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华测GPS国内顶尖?PPK更适合无人机

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武汉际上导航科技有限公司是立足于完全自主知识产权,致力于应用GNSS(卫星导航),INS(惯性导航)和GIS(地理信息系统)等专业技术,提供各种目标的空间位置信息和定位导航方案的高新技术企业.

由于GPS技术所具有的全天候、高精度和自动测量的特点,作为先进的测量手段和新的生产力,已经融入了国民经济建设、国防建设和社会发展的各个应用领域。随着GPS技术的发展,动态测量技术也日益成熟,RTK技术、网络RTK技术已经在测绘工程中得到了广泛的应用。RTK技术实现了高精度实时动态差分,但无论是常规RTK还是网络RTK都必须有数据通讯,其中常规RTK通讯信号(电台信号)受周围环境及地势影响较大,这就使GPS动态测量的应用受到一定的限制,如在山区等地势起伏大且树木较多时RTK基站电台的有效作业半径仅仅只有3 km以内,大大限制了作业范围从而制约了RTK的优势。

随着无人机摄影测量的发展,RTK在作业范围方面的劣势越来越明显。被人们所遗忘的PPK技术在这方面的优势使它又成为主流的定位方式,动态测量数据后处理PPK(Post Processing Kinematic)采用快速求解整周模糊度的技术,利用2~5历元观测值就可以得到厘米级的3维坐标。利用PPK技术不需要基准站与流动站之间的数据通讯,作业半径可达到50 km以上,相对于RTK技术PPK技术在无人机摄影测量方面具有更好的应用前景。际上导航推出的AGS200、AGS210都配置了PPK技术,将AGS200、AGS210搭载在无人机进行无人机摄影测量,通过际上自主开发的GGPOS软件经过事后差分处理,能够提供高精度的POS数据。

测绘RTK与PPK在无人机摄影测量方面的对比

图一 搭载际上导航AGS200或AGS210差分系统的无人机

1 RTK和PPK的作业原理

1.1 RTK的作业原理

RTK(Real Time Kinematic)测量系统一般由三部分组成:即GPS接收设备、数据传输系统和实施动态测量的软件系统。RTK测量技术是以载波相位观测量为根据的,有快速高精度定位功能的载波相位差分测量技术,它能够实时获得测站点在指定坐标系中的3维定位结果,且具有厘米级的定位精度。RTK测量的工作原理是:将一台接收机置于基准站上,另一台或几台接收机置于载体(称为移动站)上,基准站和移动站同时接收同一时间、同一GPS卫星发射的信号,基准站所获得的观测值与已知位置信息进行比较,得到GPS差分改正值。然后将这个改正值通过无线电数据链电台及时传递给共视卫星的移动站精化其GPS观测值,从而得到经差分改正后移动站较准确的实时位置。

测绘RTK与PPK在无人机摄影测量方面的对比

图二 RTK作业原理

1.2 PPK的作业原理

PPK是近些年来发展使用的测量方法,测量原理是通过基准站和移动站同时采集最少两个历元的观测时间,从而解算主站和移动站的基线解,由于OTF初始化时解决了整周模糊度及其他相关问题,从而使得主站和移动站的共同观测时间减少到只需观测两个历元。其点位的标称精度为厘米级。但是,需要进行数据后处理,不能进行实时定位且不知其定位精度,若内业后处理中发现精度不符合要求,则必须进行返工。技术特点是:点位水平精度1 cm+1 ppm为厘米级,观测时间短,只需两个观测历元,如果设置采样率为15 s,6颗以上卫星时,2~3 min即可完成一次测量。即使5颗卫星,4~5 min也可以完成一次测量(4颗卫星时无法进行PPK测量)。无需电台连接,因此不受地形限制,且作业比较简单。

测绘RTK与PPK在无人机摄影测量方面的对比

图三PPK作业原理

2 RTK和PPK的比较

2.1 RTK和PPK的相同点

1) 定位精度相同。这两种技术都可以达到厘米级的定位精度。水平精度为:1 cm+1 ppm;垂直精度为:2 cm+1 ppm。

2) 两种技术在作业前都需要初始化。

3) 作业模式相同。两种技术都采用参考站加流动站的作业模式。

表一 RTK与PPK的相同点

定位模式

定位精度

作业模式

作业前初始化

RTK

厘米级

流动站+基准站

需要初始化

PPK

厘米级

流动站+基准站

需要初始化

2.1 RTK和PPK的不同点

1) 初始化时间不同。RTK技术初始化的时间较短,最小初始化时间为10 s+(0.5·S)s,S为基线长度(km);PPK初始化时间较长,在6颗卫星的情况下,需要不少于8 min。

2) 电台支持不同。RTK技术需要通讯电台传输数据;PPK技术不需要通讯电台的支持。

3) 定位作业的方式不同。RTK采用的实时定位技术,可以在流动站随时看到测量点的坐标以及精度情况;PPK定位属于后处理定位,在现场看不到点的坐标,需要事后处理才能看到结果。

4) 作业半径不同。RTK作业不仅受到通讯电台的制约,而且作业距离一般不超过10 km;运用PPK技术作业,一般作业半径可以达到50 km。

5) 受卫星信号影响的程度不同。RTK作业时,如果在大树等障碍物的附近,非常容易失锁;而PPK作业时,经过初始化后,一般不易失锁。

表二 RTK与PPK的不同点

定位模式

初始化时间

电台

定位方式

作业半径

失锁情况

RTK

10s+0.5×基线长度

需要

实时定位

小于10km

受干扰多,容易失锁

PPK

8min

不需要

事后差分

小于50km

不易失锁

从数据对比中,可以看出两种作业模式在测量精度上相差无几。在小范围的作业区域内,RTK作业效率高,且可以实时提供高精度位置信息。在长距离大范围的作业区域内,尤其是带状区域,比如输电线路、公路、铁路、油气管道,PPK将是最佳选择。

3 PPK模式下生成的飞机轨迹及POS成果

图四为搭载际上导航AGS200的无人机在PPK模式下的轨迹图及曝光事件图,通过际上导航自主开发的GGPOS经过差分,飞机轨迹精度达到了厘米级。其中绿色轨迹代表精度合格,轨迹上的方框代表每个曝光点的位置,曝光点的位置信息是经过多个历元经过内插后得到的,精度能达到5厘米。

图五为经过GGPOS软件处理后输出的曝光点位置信息,用户可以根据自身需求选择性的输出自己想要的信息。这些信息包括经纬度高程信息(也可以通过GGPOS软件转化为不同椭球下的当地坐标信息)、飞机速度加速度信息等。

测绘RTK与PPK在无人机摄影测量方面的对比

图四 无人机轨及曝光点

测绘RTK与PPK在无人机摄影测量方面的对比

图五 GGPOS输出的部分曝光点信息

总结

PPK技术是一种更适合搭载在无人机上的空间定位技术,虽然在小范围的作业区域内,RTK作业效率高,且可以实时提供高精度位置信息。但随着科技的发展,无人机技术的日趋成熟,无人机摄影测量应更趋于大范围高效率的作业,PPK技术在无人机方面明显具有更广阔的发展前景,PPK技术势必会成为无人机在测绘方面给的中流砥柱。


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