从RTK到网络RTK
一、 引言
随着全球定位系统(GPS)技术的快速发展，RTK技术也日益成熟。实时动态（Real Time Kinematic） 测量系统，是GPS测量技术与数据传输技术的结合，是GPS测量技术中的一个新突破。RTK的出现使得GPS工程应用成为可能，其速度快，成本相对低廉。然而，它对基站无线电信号的依赖，导致有效距离较小，且容易受到地形和建筑物的限制，经常不得不搬站或者设中继站。由此，人们开始使用基于因特网和GPRS技术的GPS固定参考站系统，实现一个基站通过因特网和移动的GPRS网络服务于多个移动站，不仅有效扩大了测量范围，而且提高了设备利用率，易用性，并且为以后建立GPS综合服务网打下基础。为了进一步扩大有效的测量范围，由一个基准站扩充至多个基准站，构成参考站网，而这将过渡到第二代RTK技术——网络RTK。网络RTK技术，集最新的计算机网络管理技术、INTERNET技术、无线通讯技术和GPS定位技术于一身，应用多基站RTK算法，将提高了工作效率，减轻了劳动强度，显著提高效益。如Trimble公司的VRS和Leica公司的MAC。
二、 常规RTK技术
1. 技术原理
RTK测量技术是以载波相位观测量为根据的实时差分GPS测量技术，其基本思想是:在基准站上设置1台GPS接收机，对所有可见GPS卫星进行连续地观测，并将其观测数据通过无线电传输设备，实时地发送给用户观测站。在用户站上，GPS接收机在接收GPS卫星信号的同时，通过无线电接收设备，接收基准站传输的观测数据，然后根据相对定位原理，实时地解算整周模糊度未知数并计算显示用户站的三维坐标及其精度。这样就可以保证在运动中实时定位，给出达到厘米级精度的该点位置。
2. 系统组成
RTK 测量系统一般由以下三部分组成:GPS接收设备、数据传输设备、软件系统。数据传输系统由基准站的发射电台与流动站的接收电台组成，它是实现实时动态测量的关键设备。软件系统具有能够实时解算出流动站的三维坐标的功能。RTK测量技术除具有GPS测量的优点外，同时具有观测时间短，能实现坐标实时解算的优点，因此可以提高生产效率。
3. RTK技术的应用
1) 控制测量
为满足城市建成区和规划区测绘的需要，城市控制网具有控制面积大、精度高、使用频繁等特点，城市I、I、IQ级导线大多位于地面，随着城市建设的飞速发展，这些点常被破坏，影响了工程测量的进度，如何快速精确地提供控制点，直接影响工作的效率。常规控制测量如导线测量，要求点间通视，费工费时，且精度不均匀。GPS静态测量，点间不需通视且精度高，但需事后进行数据处理，不能实时知道定位结果，如内业发现精度不符合要求则必须返工。应用RTK技术将无论是在作业精度，还是作业效率上都具有明显的优势。
2) 像控点测量
像控点测量是航空摄影测量外业主要工作之一，传统的方法要布设大量的导线来测量部分平高点，内业再空三加密。采用RTK技术测量，只需在测区内或测区附近的高等级控制点架设基准站，(若测区内或测区附近无高等级控制点，可先加密)，流动站直接测量各像控点的平面坐标和高程，对不易设站的像控点，可采用手簿提供的交会法等间接的方法测量。像控点的精度要求对于RTK测量来说是不难达到的。与传统作业相比较，它不需要逐级布设控制点;与静态GPS测量相比，缩短了作业时间，因而大大提高了作业效率，功效至少提高3-5倍。
3) 建筑物规划放线
建筑物规划放线，放线点既要满足城市规划条件的要求，又要满足建筑物本身的几何关系，放样精度要求较高。使用RTK进行建筑物放样时需要注意检查建筑物本身的几何关系，对于短边，其相对关系较难满足。在放样的同时，需要注意的是测量点位的收敛精度，如果点位收敛精度不高的情况下，强制测量则有可能带来较大的点位误差。在点位精度收敛高的情况下，用RTK进行规划放线一般能满足要求。
4) 用地测量
在建 设 用 地勘测定界测量中，RTK技术可实时地测定界址点坐标，确定土地使用界限范围，计算用地面积，在土地分类及权属调查时，应用RTK技术可实时测量权属界限、土地分类修测，提高了测量速度和精度。
5) 其他方面测量
RTK 技 术 还可用于地形测量、水域测量、管线测量、房产测量等方面。用RTK测图，可不用布设图根控制，仅依据少量的基准点，即可直接测定地形地物点坐标，如果用专业测图软件，通过电子手簿记录即可实现数字化测图。在水下地形测量时，RTK能自动导航和按距离或时间间隔自动采点，只要将天线高量至水面，加水深改正后，即可高精度的实时测定水下地形点的三维坐标，由专业软件成图。
