基于RTK技术的靶场大地测量系统设计应用

李 平，宋修元，魏天虎，李 慧，王伟志

（1.北方自动控制技术研究所，太原 030006；2.北京奥博泰科技有限公司，北京 100070；3.哈尔滨建成集团有限公司，哈尔滨 150030）

基于RTK技术的靶场大地测量系统设计应用

李 平1，宋修元1，魏天虎2，李 慧3，王伟志2

（1.北方自动控制技术研究所，太原 030006；2.北京奥博泰科技有限公司，北京 100070；3.哈尔滨建成集团有限公司，哈尔滨 150030）

针对点位坐标、距离和方向的靶场试验应用需求，基于RTK（Real Time Kinematic）技术设计了一套靶场大地测量系统。系统采用固定站+移动站方式设计，移动站可以在固定站配合下进行测量，也可以单独进行测量。既能满足点位坐标、距离、方位角高精度的测量需要，又能满足多种坐标测量和实时测量的靶场应用需求。

RTK，大地测量，靶场测量

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

现代靶场试验中经常完成以下测量任务：装甲车辆的定位定向检验，指控系统的定位导航检验，着弹点精度试验等。这些测量项目都需要测量点位坐标、距离、方位角。点位坐标、距离和方向是靶场试验的重要基础测量，基于RTK技术针对点位坐标、距离和方向的靶场试验应用需求设计一套靶场大地测量系统。

1 实时载波相位差分定位原理

1.1 卫星定位原理

卫星定位的基本原理是利用接收机同时接收4颗卫星发射出来的无线电信号中的测距信号，测算出接收机该时刻与这4颗卫星的距离（伪距）。从而利用无线电信号中的导航电文中卫星位置信息与这4颗卫星间的距离，便可以求出该时刻接收机的位置。

卫星定位系统已在大地测量领域得到了广泛的应用，全球卫星定位系统目前有4种，美国全球定位系统GPS、中国北斗导航Compass、欧盟伽利略系统Galileo和俄罗斯格洛纳斯Glonass，目前在国内测绘领域应用卫星定位系统主要是GPS和北斗双系统。

1.2 差分定位

差分技术很早就被人们所应用。比如相对定位中，在一个测站上对两个观测目标进行观测，将观测值求差；或在两个测站上对一个目标进行观测，将观测值求差；或在一个测站上对一个目标进行两次观测求差。其目的是消除公共误差，提高定位精度。利用求差后的观测值解算两观测站之间的基线向量，这种差分技术已经用于静态相对定位。

这里所讲述的差分卫星定位技术是将一台接收机安置在基准站上进行观测。根据基准站已知精密坐标，计算出基准站到卫星的距离改正数，并由基准站实时地将这一改正数发送出去。用户接收机在进行GPS观测的同时，也接收到基准站的改正数，并对其定位结果进行改正，从而提高定位精度。

①卫星定位误差分析。卫星定位中，存在着3部分误差：一是多台接收机公有的误差，如：卫星钟误差、星历误差；二是传播延迟误差，如：电离层误差、对流层误差；三是接收机固有的误差，如：内部噪声、通道延迟、多路径效应。采用差分定位，可完全消除第1部分误差，可大部分消除第2部分误差（视基准站至用户的距离）。

②卫星差分定位比较。目前，应用广泛的差分定位技术有实时伪距差分定位（RTD）、实时载波相位差分（RTK）和事后差分等。表1给出了几种差分定位技术的对比。

对比分析以上3种差分定位技术，实时载波相位差分（RTK）适合靶场大地测量的应用。

③实时载波相位差分。RTK技术是以载波相位测量与数据传输技术相结合的以载波相位测量为依据的实时卫星差分测量技术，是卫星测量技术发展里程中的一个标志，是一种高效的定位技术。

实时动态卫星差分系统主要包括3个部分：基准站、流动站和数据链。在RTK作业模式下，基准站接收机设在具有已知坐标的参考点位上，连续接收所有可视卫星信号。流动站先进行初始化，完成整周未知数的搜索求解后，进入动态作业，基准站将测站点坐标、载波相位观测值、伪距观测值、卫星跟踪状态及接收机工作状态等通过无线数据链一起发送给流动站。

