常规RTK测量系统设备-GNSS测量技术

1.RTK系统基本组成

(1)基准站

基准站(Base Station)又称参考站(Reference Station)。在一定的观测时间内，一台或几台接收机分别固定安置在一个或几个测站上，一直保持跟踪观测卫星，其余接收机在这些固定测站的一定范围内流动作业，这些固定测站称为基准站，也称基准站。基准站包括以下几个部分:

1)基准站GNSS接收机

如图5.1所示，主机呈扁圆柱形，主机前侧为按键(开关键及功能键)和指示灯面板。

仪器底部内嵌有电台模块和电池仓部分，如图5.2所示。移动站在这部分装有内置接收电台和GPRS/CDMA模块; 基准站为外接发射电台和GPRS/CDMA模块。主机底部有三个接口，左边接口是电台接口，用来连接主机外置发射电台，为五针接口，接收机工作时即通过该串口发射基准站观测的伪距和载波相位观测值。

图5.1 南方S82接收机外型

主机右边为数据接口，用来连接电脑传输数据，或者用手簿连接主机时使用(为七针接口)。主机右上为天线接口，当主机被用作基准站时，并不使用此接口，只是当主机被用作流动站时，该接口安装上天线后有助于接收基准站发来的信号。

2)基准站数据链电台及电台天线

用于将基准站观测的伪距和载波相位观测值发射出去。因为基准站的电台天线是用来发射信号的，其电台天线一般要比流动站的电台天线长一些。如图5.3所示，电台背面左边为接收机接口，5针插孔，用于连接GNSS接收机及供电电源，右边为天线接口，卡口，用来连接电台发射天线，如图5.4所示。

图5.2 南方S82接收机底部接口

图5.3GDL25数传电台

基准站电台一般为外置的独立电台，其设置要求如下所述。

①功率要求: 有5W、10W、15W、25W、35W几种可供选择的频率，尽量使用低功率发射，通常情况下选择10W、15W即可，因为高功率发射会成倍的消耗电池电量，过多使用还会降低电池的使用寿命，碰到强干扰时可选择高频发射。

②电池供电要足，使用后要及时充电，电瓶选择12V/60A或12V/120A为宜，可保证一定的工作时间。

③先安装、连接天线，天线尽可能升高。

④电台频率设置为本地比较少用的一种，要向本地无线电管理委员会咨询或申请，也可以调试选择。

图5.4 电台发射天线

3)电源系统

GNSS接收机和电台可使用同一电源，或采用双电源电池供电。由于基准站电台的发射功率大，耗电量也很大，可使用外接电源。当采用电瓶供电时，建议使用车载电瓶作为电源，如图5.5所示，用电源线连接电瓶时注意正负极，若正负极接反可能会烧坏电台。蓄电池在使用半年至一年后，系统的作用距离会变短，建议更换蓄电池，来保证电台的作用距离。

(2)流动站

流动站(Roving Station)是指在基准站周围的一定范围内流动作业，实时提供所经各测站三维坐标的接收机。流动站包括以下几个部分，分别如图5.6、图5.7和图5.8所示。

图5.5 电瓶

①流动站GNSS接收机

能够观测伪距和载波相位观测值; 通过串口接收基准站的坐标、伪距、载波相位观测值; 能够差分处理基准站和流动站的载波相位观测值。

②流动站电台及接收天线

能够接收基准站观测的伪距和载波相位观测值、基准站坐标。

③电子手簿(手持计算机控制或数据采集器)

