李 平，宋修元，魏天虎，李 慧，王偉志

（1.北方自動(dòng)控制技術(shù)研究所，太原 030006；2.北京奧博泰科技有限公司，北京 100070；3.哈爾濱建成集團(tuán)有限公司，哈爾濱 150030）

基于RTK技術(shù)的靶場(chǎng)大地測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用

李 平1，宋修元1，魏天虎2，李 慧3，王偉志2

（1.北方自動(dòng)控制技術(shù)研究所，太原 030006；2.北京奧博泰科技有限公司，北京 100070；3.哈爾濱建成集團(tuán)有限公司，哈爾濱 150030）

針對(duì)點(diǎn)位坐標(biāo)、距離和方向的靶場(chǎng)試驗(yàn)應(yīng)用需求，基于RTK（Real Time Kinematic）技術(shù)設(shè)計(jì)了一套靶場(chǎng)大地測(cè)量系統(tǒng)。系統(tǒng)采用固定站+移動(dòng)站方式設(shè)計(jì)，移動(dòng)站可以在固定站配合下進(jìn)行測(cè)量，也可以單獨(dú)進(jìn)行測(cè)量。既能滿足點(diǎn)位坐標(biāo)、距離、方位角高精度的測(cè)量需要，又能滿足多種坐標(biāo)測(cè)量和實(shí)時(shí)測(cè)量的靶場(chǎng)應(yīng)用需求。

RTK，大地測(cè)量，靶場(chǎng)測(cè)量

Abstract：In order to solve the application requirements of range test point coordinates，distance and direction，a range of geodetic system is designed based on RTK.The system is composed of the fixed station and mobile station.The mobile station can be used together with the fixed station，and can also be used alone.Can not only meet the point coordinate and distance，azimuth high-precision measurement needs but also meet a variety of coordinate measurement and real-time measurements of the range application demand.

Key words：RTK，geodesy，range measurement

0 引言

現(xiàn)代靶場(chǎng)試驗(yàn)中經(jīng)常完成以下測(cè)量任務(wù)：裝甲車輛的定位定向檢驗(yàn)，指控系統(tǒng)的定位導(dǎo)航檢驗(yàn)，著彈點(diǎn)精度試驗(yàn)等。這些測(cè)量項(xiàng)目都需要測(cè)量點(diǎn)位坐標(biāo)、距離、方位角。點(diǎn)位坐標(biāo)、距離和方向是靶場(chǎng)試驗(yàn)的重要基礎(chǔ)測(cè)量，基于RTK技術(shù)針對(duì)點(diǎn)位坐標(biāo)、距離和方向的靶場(chǎng)試驗(yàn)應(yīng)用需求設(shè)計(jì)一套靶場(chǎng)大地測(cè)量系統(tǒng)。

1 實(shí)時(shí)載波相位差分定位原理

1.1 衛(wèi)星定位原理

衛(wèi)星定位的基本原理是利用接收機(jī)同時(shí)接收4顆衛(wèi)星發(fā)射出來的無線電信號(hào)中的測(cè)距信號(hào)，測(cè)算出接收機(jī)該時(shí)刻與這4顆衛(wèi)星的距離（偽距）。從而利用無線電信號(hào)中的導(dǎo)航電文中衛(wèi)星位置信息與這4顆衛(wèi)星間的距離，便可以求出該時(shí)刻接收機(jī)的位置。

衛(wèi)星定位系統(tǒng)已在大地測(cè)量領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)目前有4種，美國(guó)全球定位系統(tǒng)GPS、中國(guó)北斗導(dǎo)航Compass、歐盟伽利略系統(tǒng)Galileo和俄羅斯格洛納斯Glonass，目前在國(guó)內(nèi)測(cè)繪領(lǐng)域應(yīng)用衛(wèi)星定位系統(tǒng)主要是GPS和北斗雙系統(tǒng)。

