GPS、RTK、PPK三种定位技术的原理及应用

一、GPS技术

1.原理
之前做过集成GPS功能的产品，对这种不以定位为主要功能的产品，精度是没有要求的，例如我只是用它来得到当前社区的位置，一般的GPS模块都能满足要求。理论上，超过四颗卫星就能实现定位。

我们的GPS产品，只要集成卫星接受芯片，就可以获取定位信息了

2.弊端
卫星定位存在以下误差：

• 轨道误差，就是卫星告诉你的位置和其真实的位置有偏差。
• 时钟误差，就是卫星告诉你的时间和标准时间有偏差。
• 电离层延迟，就是卫星信号在从太空穿越大气层，经过电离层时其速度会变慢，而我们却不知道它慢了多少时间。
• 对流层延迟，与电离层延迟相似。
• 多径，就是卫星信号碰到一些反射物体，发射的信号会对实际信号有影响，让用户误判到底哪个才是真正想要的信号。
• 接收机噪声，就是接收机自己在测量距离时也会带入自己的误判。

正是由于这一系列误差，GPS的定位精度只能达到米级

二、RTK技术

1.原理
RTK即差分定位（把误差分离出去），在GPS的基础上，架设一个地面基站，地面基站获取卫星定位与真实位置（由于基站固定，所以位置是绝对的）对比，计算出GPS的定位误差，并通过GPRS把当前误差发送给移动站，移动站会利用这个误差纠正从卫星获得的定位。

言简意赅，我们需要两个东西：GPRS和基站。GPRS需要一张SIM卡，通过三大运营商和基站连接；基站可以自己架设，有一点麻烦，但可控，也可以租赁，著名RTK基站服务商有千寻位置【https://passport.qxwz.com/login】等，目前很多RTK模块都支持以千寻为基站，且模块本身都是移动站基站两用的，流动站与基准站的距离不能超过10km-15km。

2.产品选型介绍
目前市场上的RTK基本有三种类型的:

• RTK模块 :集成了定位、GPRS、Radio功能，留有配置接口，利于二次开发（推荐）
  

• RTK板卡 :一般只有定位功能,4g和电台等需要自己集成
  

• 手持RTK:方便测绘，不利于二次开发，淘宝一搜RTK全是那玩意
  

3.硬件接口及解释

以中海达RTK模块为例，其他厂家大同小异，硬件上具有四个天线接口，分别为GNSS1、GNSS2、GPRS、Radio，还有两个COM口

（1）单频信号与双频信号（GNSS1、GNSS2）
GPS卫星信号分为L1和L2，频率分别为1575.42MHZ和1228MHZ。接受信号是单频还是双频却决于RTK模块，双频机通过接受两组不同频率的卫星信号，可以有效消除电离层的误差。双频机对比与单频机可以提供更为快速、更为精确、可靠的解算，但是价格相对昂贵。

（2）天线(GPS、GPRS)

• 像天线这种东西，分类有很多种方法，但是任何东西，对于使用者最好是以功能分类。不同的天线的工作频率不一样，所以功能也不一样。像Wifi的工作频率分别在2.4G和5G，GPS天线的工作频率是在1.2-1.6G左右，4G天线的工作频段在1.7-2.7G之间，GPS天线有可能在4G的低频段可以工作，但是高频段的指标会很差。一般情况下是没办法共用的。所以不要看到天线就拿来用。
• 主流定位天线：平面贴片天线、平面螺旋天线、四臂螺旋天线、蘑菇头天线
• 定向天线：定向天线有区别于定位天线，有时需要同时使用，但对于移动物体，也可以软件处理两点的经纬度得到方向角

（3）电台
电台这功能没用过，等用了再来解释

（4）模式
目前的RTK模块大都支持多模卫星信号，即可同时从GPS、北斗、伽利略收星

（5）串口(COM1、COM2)
一般用于配置设备和数据读取

4.数据获取及二次开发

（1）串口输出报文
我们通常通过ttl或485串口连接GPS模块读取GPS报文，做相应的本地开发，大多数参数可以从【GPS报文】中读取，从而判断定位状态，格式如下：

$GPGGA,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>,<8>,<9>,M,<10>,M,<11>,<12>*hh

• 1

<1> UTC时间，hhmmss.sss（时分秒）格式
<2> 纬度ddmm.mmmm（度分）格式（前面的0也将被传输）
<3> 纬度半球N（北半球）或S（南半球）
<4> 经度dddmm.mmmm（度分）格式（前面的0也将被传输）
<5> 经度半球E（东经）或W（西经）
<6> GPS状态：0=未定位，1=非差分定位，2=差分定位，4=固定解算，5=浮动解算，6=正在估算 ；当GPS状态达到4时，为最佳状态，5为次佳
<7> 正在使用解算位置的卫星数量（00~N）（前面的0也将被传输）
<8> HDOP水平精度因子（0.5~99.9）
<9> 海拔高度（-9999.9~99999.9）
<10> 地球椭球面相对大地水准面的高度
<11> 差分时间（从最近一次接收到差分信号开始的秒数，如果不是差分定位将为空）
<12> 差分站ID号0000~1023（前面的0也将被传输，如果不是差分定位将为空）
（2）4G输出
有的RTK设备支持数据报文回传至服务器，我们远程获得定位数据可以做相应的平台软件开发

（3）端点续传
4G信号是有可能比较差，数据无法回传，如果对实时性要求比较高，需要增加断点续传功能，即存储定位信息，等信号恢复后重新发送

5.主要厂家
RTK产品做的比较成熟的厂家，国外主要是天宝，国内主要是中海达、司南、华测和芯星通等

6.注意事项
RTK模块定位质量受诸多因素影响，若未达到最佳解算状态或精度不理想，可以尝试以下手段：

• 检查4G天线和GPS天线是否匹配、是否松动
• 检查SIM卡是否欠费或松动
• 查看报文中的收星数，在空旷位置测试获得更多收星，室内GPS是无法定位的，手机之所以可以在室内定位是因为结合了Wifi定位等技术
• 查看基站服务是否过期

二、PPK技术

1.原理
PPK即动态后处理技术，是对RTK技术的补充
利用进行同步观测的一台基准站接收机和至少一台流动接收机对卫星的载波相位观测量；事后在计算机中利用GPS处理软件进行线性组合，形成虚拟的载波相位观测量值，确定接收机之间厘米级的相对位置；然后进行坐标转换得到流动站在地方坐标系中的坐标。
一般用在无人机上，用于调整飞行姿态的。

2.应用
目前还没用到，据说天宝的rtk加上ppk可以达到mm级