建立文件; 建立坐标系统; 输入坐标; 设计工程参数; 设置或调整接收机、电台的有关参数; 设置测量模式的有关参数; 查看卫星信息、接收机文件、内存、电量等。

(3)数据链

RTK系统中基准站和流动站的GNSS接收机通过数据链进行通信联系。因此基准站与流动站系统都包括数据链。

1)数据链由调制解调器和电台组成

①调制解调器(MODEM)是将改正数进行编码和调制，然后输入到电台上发射出去。用户电台将其接收下来，并将数据解调后，送入GNSS接收机进行改正。

②电台是将基准站调制后的数据变成强大的电磁波辐射出去，能在作用范围内提供足够的信号强度，使流动站接收机能可靠地接收。基准站电台因为有发射功能，体积较大，耗电量也较大。发射频率和辐射功率的选择是数据链的重要问题，视作用距离而定。电台所使用的频率和电台功率必须经过国家和当地无线电管理部门批准，使用时可能会受到某些限制。例如GDL25电台频率范围为450～470MHz，DL3数传电台频率范围为438～470MHz。

图5.6 流动站接收机

图5.7 接收天线

图5.8 电子手簿

电台的发射功率与电源的电压有关，功率提高在一定程度上能提升作用范围，但对电池的损耗也会增加。当遇到较强干扰时，也应适当提高发射功率。

2)基准站和流动站数据链的作用

①基准站数据链。基准站的数据通过电缆输出到电台，然后从电台天线发射出去。

②流动站数据链。流动站数据链由电台和电台天线组成，流动站电台一般内置在GNSS接收机内部，流动站天线接收基准站电台发射的数据，然后输入到流动站内进行实时解算。

GNSSRTK作业能否顺利进行，关键因素是无线电数据链的稳定性和作用距离是否满足要求。它与无线电数据链电台本身的性能、发射天线类型、基准站的选址、设备架设情况以及无线电电磁环境等有关。

2.RTK系统安置

(1)基准站部分

1)基准站点位选择

基准站的点位必须严格选择。因为基准站接收机每次卫星信号失锁将会影响系统内所有流动站的正常工作。选择基准站站点主要考虑以下几点:

①基准站GNSS接收机天线与卫星之间应无或少有遮挡物，也即截止高度角应超过15°。截止高度角(Elevation Mask Angle)是为了削弱多路径效应、对流层延迟和电离层延迟等卫星定位测量误差影响所设定的角度值，低于此角度视野域内的卫星不予跟踪。

基准站GNSS接收机最好安置在开阔的地方，周围无信号反射物(大面积水域、大型建筑物等)，以减少多路径干扰。并要尽量避开交通要道、过往行人的干扰。

②用电台进行数据传输时，基准站宜选择在测区相对较高的位置，以方便播发差分改正信号，增加电台的作业半径。用移动通信进行数据传输时，基准站必须选择在测区有移动通信接收信号的位置。当发射功率一定时，电台发射距离随天线高度增加而增加，根据经验，电台发射距离和测站高度的关系可表达为 式中:D为数据链的覆盖范围的半径(Km);h基准站为基准站电台的天线高(m);h流动站为流动站的天线高(m)。

③基准站要远离微波塔、电视发射塔、雷达电视，手机信号发射天线等大型电磁辐射源200m外，要远离高压输电线路、通信线路50m外。

④基准站选在交通方便、地面稳固的地方，有利于点的保存，同时方便以后使用。

⑤基准站接收机天线可安在已知坐标值点上，也可安置在未知点上，视情况而定，两种情况下都必须有一个实地标志点。基准站上仪器架设在已知点上要严格对中、整平。严格量取基准站接收机天线高，量取两次以上，符合限差要求后，记录均值。

2)基准站架设

①安置脚架与基座对点器。在基准站架设点安置脚架，安装上基座对点器，再将基准站主机装上连接器置于基座之上，对中整平。如图5.9所示。(www.xing528.com)

图5.9 连接基座与GNSS接收机

②连接GNSS接收机与GNSS接收机天线。GNSS接收机天线用来接收从卫星传输来的信号。GNSS接收机天线由接收机天线和前置放大器组成，天线将GNSS卫星信号极微弱的电磁波转化为电流，前置放大器则将电流信号进行放大处理，增强信号强度，便于接收机对信号进行跟踪和处理。有些GNSS接收机部分与天线部分分离，这就需要连接二者，现在大部分的GNSS集接收机和天线于一体。