1.2 差分定位

差分技術(shù)很早就被人們所應(yīng)用。比如相對(duì)定位中，在一個(gè)測(cè)站上對(duì)兩個(gè)觀測(cè)目標(biāo)進(jìn)行觀測(cè)，將觀測(cè)值求差；或在兩個(gè)測(cè)站上對(duì)一個(gè)目標(biāo)進(jìn)行觀測(cè)，將觀測(cè)值求差；或在一個(gè)測(cè)站上對(duì)一個(gè)目標(biāo)進(jìn)行兩次觀測(cè)求差。其目的是消除公共誤差，提高定位精度。利用求差后的觀測(cè)值解算兩觀測(cè)站之間的基線向量，這種差分技術(shù)已經(jīng)用于靜態(tài)相對(duì)定位。

這里所講述的差分衛(wèi)星定位技術(shù)是將一臺(tái)接收機(jī)安置在基準(zhǔn)站上進(jìn)行觀測(cè)。根據(jù)基準(zhǔn)站已知精密坐標(biāo)，計(jì)算出基準(zhǔn)站到衛(wèi)星的距離改正數(shù)，并由基準(zhǔn)站實(shí)時(shí)地將這一改正數(shù)發(fā)送出去。用戶接收機(jī)在進(jìn)行GPS觀測(cè)的同時(shí)，也接收到基準(zhǔn)站的改正數(shù)，并對(duì)其定位結(jié)果進(jìn)行改正，從而提高定位精度。

①衛(wèi)星定位誤差分析。衛(wèi)星定位中，存在著3部分誤差：一是多臺(tái)接收機(jī)公有的誤差，如：衛(wèi)星鐘誤差、星歷誤差；二是傳播延遲誤差，如：電離層誤差、對(duì)流層誤差；三是接收機(jī)固有的誤差，如：內(nèi)部噪聲、通道延遲、多路徑效應(yīng)。采用差分定位，可完全消除第1部分誤差，可大部分消除第2部分誤差（視基準(zhǔn)站至用戶的距離）。

②衛(wèi)星差分定位比較。目前，應(yīng)用廣泛的差分定位技術(shù)有實(shí)時(shí)偽距差分定位（RTD）、實(shí)時(shí)載波相位差分（RTK）和事后差分等。表1給出了幾種差分定位技術(shù)的對(duì)比。

對(duì)比分析以上3種差分定位技術(shù)，實(shí)時(shí)載波相位差分（RTK）適合靶場(chǎng)大地測(cè)量的應(yīng)用。

③實(shí)時(shí)載波相位差分。RTK技術(shù)是以載波相位測(cè)量與數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)相結(jié)合的以載波相位測(cè)量為依據(jù)的實(shí)時(shí)衛(wèi)星差分測(cè)量技術(shù)，是衛(wèi)星測(cè)量技術(shù)發(fā)展里程中的一個(gè)標(biāo)志，是一種高效的定位技術(shù)。

實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)衛(wèi)星差分系統(tǒng)主要包括3個(gè)部分：基準(zhǔn)站、流動(dòng)站和數(shù)據(jù)鏈。在RTK作業(yè)模式下，基準(zhǔn)站接收機(jī)設(shè)在具有已知坐標(biāo)的參考點(diǎn)位上，連續(xù)接收所有可視衛(wèi)星信號(hào)。流動(dòng)站先進(jìn)行初始化，完成整周未知數(shù)的搜索求解后，進(jìn)入動(dòng)態(tài)作業(yè)，基準(zhǔn)站將測(cè)站點(diǎn)坐標(biāo)、載波相位觀測(cè)值、偽距觀測(cè)值、衛(wèi)星跟蹤狀態(tài)及接收機(jī)工作狀態(tài)等通過無線數(shù)據(jù)鏈一起發(fā)送給流動(dòng)站。

流動(dòng)站在接收來自基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)時(shí)，同步觀測(cè)采集衛(wèi)星載波相位數(shù)據(jù)，通過在系統(tǒng)內(nèi)差分處理求解載波相位整周模糊度，得到基準(zhǔn)站和流動(dòng)站之間的坐標(biāo)差值ΔXΔYΔZ，坐標(biāo)差加上基準(zhǔn)站坐標(biāo)就可以得到流動(dòng)站點(diǎn)的WGS84坐標(biāo)，通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和參數(shù)轉(zhuǎn)換，得出流動(dòng)站每個(gè)站點(diǎn)的平面坐標(biāo)XY和海拔高H。

