实时动态定位

定义

实时动态定位是依靠卫星导航载波相位观测值、在野外实时求出测站点三维坐标的一种定位方式，其精度可达厘米级^[1][3]。在测绘行业，它也被称作载波相位动态实时差分，属于全球导航卫星系统相对定位的一类方法^[3]。

静态测量、快速静态测量和普通动态测量都要在收工后处理数据才能得到厘米级坐标，实时动态定位则把这一精度提前到作业现场，因而也被看作载波相位测量走向实时化的标志^[1][4]。

原理

一套实时动态定位系统由基准站、流动站和数据链三部分构成^[1]。基准站接收机架设在坐标已知或未知的参考点上，连续跟踪视野内的卫星信号，并把测站坐标、伪距与载波相位观测值、卫星跟踪状态和接收机工作状态等信息经无线数据链发送出去^[1]。流动站在接收基准站数据的同时自行采集卫星观测值，在系统内组成差分观测值实时处理，最终给出流动站的平面坐标与高程^[1]。

两颗卫星的信号传到基准站和流动站时，所经过的路径相近，电离层与对流层延迟、卫星轨道误差等具有空间相关性，通过求差可以消去其中大部分公共误差，这是实时获得高精度的前提^[5]。载波相位观测值带有无法直接测定的整周模糊度，流动站必须先完成初始化，把整周未知数固定为整数，之后才能逐个历元输出厘米级结果^[2][1]。初始化既可以在已知点上静止进行，也可以在接收机运动过程中完成，后者称为运动中模糊度解算^[2]。

其数据流程可概括为：

graph LR

S[卫星导航系统] --> B[基准站]

S --> R[流动站]

B -->|数据链传送观测值与测站坐标| R

R --> D[差分处理与整周模糊度固定]

D --> C[厘米级三维坐标]

发展历程

1988年，美国陆军工程兵团正式启动利用GPS载波相位实现实时定位的研制工作，目标是到1993年拿出能在实时状态下给出三维亚分米级位置的原型系统；该原型于1993年3月开始测试，同年8月完成首次演示，通常能在15秒以内完成运动中的模糊度解算，作用距离约为20千米^[6][7]。

20世纪90年代初，模糊度在航解算成为研究热点：1990年Frei与Beutler提出快速模糊度解算法（FARA），此后FASF、LAMBDA等方法在搜索范围定义和搜索速度上继续改进，这些工作实质性地推动了90年代中期载波相位实时动态定位的出现^[8]。1993年，天宝（Trimble）推出以RTK为商标的商用系统，当时只能在L1频率上工作，尚不能解出运动中的整周模糊度；1994年4月双频设备上市，同一时期徕卡、Ashtech等厂商也提供了性能相近的实时产品^[9]。自20世纪90年代中期起，这一方法在土地测量和精准农业中得到推广^[2]。

由于差分改正数只能在一定距离内有效，20世纪90年代中期人们提出网络实时动态定位的思路：在较大区域内均匀布设3个以上基准站组成基准站网，由中央服务器统一建模并向用户播发改正信息^[5][4]。在此基础上发展出虚拟参考站技术，服务器依据用户发来的概略坐标，在用户附近生成一个物理上并不存在的参考站并播发其改正数据^[10]。与此同时，数据传输也从早期的数传电台扩展到移动通信网络^[3]。

应用

在测绘与工程领域，实时动态定位用于各类控制测量、地形测图和放样工作^[1]。以控制测量为例，作业中可随时查看点位精度，合格即可收测，测一个控制点往往只需几分钟甚至几秒，效率明显高于需要事后处理的方法^[1]。地形测图时，一人持仪器在碎部点上停留一两秒并录入特征编码即可，对点间通视没有要求^[1]。

在农业领域，北斗卫星导航系统与增强服务结合，用于农机自动驾驶、精准播种、变量施肥等环节，厘米级定位使机具作业路线更加整齐^[11]。据相关企业介绍，全国已布局5000余座地基增强基准站为农机提供位置基准与实时修正服务，星基增强则用于缺少地面基站的偏远地区^[11]。

除测量与农业外，实时动态定位也进入移动装备的导航控制。有专利方案采用RTK-GPS或RTK-BDS系统为无人碾压机提供厘米级定位与导航服务，用于土石方工程的智能压实作业^[12]。在无人机物流等低空场景，高精度定位与空域网格化管理被用于航路规划和障碍避让^[13]。

局限

实时动态定位的精度和可靠性与流动站到基准站的距离密切相关：距离增大后，误差的空间相关性减弱，差分残余误差随之变大^[5]。在单频条件下有效作业距离通常不超过10千米，双频条件下约在30千米以内，超出该范围往往难以正确固定整周模糊度^[5]。常规条件下其精度大致为1厘米加1ppm，当基准站与流动站相距50千米以上时，普通RTK的解算结果通常只能达到分米级^[2][14]。

系统还依赖数据链可靠地传送改正信息。早期使用的数传电台在遇到建筑物或山体遮挡时，数据传输的距离和效果都达不到预期^[4]。载波相位跟踪一旦中断，就必须重新初始化模糊度；在距离基准站10至20千米的范围内，初始化通常不到1分钟^[2]。作业者还需了解可能降低解算精度与准确度的环境因素，并需同时关注基准站与流动站数据的完整性和通信链路的时延^[2]。

扩展到网络实时动态定位后，作用范围虽然扩大，但精度仍随距离衰减。实测表明，在网络覆盖范围之外的一定距离内（例如成都地区可达20千米）仍可实现厘米级定位，但距离相关误差的相关性会逐步减弱，精度随之下降^[14]。

参见

• 全球导航卫星系统 —— 实时动态定位所依托的卫星导航系统，为其提供观测信号。

• 差分定位 —— 实时动态定位所属的技术类别，通过求差削弱公共误差。

• 整周模糊度 —— 载波相位观测中必须先行固定的未知整数，决定能否获得厘米级结果。

• 连续运行参考站 —— 长期连续运行的基准站，是网络实时动态定位的基础设施。

• 网络实时动态定位 —— 为突破作用距离限制而发展的多基准站定位方式。

• 精密单点定位 —— 另一类高精度定位技术，不依赖附近的参考站改正数。