4. RTK测量中需要注意的问题
1) 转换参数引起的精度损失
在进 行 RTK测量时，坐标转换GPS采 集 数据为WGS-84坐标，因此必须求解WGS-84坐标系与基站所在地区平面坐标系的转换参数，一般情况下，对于范围小于100平方公里的区域采用三参数法，大于100平方公里的区域采用七参数法。这期间待测点坐标的精度存在着坐标转换的损失，与控制点的精度和分布有关。如果选取的已知点精度高、分布均匀且能覆盖整个测区，可较好的控制转换参数引起的精度损失。
2) 基准站与流动站之间的距离
基准站与流动站之间的距离、轨道误差和大气延迟误差对RTK测量精度影响较大。一般情况下， 基准站与流动站之间的距离较短时，其影响能够模拟，其残差能够通过观测值的差分处理得到削弱甚至基本消除: 当基准站与流动站之间的距离较长时，它们的影响越大，得到固定解的时间一般也较长，观测结果的误差也越大。而且，GPS误差的空间相关性随基准站与流动站间距离的增大而逐渐失去线性，因此在二者较长距离下，经过差分处理后的流动站数据仍然含有较大的观测误差，从而容易导致定位精度的降低与无法解算载波相位的整周模糊度。
3) 浏站环境及天气状况
基准站、流动站上的环境及天气状况也会影响到RTK 测量结果的精度。基准站周围的干扰较多时，电台的控制范围会减小，影响作业效率。流动站周围观测环境较差时，信号的接收质量会降低，测量噪声增大，最终影响RTK 定位的结果。而且，基准站与流动站、各流动站之间的气象条件差异较大时，会明显的影响到RTK测量、尤其是高程测量的结果。作业时天气状况好、基准站周围比较开阔，无干扰源:流动站也选择在开阔地，远离干扰源，基本可消除测站环境及天气状况的影响。
4) 操作人员的误差
在进行RTK测量时，同其它测量一样，同样需要进行仪器的整平、对中及仪器高的量取等。操作人员使用方法及实际经验的不同，同样会影响到RTK测量成果的精度。作业时流动站采用三脚基座进行对中整平，可减小人为的误差影响。
5) 基准站的误差
RTK 测量时，流动站的坐标都是利用基准站的坐标和基线向量得到的，因此，基准站的误差会系统性的带入到流动站的结果中，最终影响到流动站的坐标。而且，基准站的对中、整平等人员操作误差也会系统的带入到流动站的结果中，且基准站周围环境对GPS观测量质量的影响也会影响到流动站坐标的解算。因此，要尽可能的控制基准站误差对RTK测量的影响。
三、 基于因特网和GPRS技术的GPS固定参考站系统
流动站的GPS接收机在观测卫星的同时，利用移动无线数据终端，通过GPRS网络和因特网登录到具有静态IP地址的参考站服务器，实时获取参考站的差分数据和已知坐标，进行差分相对定位，获得厘米级的坐标和高程。这种思路抛开了以往大投资、综合性、网络化的GPS实时定位系统建设思路，采用I+ N的模式，即在城市中心建一个参考站，可为数量不限的流动站提供连续实时的定位服务，以满足城市规划建设的定位需求。使用移动无线数据终端设备传输差分校正数据，优于常规的无线电台或GSM手机方式，下表对几种传输方式进行了详细比较。
| 传输方式 | 无线电台 | GSM手机 | GPRS移动终端 |
| 通讯方式 | 单工或半双工，一对多 | 双工，不能一对多 | 双工，一对多 |
| 覆盖范围 | 与发射功率有关，距离短，死角多 | 面积广，盲区少 | 面积广，盲区较少 |
| 数据传输速率 | 1.2-6.6kb/s | 9.6kb/s | 高达171.2kb/s |
| 可靠性 | 低 | 高 | 高 |
| 易用性 | 设备繁琐沉重 | 简便 | 简便，耐用 |
| 费用 | 低 | 高（数据和电话费） | 低（GPRS流量费） |
| GPS设备利用率 | 1+1 | 1+1 | 1+N |
表格 1
事实上，上述系统依赖于GPRS网络，在网络信号薄弱区域将影响数据传输甚至不能正常作业。整个系统能支持的流动站的数量，即参考站的数据分发能力和管理效率仍是个待解决的问题。此外，在距离基站20km以上的地区一般初始化速度较慢，定位精度和效率降低，这就需要构建多参考站系统来解决。
四、 网络RTK技术
1. 虚拟参考站技术（VRS）