③连接GNSS接收机与电台。将电台挂在脚架的一侧，通过电源电缆一端(红色)与接收机底部相应接口相连，一端(蓝色)与电台相应接口相连，主机和电台上的接口都是唯一的，在接线时必须红点对红点，拔出连线接头时一定要捏紧线头部位，不可直接握住连线强行拔出。正常工作时，GNSS接收机接收卫星信号，将接收到的差分信号通过电台发射给流动站。如图5.10所示。

5.10 连接电台与GNSS接收机

④连接电台与电台天线。基准站电台要有天线才能传输GNSS接收机的原始数据。电台天线通过发射天线电缆连接到电台，连接发射天线的一端有对中杆接口，可以将发射天线固定于对中杆上，另一端可用卡口与电台相连，如图5.11和图5.12所示。

图5.11 电台连接天线与接收机细部图

图5.12 连接电台天线与电台

只要电缆长度足够，电台天线可架设在基准站点附近的任何位置。发射天线最好远离基准站主机3m以上，这样可避免设备之间的相互干扰。电台数据发射的距离取决于电台天线架设的高度与电台发射功率。一般电台天线架设在GNSS天线三脚架上，通过增大电台发射功率和增加发射天线的高度的办法，能较好提高电台的作用距离，流动站在基准站周围作业的范围将会增大。

⑤连接电源与GNSS接收机和电台。GNSS接收机和电台可使用同一电源，通常采用多用途电缆将外接电源(电瓶)、接收机和电台相连，连接时注意接口不要连错。对基准站GNSS接收机供电的方式有两种，一种是使用内置电池，这样不需要电缆，只要把电池插入接收机就可以; 另一种情况是，如果基准站需要自动运行且时间较长，可与电台共用同一外接电源，使用外接电源时可接收机不再配置内置电池。如图5.13所示。

图5.13 多用途电缆

⑥连接电子手簿与GNSS接收机。为了使基准站启动并正常工作，采用电子手簿对基准站接收机进行。由于基准站设置次数较少，一般与流动站共用一个手簿，基准站设置好后电子手簿转给流动站使用。电子手簿与GNSS接收机可用通信电缆连接，也可使用蓝牙进行无线连接。如图5.14所示。

图5.14 连接手簿与接收机

确保GNSS接收机、GNSS天线、电台、电台天线、电源等连接正确无误后再连接电源，以防烧坏设备。在设备使用过程中，若要拔插连接电缆，尤其是连接GNSS接收机的接口的连接电缆，为了避免由于带电拔插对终端和电台的损坏，务必关闭所有连接设备的电源，若不便于关闭全部设备的电源，至少要关闭一方的电源，以减少串口损坏的可能性。

(2)流动站安置

1)流动站位置选择

图5.15 流动站连接

RTK测量流动站不宜在隐蔽地带、成片水域和强电磁波干扰源附近观测。在信号受影响的点位，为提高效率，可将仪器移到开阔处或升高天线，待数据链锁定后，再小心无倾斜地移回待定点或放低天线，一般可以初始化成功。在穿越树林、灌木林时，应注意天线和电缆勿挂破、拉断，保证仪器安全。

2)流动站架设

流动站GNSS接收机安置在一根碳纤对中杆上，该杆可精确地在测点上对中、整平。量测和记录GNSS接收机天线高，对卫星的观测是相对于GNSS接收机天线的中心点。利用天线高可将天线中心点位置归算到地面测点上。天线高也可固定一般为2m。

安置电台和电台天线，如果流动站外置电台，电台天线安置在外置电台上。现在流动站电台都内置在GNSS接收机里，流动站电台天线只用来接收信息，所以不用太长。将手簿使用托架夹在对中杆的适合位置。电子手簿与GNSS接收机连接可使用电缆进行连接，也可进行蓝牙无线连接。如图5.15所示。

