【技术】CORS中几种主流网络RTK技术的分析与比较

 来源：三鼎杉味书屋

摘要：网络RTK差分定位是CORS产生的原因和最主要的应用之一。从理论上对CORS中常用的几种主流网络RTK技术进行了论述，并结合工程应用，分析比较了几种网络RTK技术的优缺点。认为在选取网络RTK技术时，必须综合考虑CORS的设计、投入、应用目的及后续发展等需要，以便更好地发挥其应有的功能和效益。

关键词：连续运行卫星定位综合服务系统；网络RTK技术；差分定位；分析与比较

 

一、引　言

连续运行卫星定位综合服务系统（Continuously Operating Reference System,简称CORS）是卫星定位技术（GPS/GNSS）、计算机网络技术、数字通讯技术等高新科技多方位、深度结晶的产物，是卫星定位技术应用的扩展和深化。CORS不仅是一个动态的、连续的定位框架基准，同时也是实时、快速、高精度地获取空间数据和地理特征的现代信息基础设施之一。经过十多年的不断发展，CORS在解算方法和服务功能上得到了不断的完善，已被广泛应用于基础测绘、工程建设、区域规划、灾害预测和地球板块运动监测等领域。^[1][2]

网络RTK差分定位技术是CORS产生的原因和最主要的应用之一，是测绘技术的巨大进步。随着CORS网络的形成，多个参考站的数据为网络差分数据计算提供了基础，出现了多种网络RTK差分算法，网络RTK已从最早的单站载波相位差分发展到采用多站进行差分解算，极大提高了差分解算的服务范围、精度和可靠性。由于种种原因，目前的网络RTK技术不是采用统一的解算方式，其解算的理论基础和方法各不相同。本文在介绍网络RTK的基础上，就目前CORS中几种主流的网络RTK技术进行了论述，从理论和实践应用两方面分析和比较了各自的优缺点。

二、网络RTK的概述及其关键技术

1．网络RTK的概念

网络RTK技术就是利用CORS各个参考站的观测信息，以CORS网络体系结构为基础，建立精确的差分信息解算模型，解算出高精度的差分数据，然后通过无线通信数据链路将各种差分改正数发送给用户。网络RTK技术集Internet技术、无线通信技术、计算机网络管理技术和GPS定位技术于一体，是CORS网络服务系统的核心支持技术和解决方案。其主要特点有以下几点：

（1）扩大服务范围。网络RTK扩大了RTK定位的服务范围，从早期单站RTK覆盖范围发展到CORS网络的整网范围。

（2）实现资源共享。参考站之间通过通信系统实现数据共享，并通过互联网络实现参考站数据和基准的共享。

（3）统一标准。网络RTK采用统一的标准和统一差分格式，确保系统具有良好的兼容性。

（4）完善差分解算模型。以CORS网络为框架，以参考站数据和基准坐标为基础，完善了RTK的解算数学模型。

2．网络RTK的关键技术

网络RTK关键技术包括误差模型优化、整周模糊度求解和精度评估等。

（1）误差模型优化技术。误差模型优化是网络RTK定位的关键技术之一。通过利用多个参考站观测数据对电离层、对流层等误差的误差模型进行优化，降低甚至消除误差。网络RTK改正数计算是通过相位观测值与改正数（差分数据）联合计算，获得高精度解算坐标，差分改正数包括MSTID(M-edium-scale Travelling Ionospheric Disturbances,中等尺度电离层扰动)的电离层改正数、对流层改正数和轨道改正数。网络中相位观测值可由式（1）决定：　

（2）整周模糊度求解。通过多个参考站的已知坐标和观测数据，快速确定某类整周模糊度值，然后进一步确定误差模型的精细结构。建立误差模型修正算法后，利用修正后的流动站观测值和参考站坐标，确定流动站整周模糊度，并解算出流动站的准确位置。

（3）精度评估。通过对不同的参考站进行解算获得的结果进行对比，对原有解算结果的精度和可靠性进行检验和评估^[3]。

三、几种主流网络RTK技术的分析与比较

目前，国际上主流的网络RTK技术包括虚拟参考站技术（VRS）、FKP技术、主辅站技术（MAC）和综合内插技术（CBI）四种。同时由多个单参考站组成的联合单参考站差分解算技术属于有限的网络RTK技术。

1．虚拟参考站（VRS）技术

VRS（Virtual Reference Stations）技术是目前全球普及范围最广的网络RTK差分解算技术。它通过与流动站距离最近的几个参考站（典型的是3个）之间的基线计算各项误差，采用一定的算法来消除或大幅消弱这些偏差所造成的影响。移动用户在工作前，先将概略坐标（NMEA0183格式）通过无线移动数据链路（如GSM/GPRS、CDMA）传送给数据中心，数据中心在流动站附近位置创建一个虚拟参考站（VRS），然后内插得到虚拟参考站各项误差源影响的改正值，并以RTCM格式通过NTRIP协议发送给流动站用户；流动站用户接收数据中心发送来的虚拟参考站差分改正信息或虚拟观测值，进行差分解算得到用户cm级的定位结果。其工作原理如图1所示。

VRS技术的优势是：系统在DGPS、准实时定位及事后差分处理的服务半径上与单参考站没有任何差别，但是在RTK作业半径方面得到较大距离的延伸；另一个显著的优点是它的成果可靠性、信号可利用性和精度水平在系统的有效覆盖范围内大致均匀，同离开最近参考站的距离没有明显的相关性。其缺陷是电离层、对流层的影响只能借助改正模型来修正，改正效果受外界影响较大；不能消除或者只能借助其它方法来消除轨道误差的影响^[4]。采用VRS解算方法的代表软件有Trimble公司的GPSNet。

