CN111538044B - 低成本rtk接收机定位精度测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种一套完整、通用的衡量低成本RTK接收机的定位精度、定位性能以及服务的稳定性等性能的测试方法。本方法利用已有差分处理软件结合参考站观测数据计算出各个点位的精确坐标，进而求得各个RTK接收机之间的相对距离，有效避免了在运动过程中真值的动态求解，同时借鉴了静态定位过程中内外符合定位的评定方法，通过将坐标方向的变化引申为各接收机之间的相对距离的影响，采用距离均方根误差求解内外符合精度可有效判定测量结果的稳定性与准确性。在数据处理方面采用多RTK接收机构成的网形，进行网平差解算，不仅有效判断出在动态测量过程中出现的粗差，而且网平差求出的实时点位坐标可以作为接收机实时动态测量结果好坏的依据。

Description

低成本RTK接收机定位精度测试方法

技术领域

本发明涉及导航定位领域，尤其是低成本RTK接收机定位精度测试方法。

背景技术

RTK定位技术是利用基准站与流动站同时接收观测到的卫星数据，基准站将自身的观测数据与精确坐标通过电台的方式实时传送给流动站，流动站利用自身的观测数据与接收到的基准站观测数据进行相对定位解算，实时求解出流动站的高精度定位坐标。

目前RTK定位技术已相当成熟，而高精度RTK终端设备是影响RTK定位精度的关键设备，之前在高精度RTK定位精度设备上，我国主要依靠进口，这就造成设备的价格较高。随着我国在RTK定位终端制造领域取得的突破性进展，能够自主研发与制造，摆脱了关键部件依靠进口的窘迫境地，高精度RTK终端设备的价格较以前也得到了大幅降低，在定位精度以及性能方面也得到了很大的提高，可即便如此，RTK技术广泛应用于大众还有很长一段路要走。这是由于采用传统高精度RTK定位终端虽然精度较高，但是其体积与价格较为昂贵不便于大幅度推广。

而低成本RTK终端价格低廉，主要面向的是大众用户，因此随着全球GNSS技术的快速发展，基于低成本高精度的RTK定位是今后发展的大势所趋。但是低成本RTK定位终端单点定位水平定位精度在5-10米左右，其无法满足一些高精度定位领域的需求。同时，低成本RTK的定位精度、稳定性如何是人们比较关心的问题。

各个厂商对芯片的定位精度以及性能方面都给出了一些具体指标，但是未给出具体测试方法。因此，如何对导航芯片的定位性能进行科学评价是很关键的一环。对于静态定位其各项指标很容易得出，采用RTK静态测试方式即可。而对于动态实时定位的精度尚未形成一套完善的测试方法，不少厂商以设备的模糊度固定率、浮动解以及差分解的占比作为衡量设备的定位标准，将低成本终端定位结果与RTK定位结果加载在百度、高德等地图软件运行轨迹来做判断，这些举措并非完全科学，因为高精度位置采用高精度地图相匹配才能凸显其价值，目前高精度地图未得到普及并且难以获取。因此，对于动态实时定位的精度需要制定出一套科学的评价标准。

发明内容

本发明的目的就是为了解决现有技术中存在的上述问题，提供一种低成本RTK接收机定位精度测试方法。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

低成本RTK接收机定位精度测试方法，包括如下步骤：

S1，在移动设备上安装低成本RTK接收机、至少两台高精度RTK接收机，其主要目的是形成对比试验分析；

S2，设置低成本RTK接收机及高精度RTK接收机的工作参数；

S3，静态采集低成本RTK接收机及高精度RTK接收机的观测数据；

S4，利用已有分析软件及移动设备附近的参考站观测数据进行内业数据处理，求解出低成本RTK接收机及高精度RTK接收机的高精度坐标；

S5，将S4步骤求出的高精度坐标投影至当地的高斯平面坐标，求出高精度RTK接收机之间及高精度RTK接收机与低成本RTK接收机之间的平面距离以及每个RTK接收机的相对大地高；