当基准站和流动站接收机按照上面的步骤安装完毕后，对连接部分进行检查，看是否连接可靠，完整无误后即可启动RTK系统。安置好的RTK系统如图5.16所示。

3.RTK系统启动

(1)基准站启动

1)基准站架设点要求

基准站架设点可以架在已知点或未知点上，这两种架法都可以使用，但在校正参数时操作步骤有所差异。基准站接收机在设站点上启动可采用自启动和手动启动两种方式，自启动时，启动时需要设站点在GNSS系统坐标系下的坐标，如GNSS系统下的WGS-84坐标。当采用手动进行启动时分为基准站在已知点和在未知点上两种方式。

①当基准站架设在已知点上时，通过电子手簿输入点的WGS-84坐标，进行启动。WGS-84坐标可以通过布设好的静态控制网，从静态处理结果中获取。

②基准站架设在未知点上时，使用GNSS接收机进行单点定位测量出基准站所在位置的点的WGS-84坐标，在电子手簿上使用该坐标进行基准站启动。

2)基准站启动

图5.16 南方测绘S82GNSSRTK系统组成

打开基准站接收机，主机上只有一个操作按钮(电源键)，轻按电源键打开主机，进入动态测量模式，主机开始自动初始化和搜索卫星，接收机是否正在观测卫星，这可以使用掌上电脑运行的“电子手簿应用软件”来完成。当卫星数和卫星质量达到要求后(大约1mim)，主机上的DL指示灯开始5s钟快闪2次，表明基准站开始正常工作。

南方RTK基准站都具备自动发射和手动发射两种启动方式，通常使用基准站自动发射方式，这样可以灵活的安排基准站和移动站之间的工作，比如在施工时基准站和移动站分开同时进行，这种方式可以大大缩短架设基准站的时间，特别是在当基准站和移动站距离远，交通不变的情况下使用更为方便。

在打开主机后，就可以打开电台。轻按电台上的“ON/OFF”按钮打开电台，当主机上的DL指示灯开始5s钟快闪2次时，同时电台上的TX指示灯会开始每秒钟闪1次。这时，整个基准站部分开始正常工作。电台后面有个扳手，是高低功率转换的，高功率为H (High)，低功率为L(Low)。

(2)移动站启动

1)打开接收机

轻按电源键打开主机，主机开始自动初始化和搜索卫星，当达到一定的条件后，主机上的DL指示灯开始1s钟闪1次(必须在基准站正常发射差分信号的前提下)，表明已经收到基准站差分信号。

2)移动站初始化

流动站进行任何测量工作之前，首先必须进行初始化工作。初始化(On-The-Fly)是接收机在定位前确定整周未知数的过程。这一初始化过程也被称做RTK初始化、整周模糊度解算、OTF(On-The-Fly)初始化等。

在初始化之前，流动站系统只能在较高的精度下计算位置坐标，其精度在0.15～2m之间。初始化就是要求解整周模糊度的过程，这对于流动站系统是必不可少的工作。一量初始化成功，流动站将以预定的精度(cm级)工作，除非整周模糊度丢失。初始化状态与当前的精度水平均可在电子手簿上的RTK应用软件获取。

有的类型接收机的初始化过程是自动进行，如Ashtech接收机; 也有的类型接收机的初始化过程要手动来启动，如华测GNSS接收机、Trimble GNSS接收机。初始化所需时间与当时流动站周围是否有遮挡物、当时接收机是否观测到足够卫星数、距基准站的距离有关。如果测站点没有遮挡物影响，且能观测到至少5颗卫星，通常可在5秒钟内完成初始化。

测量点的类型有单点解(Single)、差分解(DGNSS)、浮点解(Float)和固定解(Fixed)。浮动解是指整周模糊度已被解出，测量还未被初始化。固定解是指整周模糊度已被解出，测量已被初始化。只有当流动站获取到了固定解后初始化过程才完成。

RMS是均方根(Root Mean Square)。用来表示点的测量精度。它是在大约70%的位置固定点内的误差圆半径。它可用距离单位或波长周数表示。RTK的定位精度一般要求为平面精度是10mm+2ppm，高程精度是20mm+2ppm; 只有流动站的定位精度满足作业要求后，才能进行RTK测量工作，一般RMS数值可在手簿RTK应用软件中获取。