2 靶場(chǎng)大地測(cè)量系統(tǒng)組成及工作原理

靶場(chǎng)大地測(cè)量系統(tǒng)由固定站和移動(dòng)站組成。固定站為1臺(tái)RTK基準(zhǔn)站，固定在靶場(chǎng)已知坐標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)上。移動(dòng)站為移動(dòng)測(cè)量車，裝配有2臺(tái)RTK主機(jī)和1臺(tái)全站儀，2臺(tái)RTK主機(jī)可以設(shè)置為2臺(tái)RTK流動(dòng)站與系統(tǒng)固定站RTK基準(zhǔn)站進(jìn)行RTK組網(wǎng)測(cè)量。2臺(tái)RTK主機(jī)也可以分別設(shè)置為RTK基準(zhǔn)站和RTK流動(dòng)站進(jìn)行RTK組網(wǎng)測(cè)量，脫離系統(tǒng)固定站工作。

全站儀使用2臺(tái)RTK主機(jī)站獲得的點(diǎn)位坐標(biāo)作為起始邊，可計(jì)算出觀測(cè)范圍內(nèi)任意測(cè)量的點(diǎn)位坐標(biāo)。系統(tǒng)可根據(jù)高精度的點(diǎn)位坐標(biāo)計(jì)算任意兩點(diǎn)的距離和方向角。

2.1 靶場(chǎng)大地測(cè)量固定站組成及工作原理

固定站為1臺(tái)RTK基準(zhǔn)站，固定在靶場(chǎng)已知坐標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)上，通過GPS北斗衛(wèi)星定位并發(fā)射載波相位信息。

RTK基準(zhǔn)站由RTK基準(zhǔn)站主機(jī)和外接大功率電臺(tái)組成，RTK基準(zhǔn)站主機(jī)由GPS北斗接收板卡、STM32微處理器、LCD顯示屏和電源及天線等組成，RTK基準(zhǔn)站組成關(guān)系如下頁圖1所示。

RTK基準(zhǔn)站的工作原理：GPS北斗接收板卡接收GPS北斗衛(wèi)星信號(hào)，并接收所有GPS北斗衛(wèi)星的RTK改正數(shù)據(jù)，然后按照RTCM的標(biāo)準(zhǔn)格式通過串口發(fā)送給大功率PDL數(shù)傳電臺(tái)，大功率PDL數(shù)傳電臺(tái)將RTK改正數(shù)據(jù)發(fā)送給RTK流動(dòng)站，供其進(jìn)行實(shí)時(shí)載波相位差分定位。STM32微處理器負(fù)責(zé)配置GPS北斗接收板卡和大功率PDL數(shù)傳電臺(tái)以及整個(gè)工作流程的控制。LCD觸摸屏是RTK基準(zhǔn)站主機(jī)的輸入輸出接口，可通過其輸入標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)數(shù)據(jù)和配置信息，同時(shí)顯示RTK基準(zhǔn)站的運(yùn)行狀態(tài)和測(cè)量數(shù)據(jù)等信息。

因?yàn)镽TK基準(zhǔn)站向外發(fā)射數(shù)據(jù)，為了保證通信距離，擴(kuò)大RTK的作用范圍，故采用外置的大功率PDL數(shù)傳電臺(tái)向外發(fā)送，并且盡可能將電臺(tái)天線架高。系統(tǒng)實(shí)際選用了具有5 W和35 W兩檔功率的PDL數(shù)傳電臺(tái)，并將發(fā)生天線架設(shè)在50 m高的鐵塔上，當(dāng)RTK流動(dòng)站采用內(nèi)置2 W數(shù)傳電臺(tái)時(shí)，RTK流動(dòng)站可在20 km內(nèi)接收RTK基準(zhǔn)站發(fā)送的RTK改正數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)載波相位差分定位。RTK基準(zhǔn)站主機(jī)如圖2所示。