S6，移动设备按照预定的路线及速度行驶，采集每个低成本RTK接收机及高精度RTK接收机的实时动态定位坐标；

S7，分别求解出低成本RTK接收机与高精度RTK接收机在共视时间段内的平面距离及它们的相对高程，计算出平面距离与相对高程的内符合精度与外符合精度。

优选的，所述的低成本RTK接收机定位精度测试方法中，所述S1中，所述低成本RTK接收机为至少两台，它们与高精度RTK接收机成多边形分布。

优选的，所述的低成本RTK接收机定位精度测试方法中，所述S1中，所述低成本RTK接收机采用低成本RTK接收机导航天线及高精度天线。

优选的，所述的低成本RTK接收机定位精度测试方法中，所述S3中，将移动设备移动至空旷的位置进行静态数据采集，静态数据采集的时间在0.5-3h之间。

优选的，所述的低成本RTK接收机定位精度测试方法中，所述S4中，参考站为北斗地基增强参考站。

优选的，所述的低成本RTK接收机定位精度测试方法中，所述S5中，按照如下公式进行坐标转换，

其中，角度均为弧度，B为纬度，l＝L-L₀，L为点的经度，L₀为中央子午线经度；N为子午圈曲率半径，

t＝tanB，η²＝e′²cos²B；X为子午线弧长，根据公式(3)进行计算：

a₀,a₂,a₄,a₆,a₈为基本常量，根据公式(4)进行计算：

式中：m₀,m₂,m₄,m₆,m₈为基本常量，根据公式(5)计算：

优选的，所述的低成本RTK接收机定位精度测试方法中，所述S6中，移动设备的移动速度在25km/h-50km/h之间。

优选的，所述的低成本RTK接收机定位精度测试方法还包括

S8，根据网平差解算结果对各RTK接收机的实时动态定位坐标进行质量检验，包括:

S81，至少使低成本RTK接收机能存储原始观测数据；

S82，将低成本RTK接收机采集的动态原始观测数据进行后处理解算，得到低成本RTK接收机在各时刻的精确定位坐标；

S83，将低成本RTK接收机的实时动态定位坐标与后处理解算得到的结果进行比对分析以反映低成本RTK接收机的实时动态定位精度。

优选的，所述的低成本RTK接收机定位精度测试方法中，

所述S81中，使高精度TRK设备能够存储原始观测数据；

所述S82中，还包括将高精度RTK接收机采集的动态原始观测数据进行后处理解算，得到高精度RTK接收机在各时刻的精确定位坐标；

所述S83中，将高精度RTK接收机的实时动态定位坐标与后处理解算得到的结果进行比对分析以反映高精度RTK接收机的实时动态定位精度。

优选的，所述的低成本RTK接收机定位精度测试方法还包括S9,利用ArcGIS软件加载高精度地图，将各RTK接收机采集的实时动态定位坐标投影至高精度地图上，直观观察各设备在高精度地图上的显示情况。

本发明技术方案的优点主要体现在：

本发明提出一种利用已知的先验信息来衡量低成本RTK接收机的定位精度、定位性能以及服务的稳定性等方面的方案，给出了一套完整、通用的测试方法。本方法先利用已有差分处理软件结合参考站观测数据计算出各个点位(RTK接收机)的精确坐标，进而求得各个RTK接收机之间的相对距离，有效避免了在运动过程中真值的动态求解，在数据处理方面采用多RTK接收机构成的网形，进行网平差解算，不仅有效判断出在动态测量过程中出现的粗差，而且网平差求出的实时点位坐标可以作为接收机实时动态测量结果好坏的依据；同时借鉴了静态定位过程中内外符合定位的评定方法，通过将坐标方向的变化引申为各接收机之间的相对距离的影响，采用距离均方根误差求解内外符合精度可有效判定测量结果的稳定性与准确性。

本方法采用高精度RTK接收机和低成本RTK接收机联合组网，可以有效地进行数据的比对分析，避免误差；同时低成本RTK接收机连接不通抗干扰性能的天线，能够有效地分析出天线性能对定位精度的影响。

本方法利用北斗地基增强参考站，基础数据的精确度更高、稳定性更好，有利于保证接收机静态定位的精度，从而为后续分析提供良好的基础数据。

通过对车辆移动速度的设置，能够有效保证动态实时动态定位坐标的稳定性和可靠性。

本方法不仅保留RTK测试过程中的各项指标及在测试过程中实时给出各个点位的实时动态定位坐标，而且实时保存各个RTK接收机的原始观测数据以便于后处理得到精确的定位信息以对实时动态定位坐标进行比对。

