一、RTK定位原理概述

RTK測(cè)量利用的是載波相位差分GPS技術(shù)來(lái)實(shí)時(shí)定位的，正是憑借差分改正和載波相位測(cè)距兩種測(cè)量方法才使得動(dòng)態(tài)定位的精度可以達(dá)到厘米級(jí)。差分GPS技術(shù)是利用了基準(zhǔn)站與流動(dòng)站之間空間的相關(guān)性來(lái)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(diǎn)上，通過(guò)基準(zhǔn)站單點(diǎn)定位確定測(cè)站的位置坐標(biāo)，然后通過(guò)實(shí)時(shí)定位測(cè)得的坐標(biāo)與控制點(diǎn)坐標(biāo)的比對(duì)，從而確定基準(zhǔn)站上的定位誤差。但在實(shí)際生產(chǎn)中，為了提高測(cè)量效率，基準(zhǔn)站通常也可以架設(shè)在未知點(diǎn)上。下文就RTK基準(zhǔn)站架設(shè)的兩種情況進(jìn)行解釋?zhuān)f(shuō)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(gè)地心坐標(biāo)系，所有的GPS接收機(jī)定位測(cè)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(shí)別WGS-84坐標(biāo)。但是在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，用戶(hù)基于定位精度、坐標(biāo)保密、控制變形等原因往往會(huì)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(guó)內(nèi)坐標(biāo)系統(tǒng)的應(yīng)用為基礎(chǔ)，介紹一下RTK測(cè)量時(shí)坐標(biāo)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換方法。至今為止，我國(guó)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(guó)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(shí)際生產(chǎn)中還存在地方獨(dú)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(guó)家高程基準(zhǔn)兩個(gè)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(gè)關(guān)系可以采用相應(yīng)的轉(zhuǎn)換方法。RTK測(cè)量過(guò)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(gè)方面。平面轉(zhuǎn)換主要是采用控制點(diǎn)反算轉(zhuǎn)換參數(shù)的方法，根據(jù)測(cè)區(qū)范圍和精度的要求采用不同的轉(zhuǎn)換方法。對(duì)于涉及到兩個(gè)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(cè)區(qū)面積較小，可近似當(dāng)做平面時(shí)（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(gè)高程控制點(diǎn)，通過(guò)GPS測(cè)量得到這些控制點(diǎn)的兩套坐標(biāo)，通過(guò)兩套坐標(biāo)系統(tǒng)求差可得到每個(gè)控制點(diǎn)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(guò)GPS測(cè)量，根據(jù)GPS高程以及高程異常值可求得測(cè)點(diǎn)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(shí)際情況，所以精度也相對(duì)較高。

差分GPS工作的基本原理是依據(jù)地面參考站與流動(dòng)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(wàn)公里的太空，而地面參考站距流動(dòng)站之間的距離為幾十公里到幾百公里之間，這個(gè)距離相對(duì)于星站距離可以忽略不計(jì)。因此，我們認(rèn)為參考站與流動(dòng)站周?chē)目臻g環(huán)境對(duì)兩個(gè)接收機(jī)導(dǎo)航定位的影響是等價(jià)的。

二、基準(zhǔn)站架設(shè)在已知點(diǎn)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(dòng)站和通訊設(shè)備。基準(zhǔn)站架設(shè)在已知點(diǎn)上的工作流程一般是：先在具有高精度和可靠性的已知點(diǎn)上架設(shè)GPS接收機(jī)作為參考站，參考站周?chē)鷳?yīng)該視野開(kāi)闊，觀測(cè)條件好，在待測(cè)點(diǎn)上架設(shè)流動(dòng)站，參考站和流動(dòng)站同時(shí)觀測(cè)衛(wèi)星。參考站的接收機(jī)在捕捉到衛(wèi)星信號(hào)之后便開(kāi)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(duì)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(wú)法知道流動(dòng)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(huì)鎖定視野中的所有衛(wèi)星，并計(jì)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(dòng)站，流動(dòng)站接受到電碼后，根據(jù)自身測(cè)站所觀測(cè)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(diǎn)上時(shí)其原理比較容易理解，但是架設(shè)在未知點(diǎn)上時(shí)理解起來(lái)就稍微有點(diǎn)難度。在坐標(biāo)系統(tǒng)已經(jīng)轉(zhuǎn)換完成之后，測(cè)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(cè)到一個(gè)WGS-84坐標(biāo)就會(huì)立即轉(zhuǎn)換得到一個(gè)地方坐標(biāo)系坐標(biāo)值。此時(shí)將基站架設(shè)在任意位置時(shí)，我們只需要用移動(dòng)站到高精度的控制點(diǎn)上進(jìn)行一次單點(diǎn)校正即可，這與基準(zhǔn)站架設(shè)在未知點(diǎn)上有點(diǎn)區(qū)別。那么為什么要在已知點(diǎn)上做單點(diǎn)校正呢？能不能不做呢？

當(dāng)基準(zhǔn)站架設(shè)在未知點(diǎn)上時(shí)，我們打開(kāi)GPS接收機(jī)，連接好基準(zhǔn)站和流動(dòng)站之后即使是不做點(diǎn)校正，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)流動(dòng)照樣可以測(cè)出測(cè)區(qū)的坐標(biāo)。甚至可以利用點(diǎn)放樣的方法去尋找控制點(diǎn)。但是當(dāng)我們利用這種方法去放控制點(diǎn)時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)放出來(lái)的位置與控制點(diǎn)實(shí)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?yàn)槲覀儧](méi)有做點(diǎn)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(méi)有做點(diǎn)校正就可以測(cè)出測(cè)區(qū)坐標(biāo)的原因。之所以測(cè)出來(lái)的坐標(biāo)與已知坐標(biāo)之間存在差距那是因?yàn)榱鲃?dòng)站定位過(guò)程中沒(méi)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(diǎn)上時(shí)，基準(zhǔn)站首先會(huì)進(jìn)行單點(diǎn)定位確定一個(gè)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(shí)，由于基準(zhǔn)站所確定的“高精度已知坐標(biāo)”與其實(shí)時(shí)定位得到的坐標(biāo)都是通過(guò)單點(diǎn)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(dòng)站定位精度只能達(dá)到單點(diǎn)定位的精度。

基準(zhǔn)站的差分改正信息本質(zhì)上是GPS單點(diǎn)定位結(jié)果與高精度的已知控制點(diǎn)之間的差值，那么通過(guò)利用流動(dòng)站在已知控制點(diǎn)上進(jìn)行單點(diǎn)校正也可以達(dá)到上述目的。此時(shí)，可以求出流動(dòng)站的差分改正值，也稱(chēng)校正參數(shù)。然后利用校正參數(shù)對(duì)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(shí)，定位的原理就同標(biāo)準(zhǔn)RTK相同了。

因此，單點(diǎn)校正的實(shí)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(gè)測(cè)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(cè)區(qū)所有站點(diǎn)的測(cè)量精度，會(huì)對(duì)整個(gè)測(cè)區(qū)造成系統(tǒng)性的偏差。然而，這種方法是利用流動(dòng)站的差分改正值來(lái)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(diǎn)距基準(zhǔn)站之間的空間相關(guān)性。如果，校正點(diǎn)距基準(zhǔn)站較遠(yuǎn)，校正點(diǎn)距基準(zhǔn)站之間的空間相關(guān)性會(huì)降低，從而基準(zhǔn)站坐標(biāo)的精度也會(huì)隨之降低。反之，亦然。

因此，建議基站架設(shè)在已知控制點(diǎn)的附近，周?chē)鶪PS觀測(cè)條件良好，以期取得良好的定位結(jié)果。