2.2 靶場(chǎng)大地測(cè)量移動(dòng)站組成及工作原理

移動(dòng)站為移動(dòng)測(cè)量車，裝配有2臺(tái)RTK主機(jī)和1臺(tái)全站儀，2臺(tái)RTK主機(jī)可以設(shè)置為2臺(tái)RTK流動(dòng)站與系統(tǒng)固定站RTK基準(zhǔn)站進(jìn)行RTK組網(wǎng)測(cè)量。2臺(tái)RTK主機(jī)也可以分別設(shè)置為RTK基準(zhǔn)站和RTK流動(dòng)站進(jìn)行RTK組網(wǎng)測(cè)量，脫離系統(tǒng)固定站工作。

全站儀使用2臺(tái)RTK主機(jī)站獲得的點(diǎn)位坐標(biāo)作為起始邊，可計(jì)算出觀測(cè)范圍內(nèi)任意測(cè)量的點(diǎn)位坐標(biāo)。系統(tǒng)可根據(jù)高精度的點(diǎn)位坐標(biāo)計(jì)算任意兩點(diǎn)的距離和方向角。

①RTK主機(jī)組成及工作原理。RTK主機(jī)與RTK基準(zhǔn)站主機(jī)組成類似，主要有兩方面區(qū)別，一方面由于RTK主機(jī)主要接收RTK改正數(shù)據(jù)，為了減小設(shè)備體積，延長(zhǎng)電池使用時(shí)間，沒有采用外置的大功率PDL數(shù)傳電臺(tái)，而采用發(fā)射功率2 W，接收功率0.3 W的內(nèi)置數(shù)傳電臺(tái)；另一方面為了方便野外作業(yè)，RTK主機(jī)沒有采用電源供電而采用電池供電。RTK主機(jī)由GPS北斗接收板卡、STM32微處理器、LCD顯示屏、數(shù)傳電臺(tái)和電池及天線等組成，RTK主機(jī)組成關(guān)系如圖3所示。

圖3 RTK主機(jī)組成示意圖

RTK主機(jī)用戶可以通過軟件界面配置為RTK基準(zhǔn)站或RTK流動(dòng)站，當(dāng)系統(tǒng)移動(dòng)站與固定站進(jìn)行聯(lián)合測(cè)量時(shí)，2臺(tái)RTK主機(jī)與固定站RTK基準(zhǔn)站進(jìn)行RTK組網(wǎng)測(cè)量時(shí)，2臺(tái)RTK主機(jī)配置為RTK流動(dòng)站。當(dāng)系統(tǒng)移動(dòng)站脫離系統(tǒng)固定站單獨(dú)測(cè)量時(shí)，1臺(tái)RTK主機(jī)配置為RTK基準(zhǔn)站，1臺(tái)RTK主機(jī)配置為RTK流動(dòng)站，進(jìn)行RTK組網(wǎng)測(cè)量。

RTK主機(jī)作為RTK基準(zhǔn)站時(shí)，其工作原理與固定站的RTK基準(zhǔn)站工作原理相同，只是內(nèi)置電臺(tái)功率小于外置電臺(tái)，RTK作用距離變小。系統(tǒng)移動(dòng)站的RTK主機(jī)作為RTK基準(zhǔn)站時(shí)，實(shí)際的左右距離為5 km。

RTK主機(jī)作為RTK流動(dòng)站的工作原理：GPS北斗接收板卡接收GPS北斗衛(wèi)星信號(hào)，并接收RTK基準(zhǔn)站發(fā)送的RTK改正數(shù)據(jù)，進(jìn)行實(shí)時(shí)載波相位差分定位，從而獲得高精度點(diǎn)位坐標(biāo)。STM32微處理器負(fù)責(zé)配置GPS北斗接收板卡和數(shù)傳電臺(tái)以及整個(gè)工作流程的控制。LCD觸摸屏是RTK流動(dòng)站主機(jī)的輸入輸出接口，可通過其設(shè)置RTK流動(dòng)站的工作模式和配置信息，同時(shí)顯示RTK流動(dòng)站的運(yùn)行狀態(tài)和測(cè)量數(shù)據(jù)等信息。