本方法最后将实时点位坐标投影至高精度地图上能够直观观察定位效果并进行验证。

附图说明

图1是本发明的第一实施例的流程示意图；

图2是本发明的第二实施例的流程示意图。

具体实施方式

本发明的目的、优点和特点，将通过下面优选实施例的非限制性说明进行图示和解释。这些实施例仅是应用本发明技术方案的典型范例，凡采取等同替换或者等效变换而形成的技术方案，均落在本发明要求保护的范围之内。

在方案的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。并且，在方案的描述中，以操作人员为参照，靠近操作者的方向为近端，远离操作者的方向为远端。

下面结合附图对本发明揭示的了低成本RTK接收机定位精度测试方法，可作为低成本RTK接收机定位性能评估的依据，其包括如下步骤：

S1，在移动设备上安装低成本RTK接收机、至少两台高精度RTK接收机及天线，将每台低成本RTK接收机与所选天线连接。

具体是在一可移动的车辆的顶部的左右两侧分别固定低成本RTK接收机及高精度RTK接收机，所述低成本RTK接收机的数量为至少两个，本实施中所述低成本RTK接收机及高精度RTK接收机均以两个为例进行说明，四个RTK接收机呈四边形分布，优选为矩形分布，即它们位于矩形的四个顶点位置。在每个RTK接收机的下侧利用磁铁分别固定导航型天线并连接，其中两个低成本RTK接收机连接的天线选用不同类型的天线，即一个低成本RTK接收机连接的普通车载导航天线，另一个低成本RTK接收机连接的天线为抗干扰性能较强的高精度天线。

采用两台高精度RTK接收机与两台低成本RTK成四边形分布的目的是便于分析比较，根据数据处理结果可有效分析网形的符合程度，防止单一测量因素可能会带来的误差。同时由于高精度RTK接收机性能稳定，动态实时定位可达到厘米级精度，以高精度RTK接收机作为基准判断更为合理，而低成本RTK接收机性能与高精度RTK接收机相比较差，因此必须选用高精度RTK接收机作为参照，若没有高精度RTK接收机，一来两台低成本定位精度无法进行有效的衡量；二来，整个测试结果没有可比性，结果有可能好也可能不好。

另外，两台低成本RTK接收机所采用的天线类型不同的主要目的是分析出低成本导航天线的抗干扰能力以及测试低成本导航天线的测量精度的真实水准，这是由于在定位过程中天线质量的好坏对定位结果有直接的影响，天线干扰能力差使得周跳发生比较频繁，信噪比较低，观测数据质量差，普通车载导航型天线及车载高精度天线在抗干扰能力上存在较大差异，对两者定位结果进行分析可得出相应的结论。

S2，设置低成本RTK接收机及高精度RTK接收机的工作参数，并使它们能够存储原始观测数据；并且，低成本RTK接收机的天线分别连接至终端设备，如笔记本、智能手机、电脑等，并且车载蘑菇头天线的一端采用TNC线，另一端采用SMA线；当然，车载蘑菇头天线的两端并不强制要求选用这些线，这里之所以这样选择是根据接收机的接口类型进行选择，车载高精度天线采用TNC线较多(国标)，接收机如果是TNC则选择TNC-TNC,如果接收机终端是SMA口，则选TNC-SMA。

S3，将车辆行驶至开阔区域后停止，例如空旷的广场、草地、公园等无高楼遮挡的位置，静态采集低成本RTK接收机及高精度RTK接收机的观测数据一定时间，并且在开阔区域后，不同的观测时间的数据对于定位精度的影响较大，发明人进行研究发现，时间范围在0.5-3个小时，进一步优选在1-2个小时，能够获得最佳的精度。

S4，利用已有分析软件及移动设备附近的参考站观测数据进行内业数据处理，求解出低成本RTK接收机及高精度RTK接收机的高精度坐标；已有软件可以是如天宝TBC软件等商业数据分析软件。同时，随着卫星导航技术的快速发展，基于北斗地基增强的网络RTK技术在我国得到了快速发展，几乎每省都建立了北斗地基增强系统，形成了全国北斗地基增强系统一张网的布局，其服务精度涵盖米级、分米级、厘米级以及毫米的精度，因此，所述参考站优选是北斗地基增强参考站。