流动站在接收来自基准站的数据时，同步观测采集卫星载波相位数据，通过在系统内差分处理求解载波相位整周模糊度，得到基准站和流动站之间的坐标差值ΔXΔYΔZ，坐标差加上基准站坐标就可以得到流动站点的WGS84坐标，通过坐标转换和参数转换，得出流动站每个站点的平面坐标XY和海拔高H。

2 靶场大地测量系统组成及工作原理

靶场大地测量系统由固定站和移动站组成。固定站为1台RTK基准站，固定在靶场已知坐标的标准点上。移动站为移动测量车，装配有2台RTK主机和1台全站仪，2台RTK主机可以设置为2台RTK流动站与系统固定站RTK基准站进行RTK组网测量。2台RTK主机也可以分别设置为RTK基准站和RTK流动站进行RTK组网测量，脱离系统固定站工作。

全站仪使用2台RTK主机站获得的点位坐标作为起始边，可计算出观测范围内任意测量的点位坐标。系统可根据高精度的点位坐标计算任意两点的距离和方向角。

2.1 靶场大地测量固定站组成及工作原理

固定站为1台RTK基准站，固定在靶场已知坐标的标准点上，通过GPS北斗卫星定位并发射载波相位信息。

RTK基准站由RTK基准站主机和外接大功率电台组成，RTK基准站主机由GPS北斗接收板卡、STM32微处理器、LCD显示屏和电源及天线等组成，RTK基准站组成关系如下页图1所示。

RTK基准站的工作原理：GPS北斗接收板卡接收GPS北斗卫星信号，并接收所有GPS北斗卫星的RTK改正数据，然后按照RTCM的标准格式通过串口发送给大功率PDL数传电台，大功率PDL数传电台将RTK改正数据发送给RTK流动站，供其进行实时载波相位差分定位。STM32微处理器负责配置GPS北斗接收板卡和大功率PDL数传电台以及整个工作流程的控制。LCD触摸屏是RTK基准站主机的输入输出接口，可通过其输入标准点数据和配置信息，同时显示RTK基准站的运行状态和测量数据等信息。

因为RTK基准站向外发射数据，为了保证通信距离，扩大RTK的作用范围，故采用外置的大功率PDL数传电台向外发送，并且尽可能将电台天线架高。系统实际选用了具有5 W和35 W两档功率的PDL数传电台，并将发生天线架设在50 m高的铁塔上，当RTK流动站采用内置2 W数传电台时，RTK流动站可在20 km内接收RTK基准站发送的RTK改正数进行实时载波相位差分定位。RTK基准站主机如图2所示。

2.2 靶场大地测量移动站组成及工作原理

移动站为移动测量车，装配有2台RTK主机和1台全站仪，2台RTK主机可以设置为2台RTK流动站与系统固定站RTK基准站进行RTK组网测量。2台RTK主机也可以分别设置为RTK基准站和RTK流动站进行RTK组网测量，脱离系统固定站工作。

全站仪使用2台RTK主机站获得的点位坐标作为起始边，可计算出观测范围内任意测量的点位坐标。系统可根据高精度的点位坐标计算任意两点的距离和方向角。

①RTK主机组成及工作原理。RTK主机与RTK基准站主机组成类似，主要有两方面区别，一方面由于RTK主机主要接收RTK改正数据，为了减小设备体积，延长电池使用时间，没有采用外置的大功率PDL数传电台，而采用发射功率2 W，接收功率0.3 W的内置数传电台；另一方面为了方便野外作业，RTK主机没有采用电源供电而采用电池供电。RTK主机由GPS北斗接收板卡、STM32微处理器、LCD显示屏、数传电台和电池及天线等组成，RTK主机组成关系如图3所示。

图3 RTK主机组成示意图

RTK主机用户可以通过软件界面配置为RTK基准站或RTK流动站，当系统移动站与固定站进行联合测量时，2台RTK主机与固定站RTK基准站进行RTK组网测量时，2台RTK主机配置为RTK流动站。当系统移动站脱离系统固定站单独测量时，1台RTK主机配置为RTK基准站，1台RTK主机配置为RTK流动站，进行RTK组网测量。

RTK主机作为RTK基准站时，其工作原理与固定站的RTK基准站工作原理相同，只是内置电台功率小于外置电台，RTK作用距离变小。系统移动站的RTK主机作为RTK基准站时，实际的左右距离为5 km。