RTK流動(dòng)站在收到RTK基準(zhǔn)站發(fā)送的RTK改正數(shù)時(shí)，可進(jìn)行實(shí)時(shí)載波相位差分定位。當(dāng)無法接收RTK基準(zhǔn)站發(fā)送的RTK改正數(shù)時(shí)，可進(jìn)行單點(diǎn)定位測(cè)量點(diǎn)位坐標(biāo)。系統(tǒng)在RTK組網(wǎng)測(cè)量時(shí)，測(cè)量點(diǎn)位坐標(biāo)精度為1 cm，單點(diǎn)定位時(shí)，測(cè)量點(diǎn)位坐標(biāo)精度為1 m。RTK主機(jī)實(shí)物圖如圖4所示。

圖4 RTK主機(jī)實(shí)物圖

②全站儀選型及使用原理。全站儀使用2臺(tái)RTK主機(jī)獲得的點(diǎn)位坐標(biāo)作為起始邊，可計(jì)算出觀測(cè)范圍內(nèi)任意測(cè)量的點(diǎn)位坐標(biāo)。

全站儀選用日本拓普康GPT-7501型全站儀，該全站儀測(cè)角精度為1 s，無合作目標(biāo)測(cè)距量程為2 000 m，測(cè)距精度為2 mm。

全站儀使用時(shí)需要將全站儀與1臺(tái)RTK主機(jī)天線同軸架設(shè)（通過設(shè)計(jì)連接機(jī)構(gòu)保證，這樣通過RTK主機(jī)即可獲得全站儀的位置坐標(biāo)），先觀察另一臺(tái)RTK主機(jī)，然后將水平角讀數(shù)清零，再旋轉(zhuǎn)全站儀將觀測(cè)測(cè)量目標(biāo)點(diǎn)，記錄下此時(shí)水平角讀數(shù)和到測(cè)量目標(biāo)點(diǎn)的距離，再結(jié)合兩個(gè)2臺(tái)RTK主機(jī)之間的方向角和全站儀的點(diǎn)位坐標(biāo)，即可計(jì)算出測(cè)量目標(biāo)點(diǎn)的點(diǎn)位坐標(biāo)。

3 靶場(chǎng)大地測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)用

3.1 RTK流動(dòng)站測(cè)量點(diǎn)位坐標(biāo)

靶場(chǎng)應(yīng)用測(cè)試條件允許，可以將RTK流動(dòng)站測(cè)量天線直接架設(shè)在測(cè)量點(diǎn)時(shí)，可打開固定站的RTK基準(zhǔn)站，然后將移動(dòng)站的RTK主機(jī)設(shè)置為RTK流動(dòng)站，將其天線架設(shè)在測(cè)量點(diǎn)上，進(jìn)行RTK組網(wǎng)測(cè)量，直接通過RTK流動(dòng)站測(cè)量出測(cè)量點(diǎn)的點(diǎn)位坐標(biāo)等信息。RTK流動(dòng)站測(cè)量顯示界面如圖5所示。靶場(chǎng)的多數(shù)測(cè)試都具備條件將RTK流動(dòng)站測(cè)量天線直接架設(shè)在測(cè)量點(diǎn)上。

3.2 RTK流動(dòng)站與全站儀聯(lián)合測(cè)量點(diǎn)位坐標(biāo)

靶場(chǎng)應(yīng)用時(shí)，有些情況不具備將RTK流動(dòng)站天線架設(shè)在目標(biāo)點(diǎn)上，此時(shí)就需要RTK流動(dòng)站和全站儀聯(lián)合測(cè)量目標(biāo)點(diǎn)點(diǎn)位坐標(biāo)。

將1臺(tái)RTK主機(jī)設(shè)置為RTK流動(dòng)站，1臺(tái)RTK主機(jī)設(shè)置為RTK基準(zhǔn)站，將全站儀與RTK基準(zhǔn)站天線同軸架設(shè)。

