環(huán)球新時空
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從RTK至RTX揭示高精度大眾化應(yīng)用的奧秘
曹 沖
高精度大眾化應(yīng)用走過什么樣的發(fā)展之路，其中的奧秘究竟是什么？值得認(rèn)真了解和思考，這就是擺脫具體參考站的局域性限制，成為全球性高精度改正服務(wù)。衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用一開始，具有高精度和標(biāo)準(zhǔn)精度之分，主要是以單頻與雙頻工作，或者是軍用和民用為分野。而其誤差來源，主要有：衛(wèi)星軌道誤差、星鐘時鐘誤差、大氣傳播誤差、設(shè)備信道誤差，以及衛(wèi)星空間幾何分布誤差等。大氣中的電離層誤差往往是具有明顯的不確定性，而且有可能成為重大誤差，所以利用雙頻設(shè)計的目的就是為了消除電離層的影響。
美國天寶公司歷來是以高精度應(yīng)用的行業(yè)指向標(biāo)著稱，僅僅以雙頻接收機獲得高精度是不足以在行業(yè)內(nèi)成為翹楚，從靜態(tài)走向動態(tài)，發(fā)明了以參考站為中心的實時動態(tài)（Real-Time Kinematic，RTK）測量。第一個商用的GPS RTK產(chǎn)品是1993年發(fā)布的。從此，RTK技術(shù)得到了廣泛的多種多樣的應(yīng)用，如測繪測量、機械控制和精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)。通常的RTK提供厘米級精度，初始化時間為數(shù)秒。但是其明顯的局限性是需要有就近的基礎(chǔ)設(shè)施加以支撐，這些基礎(chǔ)設(shè)施就是單個參考站和無線電數(shù)據(jù)鏈，或者是網(wǎng)絡(luò)RTK（虛擬參考站系統(tǒng)，VRS），是多個參考站組成的觀測網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)組合，也就是個中央數(shù)據(jù)中心和與用戶連接通信鏈路。基于單基站，或者網(wǎng)絡(luò)RTK的情況下，基準(zhǔn)參考站與移動用戶機之間的距離，一般不會超過100公里。
過去的十余年間，許多研究人員致力于精密單點定位（PPP）技術(shù)，將其作為基于參考站的RTK的替換技術(shù)，采用PPP的GNSS定位，是利用衛(wèi)星精密軌道和精密時鐘信息，而不是從單個或者多個參考站獲得精密改正數(shù)據(jù)。在早先的PPP技術(shù)應(yīng)用中，PPP提供的解決方案典型的定位精度，在水平面內(nèi)優(yōu)于10厘米，該技術(shù)的問題是獲得求解的收斂時間過長，往往需要數(shù)十分鐘，有時因為空間衛(wèi)星幾何分布和大氣狀態(tài)條件的限制，收斂時間會達(dá)到數(shù)小時。漫長的初始化時間限制了PPP技術(shù)作為實用的定位方法和行之有效的可用性技術(shù)。但是，通過近些年來的研究開發(fā)，類似PPP解決方案取得長足進步，參考站稀少地區(qū)的網(wǎng)絡(luò)RTK性能也得到提高。依托衛(wèi)星提供的全球衛(wèi)星星歷和衛(wèi)星星鐘改正數(shù)，在沒有直接使用參考站基礎(chǔ)設(shè)施條件下，天寶公司的中心點RTX（Real Time eXtended）可以實時提供厘米級的泛在定位解決方案。關(guān)鍵是采用了GNSS多星座定位技術(shù)、改進了網(wǎng)絡(luò)化RTK處理技術(shù)，利用多樣化最佳化的通信傳輸技術(shù)，以及完善了移動接收機的RTK定位算法。
圖1. 天寶公司的中心點-RTX的基礎(chǔ)設(shè)施示意圖
與此同時，終端接收機芯片的工藝和技術(shù)水平的不斷提高，使得高精度大眾化應(yīng)用具備了基本的物質(zhì)條件，因此在2011年中期，天寶公司就提出了RTX的概念。并且通過GPS、GLONASS和QZSS組合，將其作為一種實時動態(tài)應(yīng)用向外提供厘米級精度的服務(wù)。首先推廣的是RTX-PP（后處理）產(chǎn)品。那些年及近年來，類似的工作在許多公司和研究機構(gòu)均在開展，主要目標(biāo)不在于提高精度，因為精度幾近于極限，所以重點致力于提高冷啟動條件下的求解載波相位整周模糊度的收斂時間。當(dāng)年的RTX-PP顯著特點是使用多星座GNSS支持，求解整周模糊度的收斂時間縮短到15分鐘。從而將這種服務(wù)用在靜止測量30分鐘，將能夠?qū)崿F(xiàn)GNSS絕對靜態(tài)定位精度水平與垂直分別達(dá)到1厘米和2.5厘米，而動態(tài)定位精度分別達(dá)到1.5厘米和2.5厘米。
圖2. 天寶公司中心點RTX使用的全球參考站網(wǎng)全球分布
全球參考站網(wǎng)的接收機觀測數(shù)據(jù)，以1Hz的信息流發(fā)送給美國與歐洲的數(shù)據(jù)處理中心，并且通過多重冗余服務(wù)計算精密軌道和精密時鐘信息及其改正量估算，形成數(shù)據(jù)壓縮幀，也用1Hz更新率再發(fā)給全球用戶。現(xiàn)在軌道、時鐘和電離層等改正數(shù)的發(fā)布傳輸方式，可以是多種多樣的，可以是衛(wèi)星鏈路、移動通信電路，或者互聯(lián)網(wǎng)形式。
天寶公司的GNSS RTX改正技術(shù)，已經(jīng)能夠提供了兩種厘米級的精度，作為范圍廣泛的定位應(yīng)用。而且針對不同的用戶需求，可以提供厘米級、分米級、亞米級精度的分級服務(wù)，使其成為當(dāng)今最通用的高精度定位服務(wù)商之一。天寶公司通過提供連接物理世界和數(shù)字世界的產(chǎn)品和服務(wù)來改變世界。定位、建模、連接和數(shù)據(jù)分析方面的核心技術(shù)，使客戶能夠提高生產(chǎn)力、質(zhì)量、安全性和可持續(xù)性。天寶公司軟件、硬件和數(shù)據(jù)改正服務(wù)，正在改變農(nóng)業(yè)、建筑、無人系統(tǒng)、地理空間信息，與運輸和物流等行業(yè)經(jīng)營發(fā)展模式。
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