動態GPS測量——RTK數據鏈

2020-12-03 測繪科學與環境生態

99.數據鏈

RTK要求基準站和流動站之間保持實時無線電通訊。流動站天線將被內置於GPS天線之內,或設置成獨立單元。通常基準站發射數據的無線電天線和流動站的天線都是全方向鞭狀天線。基準站通常有獨立的天線塔(杆),而流動站的天線比基準站具有更高的增益,見圖1所示。發射天線的安置位置對系統性能的影響很大。最好將發射天線安置在儘可能高的位置,以獲得最大的覆蓋範圍,天線越長,其傳輸特性越好。如果基準站周邊沒有架空障礙物,一般不受到多路徑影響。在建築工地測量時,最好遠離施工現場。最好保證基準站位於流動站的視野範圍內。如果有障礙物,沿著無線電鏈路的障礙儘可能少是最好的。

圖1 數據鏈

無線電數據發射機由天線、無線電調製器和放大器組成。調製器將改正的差分數據調製成無線電信號。放大器用於增加信號的功率,其決定信息傳播距離的遠近。這並不完全決定因素,還有地形和天線高度的影響。RTK工作需要從基準站成功地將大量數據信息播發給流動站接收機。基準站採用甚高頻(VHF)、超高頻(UHF)、擴頻跳頻或直接發射等方式發射信號,且應具有足夠負載的處理能力。DGPS和RTK系統多用超高頻擴頻無線電數據機。天線底部典型增益是6分貝(dB)。DGPS工作需要不超過200位/秒(bps)傳輸率,每10秒左右更新一次,但RTK至少需要2400位/秒(bps),且每0.5秒或更少更新一次。就像傳輸的功率一樣,基準站和流動站之間的連接速度,數據傳輸率,可能是提高RTK性能的限制因素。

還要注意,基準站計算改正信息需要時間,將數據以正確的格式打包並傳輸給流動站也要時間。數據通過數據鏈從基準站傳送給流動站,流動站接收機內置軟體對其進行解碼,這段時間被稱為基準站和流動站之間的通信延遲。通訊延遲短至四分之一秒,也可長至幾秒鐘,由於基準站產生改正的那一刻是準確的,基準站必須同時發送距離速率改正。利用速率改正,流動站可以追溯修正時刻,給其匹配以相同的觀測時刻。

如上所述,當基準站與流動站之間的工作距離在6-12英裡或更短時,RTK效果最佳。無線電數據鏈的有效範圍可能進一步限制基線長度(基準站和流動站之間的工作距離)。在無線電流信號擁擠的地區,很難找到公共頻道。

值得注意的是,測量區域內的其他RTK測量員也經常會受到幹擾。RTK GPS測量設備大多使用UHF(400-475 MHz)或VHF(170-220 MHz)頻率,緊急語音通信也傾向於相同的頻率範圍,這就會不時地出現問題。這就是大多數RTK用戶在合法的頻率範圍內選擇幾個頻率的原因。

數據鏈通常以4800波特率或更快速率播發。可在視線範圍內相互傳輸信號。基準站電臺通常體積較大和功率較高。最高功率的發射機一般為35瓦左右,其在有些國家不能合法使用。功率較低的發射機(電臺),功率從0.5瓦到2瓦,其只能在特定的環境使用。流動站無線電電臺通常功率較低,體積也較小。聯邦通信委員會(Federal Communications Commission,FCC)擔心RTK GPS數據鏈將會干擾其他無線電信號,尤其是語音通信。GPS測量員務必要知道語音通信優先於數據通信原則。

FCC要求共享頻率的許可方進行合作,應儘量減少幹擾。例如,避開最典型語音通信中繼頻率。通常在455-460兆赫和465-470兆赫之間的頻段。聯邦法規(Code of Federal Regulations,CFR)第90款47條,包含了FCC規則的完整條文,規定了私人地面移動測量所用無線電的頻率。聯邦通信委員會也要求無線電發射機應有許可證。

幸好,當RTK所需的發射機和流動站接收機同時購買時,GPS銷售代理通常會處理好無線電許可和頻率選擇。如果測量員沒有適當執照不能使用無線電信號發射機,聯邦通信委員會對非法使用罰款幾千美元。其他可以參考FCC無線使用備案指南。其他國際和國家機構管理頻率並授權其在世界其他地方使用。有些地區,某些波段被指定為公共頻段,不需要特別許可即可使用。例如,歐洲地區沒有特殊授權和特定功率限制就可使用2.4 GHz頻段的擴頻通信。美國擴頻通信的頻帶是900兆赫。

當然,流動站和基準站信號調到相同的頻率是RTK測量成功的關鍵。流動站接收機也有天線和解調器。解調器將信號轉換為流動站接收機可用格式。基準站的數據信號可能因為反射、折射、大氣異常,甚至與流動站之間距離太近,信號達到流動站可能減弱或丟失。流動站距離發射機太近可能會超載,無法正常接收信號。即使在理想的情況下,信號也會隨著發射機和流動站之間距離的增大而逐漸消失。

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