一、RTK定位原理概述

RTK測量利用的是載波相位差分GPS技術(shù)來實時定位的，正是憑借差分改正和載波相位測距兩種測量方法才使得動態(tài)定位的精度可以達(dá)到厘米級。差分GPS技術(shù)是利用了基準(zhǔn)站與流動站之間空間的相關(guān)性來進(jìn)行差分改正的，從而將定位的誤差削弱。標(biāo)準(zhǔn)的差分GPS原理是將基準(zhǔn)站架設(shè)在高精度的已知控制點上，通過基準(zhǔn)站單點定位確定測站的位置坐標(biāo)，然后通過實時定位測得的坐標(biāo)與控制點坐標(biāo)的比對，從而確定基準(zhǔn)站上的定位誤差。但在實際生產(chǎn)中，為了提高測量效率，基準(zhǔn)站通常也可以架設(shè)在未知點上。下文就RTK基準(zhǔn)站架設(shè)的兩種情況進(jìn)行解釋，說明其架設(shè)原理。

GPS系統(tǒng)定位采用的是WGS-84坐標(biāo)系，如下圖所示。它是一個地心坐標(biāo)系，所有的GPS接收機(jī)定位測得的坐標(biāo)都是基于該坐標(biāo)系的坐標(biāo)。換而言之，GPS接收機(jī)只能識別WGS-84坐標(biāo)。但是在實際應(yīng)用過程中，用戶基于定位精度、坐標(biāo)保密、控制變形等原因往往會建立其他坐標(biāo)系統(tǒng)。這樣就涉及到了坐標(biāo)系統(tǒng)之間的相互轉(zhuǎn)換，所以這就是為何幾乎所有的GPS解算軟件中都有坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換程序的原因。

現(xiàn)就國內(nèi)坐標(biāo)系統(tǒng)的應(yīng)用為基礎(chǔ)，介紹一下RTK測量時坐標(biāo)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換方法。至今為止，我國使用的平面坐標(biāo)系統(tǒng)主要有北京54坐標(biāo)系統(tǒng)、西安80坐標(biāo)系統(tǒng)和國家2000坐標(biāo)系統(tǒng)。這三者之間的本質(zhì)區(qū)別在于采用了不同的橢球基準(zhǔn)。在實際生產(chǎn)中還存在地方獨立坐標(biāo)系統(tǒng)，它是在上述幾種坐標(biāo)系的基礎(chǔ)上建立的。高程坐標(biāo)系統(tǒng)主要有1956黃海高程基準(zhǔn)和1985國家高程基準(zhǔn)兩個系統(tǒng)組成。

坐標(biāo)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換方法主要有七參數(shù)、四參數(shù)、三參數(shù)和一參數(shù)等。根據(jù)兩套坐標(biāo)系統(tǒng)之間的幾個關(guān)系可以采用相應(yīng)的轉(zhuǎn)換方法。RTK測量過程中坐標(biāo)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換分為平面轉(zhuǎn)換和高程轉(zhuǎn)換兩個方面。平面轉(zhuǎn)換主要是采用控制點反算轉(zhuǎn)換參數(shù)的方法，根據(jù)測區(qū)范圍和精度的要求采用不同的轉(zhuǎn)換方法。對于涉及到兩個不同橢球基準(zhǔn)的坐標(biāo)系統(tǒng)之間的相互轉(zhuǎn)換，一般都采用七參數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，如果測區(qū)面積較小，可近似當(dāng)做平面時（約10公里范圍）可采用四參數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。GPS高程系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換主要是采用高程擬合和似大地水準(zhǔn)面精化模型進(jìn)行高程內(nèi)插。高程擬合主要有平面擬合和曲面擬合兩種方法，平面擬合是在平面內(nèi)選擇至少3個高程控制點，通過GPS測量得到這些控制點的兩套坐標(biāo)，通過兩套坐標(biāo)系統(tǒng)求差可得到每個控制點上的高程異常值。然后根據(jù)不同的方法進(jìn)行內(nèi)插高程異常值，通過GPS測量，根據(jù)GPS高程以及高程異常值可求得測點的正常高。曲面擬合同平面擬合原理相同，只是在曲面內(nèi)進(jìn)行內(nèi)插高程異常值，這種方法更符合實際情況，所以精度也相對較高。

差分GPS工作的基本原理是依據(jù)地面參考站與流動站之間的空間相關(guān)性而建立的。GPS衛(wèi)星分布在距離地面約兩萬公里的太空，而地面參考站距流動站之間的距離為幾十公里到幾百公里之間，這個距離相對于星站距離可以忽略不計。因此，我們認(rèn)為參考站與流動站周圍的空間環(huán)境對兩個接收機(jī)導(dǎo)航定位的影響是等價的。