RTK主机作为RTK流动站的工作原理：GPS北斗接收板卡接收GPS北斗卫星信号，并接收RTK基准站发送的RTK改正数据，进行实时载波相位差分定位，从而获得高精度点位坐标。STM32微处理器负责配置GPS北斗接收板卡和数传电台以及整个工作流程的控制。LCD触摸屏是RTK流动站主机的输入输出接口，可通过其设置RTK流动站的工作模式和配置信息，同时显示RTK流动站的运行状态和测量数据等信息。

RTK流动站在收到RTK基准站发送的RTK改正数时，可进行实时载波相位差分定位。当无法接收RTK基准站发送的RTK改正数时，可进行单点定位测量点位坐标。系统在RTK组网测量时，测量点位坐标精度为1 cm，单点定位时，测量点位坐标精度为1 m。RTK主机实物图如图4所示。

图4 RTK主机实物图

②全站仪选型及使用原理。全站仪使用2台RTK主机获得的点位坐标作为起始边，可计算出观测范围内任意测量的点位坐标。

全站仪选用日本拓普康GPT-7501型全站仪，该全站仪测角精度为1 s，无合作目标测距量程为2 000 m，测距精度为2 mm。

全站仪使用时需要将全站仪与1台RTK主机天线同轴架设（通过设计连接机构保证，这样通过RTK主机即可获得全站仪的位置坐标），先观察另一台RTK主机，然后将水平角读数清零，再旋转全站仪将观测测量目标点，记录下此时水平角读数和到测量目标点的距离，再结合两个2台RTK主机之间的方向角和全站仪的点位坐标，即可计算出测量目标点的点位坐标。

3 靶场大地测量系统应用

3.1 RTK流动站测量点位坐标

靶场应用测试条件允许，可以将RTK流动站测量天线直接架设在测量点时，可打开固定站的RTK基准站，然后将移动站的RTK主机设置为RTK流动站，将其天线架设在测量点上，进行RTK组网测量，直接通过RTK流动站测量出测量点的点位坐标等信息。RTK流动站测量显示界面如图5所示。靶场的多数测试都具备条件将RTK流动站测量天线直接架设在测量点上。

3.2 RTK流动站与全站仪联合测量点位坐标

靶场应用时，有些情况不具备将RTK流动站天线架设在目标点上，此时就需要RTK流动站和全站仪联合测量目标点点位坐标。

将1台RTK主机设置为RTK流动站，1台RTK主机设置为RTK基准站，将全站仪与RTK基准站天线同轴架设。

图5 RTK流动站测量显示界面

首先，观测RTK基准站显示界面记录RTK基准站到RTK流动站的方向角。其次，水平转动全站仪观测RTK流动站，然后将水平角读数清零。再次，水平转动全站仪观测测量目标点，记录此时水平角读数和到测量目标点的距离。最后，结合全站仪的点位坐标，根据上述RTK基准站到RTK流动站的方向角、全站仪水平角读数和到测量目标点的距离，使用极坐标法即可计算出测量目标点的点位坐标。

4 靶场大地测量系统使用与测试

4.1 RTK组网测量操作流程

RTK组网测量操作流程如图6所示。

图6 RTK组网测量操作流程

表2 RTK测得坐标数据和5″网坐标数据对比

4.2 靶场大地测量系统测试

靶场大地测量系统在5″网上，选择了6个标准点进行了测试，测试时，采用固定站和移动站联合测试，将移动站的1台RTK主机设置为RTK流动站，与固定站的RTK基准站进行RTK组网测量，测量数据如表2所示。根据表2，计算各个点的位置误差和平均误差，位置误差计算位置误差结果如下：

KD012位置误差为0.019 m；KD013位置误差为0.022 m；KD014位置误差为 0.014 m；KD022位置误差为 0.021 m；KD032位置误差为 0.010 m；KD033位置误差为0.014 6 m。

比较上述数据，系统测量最大位置误差为0.022 m。

5 结论

系统在5″网上进行了测试，分析测试数据可知，系统测量精度＜0.03 m。系统既能满足点位坐标、距离、方位角高精度的测量需要，又能满足多种坐标测量和实时测量的靶场应用需求。

［1］刘基余.GPS卫星导航定位原理与方法［M］.北京：科学出版社，2003.

［2］孔祥元，郭际明，刘宗泉，等.大地测量学基础［M］.武汉：武汉大学出版社，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，山东荣城人，高级工程师。研究方向：军品检测。