟，采用准动态（stopandgo），往返重复设站（re-occupation）和动态（kinematic）来提高GPS作业效率。
这些技术的应用对推动精密GPS测量起了促进作用。
但是，上述这些作业方式都是事后进行数据处理，不能实时提交成果和实时评定成果质量，很难避免出现事后检查不合格造成的返工现象。
差分GPS的出现，能实时给定载体的位置，精度为米级，满足了引航、水下测量等工程的要求。
位置差分、伪距差分、伪距差分相位平滑等技术已成功地用于各种作业中。
随之而来的是更加精密的测量技术—载波相位差分技术。
载波相位差分技术又称为RTK技术（realtimekinematic），是建立在实时处理两个测站的载波相位基础上的。
它能实时提供观测点的三维坐标，并达到厘米级的高精度。
与伪距差分原理相同，由基准站通过数据链实时将其载波观测量及站坐标信息一同传送给用户站。
用户站接收GPS卫星的载波相位与来自基准站的载波相位，并组成相位差分观测值进行实时处理，能实时给出厘米级的定位结果。
实现载波相位差分GPS的方法分为两类：
修正法和差分法。
前者与伪距差分相同，基准站将载波相位修正量发送给用户站，以改正其载波相位，然后求解坐标。
后者将基准站采集的载波相位发送给用户台进行求差解算坐标。
前者为准RTK技术，后者为真正的RTK技术。
3、载波
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