什么是RTK?GPS导航和RTK的基本原理有什么不同?
什么是RTK?GPS导航和RTK的基本原理有什么不同?
极飞农业
2018-06-07 22:45
755
官方新闻
极飞农业
2018-06-07 22:45
什么是RTK?GPS导航和RTK的基本原理有什么不同?

极飞在 2015 年开始自营作业,当时使用的是单点 GPS, 遇到了各种罗盘干扰、航迹偏移、起降需人工干预等问题;2015 年下半年开始做 RTK 相关的研发,努力实现全自主飞行。极飞的 RTK 使用的是双天线版本,能够测量航向,不受地磁干扰,精准的飞行作为基础实现了全自主飞行和精准的变量喷洒。另外,C2000 的拍摄也需要 RTK,保证高清地图是精确的,这样才能保证在 App 上智能识别农田的边界,实现精准地图,协助规划航线。


RTK 的基本概念
  RTK 有两个重要概念:固定站(也就参考站)和移动站。固定站顾名思义就是固定在地面上为移动站提供参考基准的基站,在使用过程中不可移动,固定基站、云基站和移动基站都是固定站;移动站是进行作业的设备,它使用固定站发送来的差分数据进行 RTK 精准定位,无人机和测绘器都是移动站。

1.jpg

云RTK系统的组成
  云RTK系统除了固定站和移动站,还包括链路(4G网络和数传电台)和云端RTK系统。
  目前极飞提供了两条链路,一条是4G网络,用于与云端RTK系统连接;一条是数传电台,移动基站使用无线电广播基站的差分数据,在蘑菇头上可以看到一个辫子状的天线。


极飞的RTK设备
  云基站与固定基站同样固定在地面,可以 24 小时不间断提供数据,与固定基站不同:云基站能够做到“三网三通”(中国移动、联通、电信),提高差分数据传输的可靠性;云基站已经没有内置电台,完全与云端连接,也更省电,能够长时间使用;云基站采用全新的硬件方案,未来云基站将会有更多智能功能,也会更容易部署和维护,包括云基站的报警、预告、提醒等,敬请期待。
  2018 年,极飞会着重架设云基站,增加覆盖范围,减少架设移动基站,节约时间与成本,2018 款蘑菇头的三网三通也能更好的适应国情。

2.jpg

GPS导航和RTK的基本原理
  GPS是靠天吃饭,看不见摸不着,总结起来有三个知识点非常重要:RTK 共用卫星原理;环境对 RTK 的影响;卫星像天上的星星一样,时刻在飞,不同时间看到的卫星不一样。

3.jpg

  上图解释了 GPS 共用卫星的工作原理,虚线代表着基站或无人机能够正常使用的卫星,中间的三颗卫星是重合的,代表着二者可以共同使用的。根据这个原理,无论是基站还是移动站的卫星被遮挡,无人机的能够进行 RTK 定位的卫星就会变少。
  因此在防风林、山区等条件恶劣的地区,基站不能架设在有遮挡物的位置,否则将导致 RTK 的不稳定;在山区尽可能架在高处,尽可能开阔。有遮挡的环境要注意共用卫星的问题,飞机和基站尽可能看到同一片尽可能大的天空。
  GPS 误差的环境因素有很多,最主要影响有电离层、天气和干扰等,这三种从本质上讲都是影响了 GPS 的信号(电磁波)。基站和移动站两端的电磁环境越相似, RTK 越稳定。
  

以 RTK 的覆盖范围为例 

4.jpg

  电离层:越靠近赤道,电离层越活跃,使得基站和移动站两端的电磁环境随着距离拉远就越不相似,所以经验上,低纬度地区的基站有效覆盖距离小,高纬度地区的距离远。如广州一般是 35 km是极限,而新疆可以到 70 km,每个地方的经验值都不一样。

  天气:作业区域天晴,而基站那边阴天和下雨,这时候 GPS 信号经过层到达设备的信号就不一样了,RTK 的有效距离也会缩短。
  所有跟电有关都会有电磁波辐射(无线电),都有可能造成干扰。根据经验,常见的干扰源有:高压线、对讲机、雷达站、移动铁塔。具体的案例:


案例分享
  案例一:无人机都在飞行中同时出现了丢星迫降,随后发现旁边有一条高速高路,我们分析是路过的某台车上有人开了大功率的车载电台,干扰了这一片区域的 GPS 信号。
  案例二:某客户把基站架设在高压线下,几十米外的飞机一直在 FLOAT 状态,原因是基站观测到的卫星信号与飞机观测到的卫星信号有极大不同。高压线产生的电磁波干扰了 GPS 信号。
  卫星一直在天上飞行,不同时刻看到的卫星是不同的。在遮挡环境下,比如在防风林边上飞,由于卫星数和信号质量都随时在变化,可能发生今天在这边飞行很稳定,但其它时间则可能有发生退出 RTK 的危险。此外,出于国家经济发展的考虑,各国对其卫星轨道的设置也不同,比如:我国在沿海经济地区,北斗的卫星数会多一些;GPS 在美国本土的覆盖会更好。因此我们选用的是三系统(GPS, GLONASS 和北斗)的高精度板卡,在不同地区能够使用尽可能多的卫星来提高稳定性。


移动基站的使用场景
  移动基站采用双链路数据,即 4G 网络和数传电台。
  在使用时,需要先搜索移动基站或设置数传的通道,飞机收到从数传来的差分数据之后,再自动向云 RTK 请求连接这个移动基站。
  这两条链路是互补的,比如这一秒没有收到数传来的差分数据,但网络信号还在,飞机就可以继续使用从云RTK 来的差分数据进行持续的精准定位。这样,就提高了 RTK 的稳定性。因此,在山区等地形复杂或离云基站较远的区域作业时,使用移动基站会是一个不错的选择。

5.jpg

问答环节
  1. 如果云 RTK 不能覆盖的地区, 2018 款极飞无人机是不是无法作业?
  云 RTK 无法覆盖区域,仍然可以使用移动基站低精度采点来作业,不过,下次作业时,可能需要重新测绘。
  2. 目前,极飞无人机能在外国作业吗?
  在国外已经开始市场推广,包括日本、韩国、美国、澳洲都已经开始有极飞无人机作业了。
  3.如果一块田在防风林中间,基站能否架设在防风林中间?
  可以,基站不能太高,否则航线刚好经过这块防风林,有可能撞倒,但是另一方面也要看田的面积有多大,基站在田中间,四周又是防风林,能够连接的卫星数可能有限,因此要特别留意。
  4.云基站覆盖范围在 70 公里,那么连接的无人机有数量限制吗?
  没有,只要在这个区域范围内的无人机,都可以连接上去,这也是降低成本的一个方法。因此我们会在 2018 年架设更多云基站。
  5.做演示时,上百人同时用手机拍照,打电话会不会影响基站效果?
  拍照是不会的,但演示时很多时候会用对讲机作为安保设备,这个影响比较明显。