二、基準(zhǔn)站架設(shè)在已知點上

差分GPS系統(tǒng)主要由四部分組成，即GPS衛(wèi)星、參考站、流動站和通訊設(shè)備。基準(zhǔn)站架設(shè)在已知點上的工作流程一般是：先在具有高精度和可靠性的已知點上架設(shè)GPS接收機(jī)作為參考站，參考站周圍應(yīng)該視野開闊，觀測條件好，在待測點上架設(shè)流動站，參考站和流動站同時觀測衛(wèi)星。參考站的接收機(jī)在捕捉到衛(wèi)星信號之后便開始進(jìn)行自身位置解算，然后將解算結(jié)果與已知坐標(biāo)進(jìn)行對比，求出誤差值，然后根據(jù)坐標(biāo)誤差反求出每顆衛(wèi)星的定位誤差。由于參考站GPS接收機(jī)無法知道流動站接收機(jī)所接收到的衛(wèi)星數(shù)量，因此參考站接收機(jī)會鎖定視野中的所有衛(wèi)星，并計算出每顆衛(wèi)星的定位誤差，然后按標(biāo)準(zhǔn)格式編制成電碼，由通訊鏈路發(fā)送給流動站，流動站接受到電碼后，根據(jù)自身測站所觀測到的衛(wèi)星進(jìn)行誤差改正，以獲得精確的定位結(jié)果。

基準(zhǔn)站架設(shè)在已知點上時其原理比較容易理解，但是架設(shè)在未知點上時理解起來就稍微有點難度。在坐標(biāo)系統(tǒng)已經(jīng)轉(zhuǎn)換完成之后，測區(qū)的坐標(biāo)系統(tǒng)與WGS-84坐標(biāo)系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系就已經(jīng)確定了，只要接收機(jī)觀測到一個WGS-84坐標(biāo)就會立即轉(zhuǎn)換得到一個地方坐標(biāo)系坐標(biāo)值。此時將基站架設(shè)在任意位置時，我們只需要用移動站到高精度的控制點上進(jìn)行一次單點校正即可，這與基準(zhǔn)站架設(shè)在未知點上有點區(qū)別。那么為什么要在已知點上做單點校正呢？能不能不做呢？

當(dāng)基準(zhǔn)站架設(shè)在未知點上時，我們打開GPS接收機(jī)，連接好基準(zhǔn)站和流動站之后即使是不做點校正，我們會發(fā)現(xiàn)流動照樣可以測出測區(qū)的坐標(biāo)。甚至可以利用點放樣的方法去尋找控制點。但是當(dāng)我們利用這種方法去放控制點時，會發(fā)現(xiàn)放出來的位置與控制點實際的位置存在數(shù)米的差距。這又是為什么呢？

出現(xiàn)這種情況的原因正是因為我們沒有做點校正。當(dāng)坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換參數(shù)確定了之后，GPS接收機(jī)便可以將接收到的WGS-84坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到地方坐標(biāo)系中去，這就是為何我們沒有做點校正就可以測出測區(qū)坐標(biāo)的原因。之所以測出來的坐標(biāo)與已知坐標(biāo)之間存在差距那是因為流動站定位過程中沒有接收到有效的差分改正信息，所以定位結(jié)果不準(zhǔn)。當(dāng)基準(zhǔn)站架設(shè)在未知點上時，基準(zhǔn)站首先會進(jìn)行單點定位確定一個基準(zhǔn)站的坐標(biāo)值，以此作為基準(zhǔn)站的已知坐標(biāo)，從而代替了高精度的已知坐標(biāo)。此時，由于基準(zhǔn)站所確定的“高精度已知坐標(biāo)”與其實時定位得到的坐標(biāo)都是通過單點定位得到的，因此，之間存在很小的誤差，即：差分改正值很小。從而導(dǎo)致流動站定位精度只能達(dá)到單點定位的精度。

基準(zhǔn)站的差分改正信息本質(zhì)上是GPS單點定位結(jié)果與高精度的已知控制點之間的差值，那么通過利用流動站在已知控制點上進(jìn)行單點校正也可以達(dá)到上述目的。此時，可以求出流動站的差分改正值，也稱校正參數(shù)。然后利用校正參數(shù)對基準(zhǔn)站的位置進(jìn)行改正從而得到真正的高精度已知坐標(biāo)。此時，定位的原理就同標(biāo)準(zhǔn)RTK相同了。

因此，單點校正的實質(zhì)是求解基準(zhǔn)站已知坐標(biāo)。但這種方法存在一定的弊端。由于基準(zhǔn)站的坐標(biāo)值是用于整個測區(qū)差分改正信息求解的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，它的精度決定了測區(qū)所有站點的測量精度，會對整個測區(qū)造成系統(tǒng)性的偏差。然而，這種方法是利用流動站的差分改正值來推求基準(zhǔn)站的已知坐標(biāo)的，因此基準(zhǔn)站坐標(biāo)的精度取決于校正點距基準(zhǔn)站之間的空間相關(guān)性。如果，校正點距基準(zhǔn)站較遠(yuǎn)，校正點距基準(zhǔn)站之間的空間相關(guān)性會降低，從而基準(zhǔn)站坐標(biāo)的精度也會隨之降低。反之，亦然。

因此，建議基站架設(shè)在已知控制點的附近，周圍GPS觀測條件良好，以期取得良好的定位結(jié)果。