2．基于全网整体解算模型的FKP技术

FKP技术又称区域改正数技术。该技术采用整体的网络解，对数据用卡尔曼滤波进行非差处理，并将所有参考站每一个观测瞬间所采集的未经差分处理的同步观测值实时传输到数据处理中心，通过数据处理中心实时处理，产生一个称为FKP的空间误差改正数，然后将这些参数通过扩展信息发送给服务内所有流动站进行空间位置解算。系统传输的FKP能够比较理想地支持流动站的应用软件，但是流动站必须知道相关的数学模型，才能利用FKP参数生成相应的改正数。为获取瞬时解算结果，每个流动站需要借助一个被称为“Adv盒”的外部装置，内置解译软件来配合流动站接收机实现作业。

由于采用FKP算法的用户需要附加解译设备，所以FKP解算的保密性非常好。但是，使用比较复杂，对用户流动站要求高，因此普及率较低。

3．主辅站（MAC）技术

主辅站技术（Master-Auxiliary Concept,MAC）是基于多基站、多系统、多频和多信号非差分处理算法，是从参考站网以高度压缩的形式将所有相关的、代表整周模糊未知数水平的观测数据（如弥散性的和非弥散性的差分改正数）作为网络的改正数据播发给流动站。它本质上是区域改正数FKP的一种优化。选择距离流动站最近的一个有效参考站作为主站，一定半径范围内至少有2个其它有效的参考站作为辅站。主站和辅站自动组成一个单元进行网解，发送主站差分改正数和辅站与主站改正数的差值给流动站，对流动站进行加权改正，最后得到精确坐标，它是RTCM3.0版网络RTK信息的基础。主辅站技术的原理如图2所示。

主辅站技术实现了真正的网络RTK。其优势在于支持单向和双向通讯，克服以前方法的缺点（如误差模型不完善，仅仅使用3个最近的参考站的信息生成网络改正数据、需要双向通讯、数据量大且不标准等问题），将成为网络RTK的发展目标；为流动站用户提供了极大的灵活性，能够对网络改正数进行简单的、有效的内插，对流动用户的数量也不限制；提供网络数据是相对于真实的参考站，不是虚拟的；流动站可以获取参考站网所有有关电离层和几何形态误差的信息，并以最优化的方式利用这些信息，增强了系统和用户的可靠性、安全性^[5]。采用主辅站技术进行网络RTK差分解算的代表软件主要有徕卡公司的SpiderNet，此外Topcon 公司的TopNet也能采用主辅站进行网络RTK解算。

4．基于综合误差内插的CBI技术

综合误差内插技术（CBI）是武汉大学提出的CORS建设技术。CBI技术是根据双差组合的优点，在基准站计算改正信息时，没必要将电离层延迟、对流层延迟等误差都进行区分，并单独计算出来，也没必要将由各基准站所得到的改正信息都发给用户。而是由监控中心统一集中所有基准站观测数据，选择、计算和播发用户的综合误差改正信息。

CBI技术优点是在消除电离层、对流层的误差时，不使用模型，而是由已知误差直接改正，改正效果受外界影响小；根据流动站的位置合理选择基准站；能直接消除或消弱卫星轨道误差与其它误差的影响；在电离层变化较大的时间段和区域内，该技术较有优势^[6]。但是，该技术需要用户端有解算设备，目前还处于评估阶段，未大规模推广应用。其代表软件为武汉大学GPS中心的PowerNET。

5．联合单参考站RTK技术

联合单参考站差分解算技术是有限的网络RTK技术，通过区域内的多个参考站构成的非有机网，在多个参考站联合覆盖范围内为用户提供差分服务，其基本差分算法与常规RTK算法相同，联合单参考站是最早的CORS。联合单参考站作业时，用户将概略坐标发送到数据中心，数据中心通过概略坐标选用最近的参考站，并将最近参考站的差分数据发送给用户，即以最近的参考站为参考站进行载波相位差分测量。其解算原理如图3所示。

该模式的优势在于：首期投入较少，管理成本较低，施工周期短；可以随时升级和扩展；系统灵活、安全、可靠、稳定；不需要任何额外的装置，不需要报告流动站点位的双向数据通信设备。由于只采用一个参考站进行差分解算，单参考站的解算精度和系统可靠性不及多参考站联合解算的网络RTK。随着CORS技术越来越成熟，联合单参考站进行解算的方式越来越少，一般只在县一级或某个小区域范围内使用。我国南方测绘公司推出的CORS单基站系统采用了该算法。

根据上述几种网络RTK算法的技术特点，下面从解算精度、稳定性等7个方面作一比较。网络RTK技术对比见下表1。

网络RTK的各种解算技术是通过网络RTK软件实现的。目前，市场上最为流行的网络RTK软件包括Trimble GPSNet、Leica SpiderNet、Topcon TopNet和我国南方测绘公司的Venus等。这些软件都是以网络RTK解算为核心，通过各种组合算法来实现CORS的各项服务功能。

四、结束语

随着全球卫星定位技术、计算机技术、网络和通信技术的迅速发展，建立区域卫星定位导航服务网络取代传统的静态定位控制网是今后实时导航定位的发展趋势。网络RTK差分定位技术是CORS产生的原因和最主要的应用之一。但由于目前网络RTK中所采用技术都不是十分成熟，也没有统一的标准，非标准化带来一系列兼容性问题；误差模型的生成还存在着许多问题，在电离层和对流层活动条件下出现的误差仍是一个影响实际使用的问题；系统的稳定性、可靠性和保密性等方面还有待于进一步完善。在此前提下，针对不同网络RTK技术的优缺点，用户必须从应用角度出发，综合考虑网络参考站的设计和投入，合理选取技术方案，以达到最大化的使用效益。

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