从RTK至RTX揭示高精度大众化应用的奥秘

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从RTK至RTX揭示高精度大众化应用的奥秘

曹 冲

高精度大众化应用走过什么样的发展之路，其中的奥秘究竟是什么？值得认真了解和思考，这就是摆脱具体参考站的局域性限制，成为全球性高精度改正服务。卫星导航应用一开始，具有高精度和标准精度之分，主要是以单频与双频工作，或者是军用和民用为分野。而其误差来源，主要有：卫星轨道误差、星钟时钟误差、大气传播误差、设备信道误差，以及卫星空间几何分布误差等。大气中的电离层误差往往是具有明显的不确定性，而且有可能成为重大误差，所以利用双频设计的目的就是为了消除电离层的影响。

美国天宝公司历来是以高精度应用的行业指向标著称，仅仅以双频接收机获得高精度是不足以在行业内成为翘楚，从静态走向动态，发明了以参考站为中心的实时动态（Real-Time Kinematic，RTK）测量。第一个商用的GPS RTK产品是1993年发布的。从此，RTK技术得到了广泛的多种多样的应用，如测绘测量、机械控制和精准农业。通常的RTK提供厘米级精度，初始化时间为数秒。但是其明显的局限性是需要有就近的基础设施加以支撑，这些基础设施就是单个参考站和无线电数据链，或者是网络RTK（虚拟参考站系统，VRS），是多个参考站组成的观测网络和互联网组合，也就是个中央数据中心和与用户连接通信链路。基于单基站，或者网络RTK的情况下，基准参考站与移动用户机之间的距离，一般不会超过100公里。

过去的十余年间，许多研究人员致力于精密单点定位（PPP）技术，将其作为基于参考站的RTK的替换技术，采用PPP的GNSS定位，是利用卫星精密轨道和精密时钟信息，而不是从单个或者多个参考站获得精密改正数据。在早先的PPP技术应用中，PPP提供的解决方案典型的定位精度，在水平面内优于10厘米，该技术的问题是获得求解的收敛时间过长，往往需要数十分钟，有时因为空间卫星几何分布和大气状态条件的限制，收敛时间会达到数小时。漫长的初始化时间限制了PPP技术作为实用的定位方法和行之有效的可用性技术。但是，通过近些年来的研究开发，类似PPP解决方案取得长足进步，参考站稀少地区的网络RTK性能也得到提高。依托卫星提供的全球卫星星历和卫星星钟改正数，在没有直接使用参考站基础设施条件下，天宝公司的中心点RTX（Real Time eXtended）可以实时提供厘米级的泛在定位解决方案。关键是采用了GNSS多星座定位技术、改进了网络化RTK处理技术，利用多样化最佳化的通信传输技术，以及完善了移动接收机的RTK定位算法。

图1. 天宝公司的中心点-RTX的基础设施示意图

与此同时，终端接收机芯片的工艺和技术水平的不断提高，使得高精度大众化应用具备了基本的物质条件，因此在2011年中期，天宝公司就提出了RTX的概念。并且通过GPS、GLONASS和QZSS组合，将其作为一种实时动态应用向外提供厘米级精度的服务。首先推广的是RTX-PP（后处理）产品。那些年及近年来，类似的工作在许多公司和研究机构均在开展，主要目标不在于提高精度，因为精度几近于极限，所以重点致力于提高冷启动条件下的求解载波相位整周模糊度的收敛时间。当年的RTX-PP显著特点是使用多星座GNSS支持，求解整周模糊度的收敛时间缩短到15分钟。从而将这种服务用在静止测量30分钟，将能够实现GNSS绝对静态定位精度水平与垂直分别达到1厘米和2.5厘米，而动态定位精度分别达到1.5厘米和2.5厘米。

图2. 天宝公司中心点RTX使用的全球参考站网全球分布

全球参考站网的接收机观测数据，以1Hz的信息流发送给美国与欧洲的数据处理中心，并且通过多重冗余服务计算精密轨道和精密时钟信息及其改正量估算，形成数据压缩帧，也用1Hz更新率再发给全球用户。现在轨道、时钟和电离层等改正数的发布传输方式，可以是多种多样的，可以是卫星链路、移动通信电路，或者互联网形式。

天宝公司的GNSS RTX改正技术，已经能够提供了两种厘米级的精度，作为范围广泛的定位应用。而且针对不同的用户需求，可以提供厘米级、分米级、亚米级精度的分级服务，使其成为当今最通用的高精度定位服务商之一。天宝公司通过提供连接物理世界和数字世界的产品和服务来改变世界。定位、建模、连接和数据分析方面的核心技术，使客户能够提高生产力、质量、安全性和可持续性。天宝公司软件、硬件和数据改正服务，正在改变农业、建筑、无人系统、地理空间信息，与运输和物流等行业经营发展模式。

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