通过内业处理求解四台RTK接收机的高精度坐标的过程主要是整网平差解算流程包括：

S41，设置基线解算的控制参数，例如广播星历、卫星高度角设置、周跳处理方法、对流层误差模型选择、电离层误差模型选择、卫星系统选择等；

S42，观测数据输入与质检，包括但不限于各测站的观测数据和测站坐标；

S43，基线解算；

S44，基线解算检验，并进行质量评估，不合格则重复S41-S43步骤。

S45，网平差解算及精度评定。

此处整网平差解算的详细过程为已知技术，不作赘述。

S5，将S4步骤求出的高精度坐标投影至当地的高斯平面坐标，求出高精度RTK接收机之间及高精度RTK接收机与低成本RTK接收机之间的平面距离以及每个RTK接收机的相对大地高。

此步骤涉及一种球面坐标与平面坐标之间的转换，其具体公式如下：

其中，角度均为弧度，B为纬度，l＝L-L₀，L为点的经度，L₀为中央子午线经度；N为子午圈曲率半径，

t＝tanB，η²＝e′²cos²B；X为子午线弧长，根据公式(3)进行计算：

a₀,a₂,a₄,a₆,a₈为基本常量，根据公式(4)进行计算：

式中：m₀,m₂,m₄,m₆,m₈为基本常量，根据公式(5)计算：

S6，移动设备按照预定的路线及速度行驶，采集每个低成本RTK接收机及高精度RTK接收机的实时动态定位坐标；在实际测试中移动设备的行驶速度不宜过快或过慢，因为速度过快时即使采用高精度RTK接收机也会存在以下情况：第一，信号通信会出现不间断终端导致无法获取差分信息使得定位精度较低；第二，车辆在高速运行过程中接收机易发生周跳使得实际处理比较麻烦，同样会影响定位结果。而行驶过慢，检测效率较低，无法兼顾效率。发明人研究发现，车辆行驶速度在25km/h-50km/h之间最佳，优选为30-45km/h之间。

S7，分别求解出低成本RTK接收机与高精度RTK接收机在共视时间段内的平面距离及它们的相对高程，计算出平面距离与相对高程的内符合精度与外符合精度。

此处内符合精度计算是计算每一测点所有距离测量值的平均值，再将该平均值与每一测量值求差。统计所有差值的分布情况，并对差值在不同区间的概率进行统计，具体按照公式(6)计算：

其中：ρ_{内符合精度}为测试点的内符合精度，反映系统实时动态定位坐标的稳定性和与离散度。N为每台设备的观测历元总数。

而外符合精度计算是计算每一测点所有距离测量值，再将该值与真值(静态数据处理过程中所得到的距离值)之间求差。统计所有差值的分布情况，并对差值在不同区间的概率进行统计，具体按照公式(7)计算：

其中：ρ_{内符合精度}为测试点的外符合精度，其反映系统实时动态定位坐标准确度；n-每台设备的观测历元总数。

通过内符合精度计算及外符合精度计算能够有效地反应实时动态定位坐标的稳定性、精密度及准确度。

S8，根据网平差解算结果对各RTK接收机的实际实时动态定位坐标进行质量检验，网平差解算结果可以作为接收机实时动态定位结果好坏的依据，对各RTK实时动态定位坐标进行残差评估。

具体的，S81，在车辆行驶采集动态实时动态定位坐标之前，使低成本RTK接收机及高精度RTK接收机能存储原始观测数据。保存低成本RTK接收机的原始观测数据涉及到对低成本RTK接收机的定位芯片的原始数据实时解码。解码按照低成本RTK接收机定义的通信协议进行实时解析以得到标准格式的观测数据，从众多协议类型中解析出的数据至少包括：NMEA数据、接收机伪距观测值、载波相位观测值、多普勒观测值以及信噪比等。

S82，将低成本RTK接收机及高精度RTK接收机采集的动态原始观测数据进行后处理解算，得到低成本RTK接收机及高精度RTK设在各时刻的精确定位坐标，即动态原始观测数据采用PPK模式(事后动态数据处理模式)。

