經過前面幾期的介紹,大家都知道RTK差分能讓無人機定位達到釐米級精度,而這個定位精度是相對某個固定點的釐米級。
固定點或者說已知點可以是國家機構和具有承製資質企業建設的北斗地基增強站(也就是常說的CORS站),也可以是自建固定式基準站,還可以是移動式基準站。
目前行業無人機使用最廣泛和便捷的是移動式基準站,它的特點是怎麼樣的呢?
此圖1國土資源局CORS站 圖2 自建固定式基準站 圖3 移動式基準站
訊號接收 -- 天線
天線的相位中心穩定性和多徑效應是直接影響接收機定位精度的主要因素,低仰角增益則會影響接收機搜星的數量和質量。
◆ 天線相位中心的等相位是球面,但卻不是幾何中心。增加饋源,精確控制軸對稱,如四饋點饋電技術提高相位中心穩定性。
◆ 多徑訊號,相對於直達訊號所走過路徑長,造成相位滯後。使用空氣介質降低訊號損耗,設計鋸齒結構,抑制多徑效應。採用螺旋型天線,圓極化效能更佳,軸比值越低,更能抑制多徑效應。
◆ 提高天線的低仰角增益有助於增強對低軌道衛星的跟蹤能力,有效接收衛星訊號。
圖4 陶瓷介質天線 圖5 空氣介質天線
定位解算 -- 板卡
天線接收了衛星訊號,板卡則對衛星訊號進行解算。板卡接收衛星訊號後解算出載波整週模糊度,計算出同衛星間的距離,進而得知定位座標。
◆ 影響RTK差分定位精度的因素除了上面講到的天線相位中心、多徑、訊號干擾之外,還有同距離有關的誤差,如衛星軌道誤差、電離層和對流層誤差。軌道誤差相對影響較小。
◆ 多頻接收機利用電離層的擴散性,將多頻觀測值線性組合消除電離層的影響。
◆ 接收機衛星系統越多,接收衛星數越多,使用頻段越多,確定整週模糊度時間則越快,可靠性也越高。
圖6 解算時間、星數和可靠性的關係(1~4代表可靠性,4最為可靠)
差分傳輸 -- 資料鏈
連續地、可靠地播發差分電文,是RTK差分定位成功和可靠的決定因素。
詳細可參見10月份的《GNSS天線選對了,那無人機RTK的差分通訊鏈路該如何選擇呢?》。
特定情況下,透過外接穩壓電源介面,加長持續工作時間;也可外接更大功率電臺,加長作業距離。
輕小牢靠
為了減輕作業人員的勞動強度,目前行業內的RTK接收機都是向著做輕做小而努力。
◆自2014年以來,開始普遍採用鎂鋁合金材質,雖然密度相比塑膠高(約0。6g/cm³),但強度要高出塑膠很多,能將接收機體積減小,同時將重量減輕(500g以上)。
圖7 UBase材質的綜合應用
◆另外,鎂鋁合金為金屬材質,在遮蔽性和導熱率這兩個特性上比塑膠更有優勢,下蓋採用鎂鋁合金,明顯改善散熱和電磁遮蔽效能。上蓋則採用塑膠,能夠接收衛星電磁波訊號。
簡便易用
為了能適應各種作業惡劣環境,行業內RTK基準站都是一體化設計,只需架設、一鍵開機設站,即可進行工作。
◆ 一體化基準站接收機設計,防護等級能做得更高,防塵等級達到IP6x,無懼煙塵侵蝕,防水等級達到IPx8,無懼暴雨作業。
◆ 基準站設計通常考慮鹽霧防護,最高可達96h中性鹽霧測試,無懼臨海作業環境,特別對於植保無人機作業環境,無須擔心農藥霧滴腐蝕。
圖8 適應多種環境
一站式作業
那麼最關心的問題來了:一站式作業是如何進行的呢?對,就是基準站既可以當移動式基準站,也可以當流動站,具體來說,就是一臺機載流動站,兩臺基準站,分三步走。
一步走:臨時固定架設的
「
移動式基準站
」
透過蜂窩網路或電臺鏈路,從CORS參考站或自建固定式基準站獲取差分電文和導航電文資料,解算得到相對於參考站(已知點)的高精度定位結果,此時
「
移動式基準站
」
就是
「
流動站
」
的功能。
將該定位座標值設定成
「
移動式基準站
」
的已知點座標,此時
「
移動式基準站
」
就切換回
「
基準站
」
。
兩步走:再使用另一臺
「
移動式基準站
」
當做
「
流動站
」
獲取第一步的
「
移動式基準站
」
的差分電文資料,進行RTK採點作業,得到無人機作業區域的邊界點座標和區域。此時這一臺
「
流動站
」
高精度定位座標都是相對於第一步架設的
「
移動式基準站
」
的定位結果。
圖9 確定基準站點及飛行路徑規劃
三步走:同樣地,
「
機載流動站
」
透過蜂窩網路或電臺通訊鏈路獲取第一步架設的
「
移動式基準站
」
的差分電文資料,得到高精度定位導航座標。
圖10 無人機RTK差分定位
這樣,無人機透過RTK差分技術就得到了相對於同一個固定點的同一座標系下的高精度定位導航結果。