圖5 RTK流動(dòng)站測(cè)量顯示界面

首先，觀測(cè)RTK基準(zhǔn)站顯示界面記錄RTK基準(zhǔn)站到RTK流動(dòng)站的方向角。其次，水平轉(zhuǎn)動(dòng)全站儀觀測(cè)RTK流動(dòng)站，然后將水平角讀數(shù)清零。再次，水平轉(zhuǎn)動(dòng)全站儀觀測(cè)測(cè)量目標(biāo)點(diǎn)，記錄此時(shí)水平角讀數(shù)和到測(cè)量目標(biāo)點(diǎn)的距離。最后，結(jié)合全站儀的點(diǎn)位坐標(biāo)，根據(jù)上述RTK基準(zhǔn)站到RTK流動(dòng)站的方向角、全站儀水平角讀數(shù)和到測(cè)量目標(biāo)點(diǎn)的距離，使用極坐標(biāo)法即可計(jì)算出測(cè)量目標(biāo)點(diǎn)的點(diǎn)位坐標(biāo)。

4 靶場(chǎng)大地測(cè)量系統(tǒng)使用與測(cè)試

4.1 RTK組網(wǎng)測(cè)量操作流程

RTK組網(wǎng)測(cè)量操作流程如圖6所示。

圖6 RTK組網(wǎng)測(cè)量操作流程

表2 RTK測(cè)得坐標(biāo)數(shù)據(jù)和5″網(wǎng)坐標(biāo)數(shù)據(jù)對(duì)比

4.2 靶場(chǎng)大地測(cè)量系統(tǒng)測(cè)試

靶場(chǎng)大地測(cè)量系統(tǒng)在5″網(wǎng)上，選擇了6個(gè)標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試時(shí)，采用固定站和移動(dòng)站聯(lián)合測(cè)試，將移動(dòng)站的1臺(tái)RTK主機(jī)設(shè)置為RTK流動(dòng)站，與固定站的RTK基準(zhǔn)站進(jìn)行RTK組網(wǎng)測(cè)量，測(cè)量數(shù)據(jù)如表2所示。根據(jù)表2，計(jì)算各個(gè)點(diǎn)的位置誤差和平均誤差，位置誤差計(jì)算位置誤差結(jié)果如下：

KD012位置誤差為0.019 m；KD013位置誤差為0.022 m；KD014位置誤差為 0.014 m；KD022位置誤差為 0.021 m；KD032位置誤差為 0.010 m；KD033位置誤差為0.014 6 m。

比較上述數(shù)據(jù)，系統(tǒng)測(cè)量最大位置誤差為0.022 m。

5 結(jié)論

系統(tǒng)在5″網(wǎng)上進(jìn)行了測(cè)試，分析測(cè)試數(shù)據(jù)可知，系統(tǒng)測(cè)量精度＜0.03 m。系統(tǒng)既能滿足點(diǎn)位坐標(biāo)、距離、方位角高精度的測(cè)量需要，又能滿足多種坐標(biāo)測(cè)量和實(shí)時(shí)測(cè)量的靶場(chǎng)應(yīng)用需求。

［1］劉基余.GPS衛(wèi)星導(dǎo)航定位原理與方法［M］.北京：科學(xué)出版社，2003.

［2］孔祥元，郭際明，劉宗泉，等.大地測(cè)量學(xué)基礎(chǔ)［M］.武漢：武漢大學(xué)出版社，2001.

Design and Application of Geodetic Measurement System Based on RTK

LI Ping1，SONG Xiu-yuan1，WEI Tian-hu2，LI Hui3，WANG Wei-zhi2
（1.North Automatic Control Technology Institute，Taiyuan 030006，China；2.Beijing Aoptek Scientific Co.，Ltd，Beijing 100070，China；3.Harbin Building Group Co.，Ltd，Harbin 150030，China）

TP302.1

A

10.3969/j.issn.1002-0640.2017.09.034

1002-0640（2017）09-0153-05

2016-08-26

2016-09-16

李 平（1961- ），男，山東榮城人，高級(jí)工程師。研究方向：軍品檢測(cè)。