典型的网络RTK技术是虚拟参考站技术(VRS, Virtual Reference Station), VRS是基于多参考站环境下的GPS实时动态定位技术，与常规RTK不同，在VRS网络中，各固定参考站不直接向移动用户发送任何改正信息，而是将所有的原始数据通过数据通讯发给网络控制中心。而移动用户通过移动电话，基于GSM、CDMA或者无线Internet（如GPRS和WAP）等网络在与网络控制中心建立双向通讯后，向控制中心发送其概略坐标，控制中心根据用户的这个概略位置，自动选择一组最佳的参考站，根据这组参考站的原始观测数据，整体地改正GPS轨道误差，电离层，对流层和大气折射等误差，生产并向该用户发送RTCM差分信息，这个差分信息的效果相当于在移动站旁边，生产一个虚拟的参考基站，实现“区域”RTK定位。这样，用户只需使用具有VRS功能的设备（GPSRTK接收机、手机、导航仪、PDA……）即可进行可靠的高精度定位（水平精度1cm，高程精度2cm）。
但是VRS的缺陷也是很明显的：
1) 采用双向通信，限制了它的同时在线用户数量。
2) 虚拟参考基站随着用户（流动站）的移动（超过一定距离）要重新初始化，并且是不可追踪、不可重复的虚拟的参考基站。
3) 人为的规定了一个参考站站网中参考站的数量，一般情况下为三个。它们是由参考站软件所决定的，用于计算流动站所需要的改正数。此项约束限制了系统采用合适数量的参考站解决占主导地位的大气条件，例如建立大尺度气象活动的模型问题。这种约束也影响到成果的稳定性，并表现出对网络的几何形态及对数据的传输损耗十分敏感。如果三个站中有一个站不能为这个网络提供数据，那么网络软件必须搜索另外一个合适的参考站，并为用户重新安排改正计算。在搜索过程中，没有网络改正数可以提供给流动站用户，影响外业生产的效率。
4) 其播发的数据格式不标准，偏向某一类型的接收机。
2. 主辅站技术（MAC）
主辅站技术也是各参考站向控制中心发送原始数据，再由控制中心解算后播发改正信息给用户。然而与VRS不同的是：
1) 播发的改正信息是标准格式的，不含有专有技术知识产权信息。
2) 提供的是全网解。所谓全网指的是用户（流动站）所在的参考站网（子网）。由于，一个主辅站网可能由很多参考站组成，如果进行全部的参考站解算，不但浪费时间而且如果区域很大的话，大气环境差异很大容易造成改正信息误差较大。
3) 主辅站技术最大的技术突破是它支持单向通信（由于播发占用的带宽较小，同时在线用户数量可以大大超越占用较大带宽的双向通信技术），其优势不言而喻。为了兼容较早版本的接收机，Leica的主辅站技术还支持双向通信。
4) 对用户（流动站）来说主参考站并不一定是距离用户最近的参考站，尽管那样会更好一些。因为它仅仅被用来简单地实现数据传输的目的，而且在改正数的计算中并不扮演任何特殊的角色。如果由于某种原因，主站传来的数据不再具有有效性，或者根本无法获取主站的数据，那么，任何一个辅站都可以被设定并充当主站的角色。在任何时候，RTCM 3.0 版主辅站网络改正数都是相对于真正的参考站的，因此也是完全可以追踪的。注意到主站的全部观测值都被传输了，所以流动站即使无法解读网络信息，它仍然可以利用这些改正数据计算单基线解。这样就保证了外业作业效率。
5) 数据安全性高，Leica GPS Spider 安全性概念的关键部件是 RTK 代理服务器。网络处理模块（网络服务器）与 RTK代理服务器之间的通信只有网络服务器才能进行启动。所有敏感的信息，例如用户名单及记账信息是存储在防火墙后面的数据库中，并且不会出现在 RTK 代理服务器或存取路由器中。
五、 总结
网络RTK技术的出现，标志着高精度实时定位技术的发展进入了一个崭新的阶段。网络RTK技术，将代表着GPS发展的方向。它使一个地区的所有测绘工作成为一个整体，同时，它将大大扩展RTK的作业范围，使GPS的应用更加广泛，精度和可靠性进一步提高。网络RTK对各永久观测基站上的观测数据进行综合处理，用户在不用购置基准站设备的情况下即可进行厘米级的定位，而基站的服务半径也得以大大增加（可达30-50KM）。以综合性GPS服务网络的形式加以建设的网络RTK将成为城市最有效的空间数据基础设施之一。
参考文献1.基于因特网和GPRS技术的GPS固定参考站系统建设 张福林等 长春市测绘院 2.网络RTK 中国地籍网 3.浅谈RTK技术在城市测量中的应用 黄官永 珠海市测绘大队