由于在实时定位过程中，理论上接收机(RTK接收机)观测数据时间应与基准站时间严格同步，事实上在接收机与基准站之间的通信出现中断，接收机无法实时获取基准站的差分信息，此时接收机采用数据模型对差分信息进行估计，间隔越长误差越大，使得实时定位有所降低。而事后动态数据处理模式则是根据接收机采集的观测数据进行解算，无需接收机之间进行通信，因此可以得出每个历元的精确坐标值，该精确坐标值可以作为衡量实时动态定位坐标的依据。

S83，将低成本RTK接收机及高精度RTK接收机的实时动态定位坐标与后处理解算得到的结果(精确定位坐标)进行比对分析以反映低成本RTK接收机及高精度RTK接收机的实时动态定位精度。

详细的，若由同步观测基线所组成的闭合环的闭合差超限，则说明组成同步环的基线中至少存在一条基线向量是错误的；若未超限，还不能说明组成同步环的所有基线在质量上均合格，要确定出哪些基线向量的质量不合格，可以通过多个相邻的异步环或重复基线来进行评定，其评定的限定指标可由下式计算：

其中，σ表示单位权中误差。

S9,利用ArcGIS软件加载高精度地图，将各RTK接收机采集的实时动态定位坐标投影至高精度地图上，直观观察各设备在高精度地图上的显示情况。

本发明尚有多种实施方式，凡采用等同变换或者等效变换而形成的所有技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.低成本RTK接收机定位精度测试方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1，在移动设备上安装低成本RTK接收机、两台高精度RTK接收机，将每台低成本RTK接收机与不同类型的天线进行连接；所述低成本RTK接收机为至少两个，它们与高精度RTK接收机成多边形分布；所述S1中，所述低成本RTK接收机采用低成本RTK接收机导航天线及高精度天线；

S2，设置低成本RTK接收机及高精度RTK接收机的工作参数；

S3，静态采集低成本RTK接收机及高精度RTK接收机的观测数据；

在所述S3中，将移动设备移动至空旷的位置进行静态数据采集，静态数据采集的时间在0.5-3h之间；

S4，利用已有分析软件及移动设备附近的参考站观测数据进行内业数据处理，求解出低成本RTK接收机及高精度RTK接收机的高精度坐标；所述参考站为北斗地基增强参考站；

S5，将S4步骤求出的高精度坐标投影至当地的高斯平面坐标，求出高精度RTK接收机之间及高精度RTK接收机与低成本RTK接收机之间的平面距离以及每个RTK接收机的相对大地高；

所述S5中，按照如下公式进行坐标转换，

其中，角度均为弧度，B为纬度，l＝L-L₀，L为点的经度，L₀为中央子午线经度；N为子午圈曲率半径，

t＝tanB，η²＝e′²cos²B；X为子午线弧长，根据公式(3)进行计算：

a₀,a₂,a₄,a₆,a₈为基本常量，根据公式(4)进行计算：

式中：m₀,m₂,m₄,m₆,m₈为基本常量，根据公式(5)计算：

S6，移动设备按照预定的路线及速度行驶，采集每个低成本RTK接收机及高精度RTK接收机的实时动态定位坐标；移动设备的移动速度在30-45km/h之间；

S7，分别求解出低成本RTK接收机与高精度RTK接收机在共视时间段内的平面距离及它们的相对高程，计算出平面距离与相对高程的内符合精度与外符合精度；

S8，根据网平差解算结果对各RTK接收机的实时动态定位坐标进行质量检验，网平差解算结果可以作为接收机实时动态定位结果好坏的依据，对各RTK实时动态定位坐标进行残差评估，所述S8包括:

S81，至少使低成本RTK接收机能存储原始观测数据；

S82，将低成本RTK接收机采集的动态原始观测数据进行后处理解算，得到低成本RTK接收机在各时刻的精确定位坐标；

S83，将低成本RTK接收机的实时动态定位坐标与后处理解算得到的结果进行比对分析以反映低成本RTK接收机的实时动态定位精度；

S9,利用ArcGIS软件加载高精度地图，将各RTK接收机采集的实时动态定位坐标投影至高精度地图上，直观观察各设备在高精度地图上的显示情况。

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