3)打开电子手簿

按住＜ENTER/ON＞至少1s，即可打开。南方S82电子手簿内置RTK工程之星测量软件，要使流动站能够进行正常作业，还需对工程之星软件进行一系列设置。

4)工程之星软件设置

①启动工程之星软件，用光笔双击手簿桌面上“工程之星”，即可启动。工程之星快捷方式一般在手簿的桌面上，如手簿冷启动(扣去电池)后则桌面上的快捷方式消失，这时请按路径: 我的设备→Setup→ERTKPro2.0.exe安装。如图5.17所示。

图5.17 工程之星操作菜单

②启动软件后，软件一般会自动通过蓝牙和主机连通，也可使用通信线连接手簿与接收机。蓝牙模块内置在手簿当中，如果没连通则首先需要进行设置蓝牙(设置→连接仪器→连接方式→选中“输入端口: 7”→点击“连接”)。在首次使用蓝牙连接时，需要对蓝牙进行配置，可通过“开始→设置→控制面板→电源→内建设配→启用蓝牙无线”启动蓝牙无线，然后“开始→设置→控制面板→Bluetooth设备属性→蓝牙管理器”，打开蓝牙管理器后搜索移动站主机号，选择对应的移动站主机后点“服务组”按钮，对服务组对话框里“ASYNC”数据项双击后，弹出“活动”、“发送”、“加密”、“认证”四个选项，选择“活动”后“ASYNC”端口变为“COM7”，点OK关闭所有窗口。打开工程之星软件，会出现“端口打开失败，请重新连接”的提示，此时点OK，然后选择“设置”→“连接仪器”，选择“输入端口”后点击连接，即可实现蓝牙连接，此时手簿状态栏处有数据显示，接收机蓝牙灯也会变亮。

③软件在和主机连通后，软件首先会让移动站主机自动去匹配基准站发射时使用的通道。如果自动搜频成功，则软件主界面左上角会有差分信号在闪动，并在左上角有个数字显示，要与电台上显示一致。如果自动搜频不成功，则需要进行电台设置(设置→电台设置→在“切换通道号”后选择与基准站电台相同的通道→点击“切换”)。另外，为了流动站能收到基准站发过来的差分改正数据，还需要流动站差分数据格式需要和基准站发送的差分格式一致，这是需要对移动站进行设置(设置→移动站设置)，默认的差分数据格式为:RTCA，同时软件提供另外两种数据格式为RTCM、CMR。只要保持基准站和移动站的数据通信格式是相同的，仪器设置就是正确的，推荐客户在使用工程之星时把差分数据格式设为RTCA。

④在确保蓝牙连通和收到差分信号后，开始新建工程(工程→新建工程)。

⑤进行参数计算。详细参数计算过程参考下一节内容。

⑥采集数据或放样。将对中杆对立在需测的点上，当软件界面的状态达到“固定解”时，利用快捷键“A”开始保存数据。此时需要输入点名和天线高。按B键两次为查看本工程所采集的所有测量点坐标。在选“直高”时天线高为2.065m，在选“杆高”时天线高为2m。

⑦数据传输。在野外采集的数据都自动保存在手簿的“我的电脑→Flash Disk→Jobs”中。我们需要的测量成果文件是以dat为后缀的文件，此文件自动存储在我们新建工程名文件下的DATA文件中。

传输前要做“文件输出”，把文件中多余信息过滤掉，方法为将“工程之星”软件打开，选择“工程”菜单下的“文件输出”，选择文件格式(“Pn”为点名，“Pc”为属性)，然后选择“源文件”，即要转换的文件(只能转换当前工程下的文件)，再点击“目标文件”，输入一个文件名保存，这个文件名不能与源文件同名，最后点“转换”，在提示转换成功后，退出工程之星。再把手簿与电脑连起来，把我们新建的文件全部拷贝到计算机上，用记事本打开*.dat的文件名。