一篇文告訴你RTK變遷之技術(shù)前身
發(fā)布時(shí)間：2022-02-16 10:00:59
談到實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài) (RTK)，想要充分了解其發(fā)展軌跡就永遠(yuǎn)不要忘記其本源，尤其是推動(dòng)使用全球定位系統(tǒng) (GPS) 進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測(cè)量的技術(shù)前身和研究基石。
接下來，我們將主要關(guān)注20世紀(jì)80年代，看看是什么啟發(fā)了GPS在陸地和海洋測(cè)量中的深入探索。
1985年底或1986年初，Charles R. Trimble在華盛頓Smithsonian博物館為Trimble的第一臺(tái)GPS接收機(jī)簽署了一份贈(zèng)予協(xié)議。
使用地外系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)精度
利用相位差進(jìn)行高精度基線測(cè)量，如甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量 (VLBI)，是衛(wèi)星大地測(cè)量學(xué)的發(fā)展基礎(chǔ)。1978年發(fā)射的第一顆GPS衛(wèi)星，其設(shè)計(jì)初衷是使用基于碼偽距的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)水平3-5米和垂直10-15米的實(shí)時(shí)精度，但聰明的科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了它巨大的潛力。科學(xué)家們認(rèn)為可以使用兩個(gè)接收機(jī)來解讀非編碼信號(hào)(稱為載波相位信號(hào))，以達(dá)到厘米級(jí)精度的測(cè)量，這被稱為載波相位差分GPS定位。
許多人開始開發(fā)用于提取和處理這些數(shù)據(jù)的軟件算法，以及開發(fā)改進(jìn)GPS測(cè)量能力的技術(shù)。這其中一位就包括Benjamin W. Remondi博士。這位“實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量之父”畢生的研究成果至今仍在被使用，例如三重差分法、天線交換法和動(dòng)態(tài)測(cè)量法。
德州儀器4100，或TI 4100，用于早期的GPS測(cè)量實(shí)驗(yàn)。
海上米級(jí)定位
在Remondi的研究之前，也有一些技術(shù)利用廣播無線電在港口對(duì)進(jìn)行工程建設(shè)的船舶進(jìn)行米級(jí)定位。其中之一是雙曲無線電導(dǎo)航系統(tǒng)，它是一個(gè)海上導(dǎo)航系統(tǒng)，它的工作依賴于陸上基站的載波信號(hào)。20世紀(jì)40年代，工程師Charles Hastings發(fā)明了一種方法，用來測(cè)量疊加在飛機(jī)和地面站之間傳輸?shù)臒o線電波上的信號(hào)的相位差。這使得雙曲無線電導(dǎo)航系統(tǒng)能夠通過連續(xù)載波相位比較來精確地測(cè)量距離。
當(dāng)土木工程師和土地測(cè)量師Steve DeLoach剛加入美國(guó)陸軍工程兵團(tuán)(USACE)時(shí)，雙曲無線電系統(tǒng)用于水文定位和疏浚。現(xiàn)在已經(jīng)退休的DeLoach說:“我們當(dāng)時(shí)必須在全國(guó)所有的海灣、河流和港口建立測(cè)量控制站，以確定信號(hào)塔的位置，還必須在航道上設(shè)置浮標(biāo)作為已知點(diǎn)，并從海岸的多個(gè)角度對(duì)這些塔進(jìn)行測(cè)量。這些浮標(biāo)經(jīng)常在離岸許多英里的地方，船會(huì)停靠在旁邊，船長(zhǎng)會(huì)喊‘標(biāo)記’，然后操作員就可以輸入兩個(gè)基站間的正確整周數(shù)。”
USACE調(diào)查人員在1980年左右建立了一個(gè)雙曲無線電基站
作為一個(gè)年輕的工程師，DeLoach被雙曲無線電系統(tǒng)的大量紙帶、旋轉(zhuǎn)的模擬刻度盤、有火災(zāi)隱患的大型船舶動(dòng)力系統(tǒng)和沒有垂直定位的狀況驚呆了。“所有的垂直信息都來自幾英里之外的潮汐站，因此存在很大的誤差。”DeLoach說。但撇開這些問題不談，雙曲無線電儀表現(xiàn)出了與GPS模糊解算同類的解算方法，這使得GPS載波相位定位方法在水文測(cè)量中的應(yīng)用值得探討。“使用一個(gè)已知的靜態(tài)點(diǎn)來解析整周數(shù)的方法正是20世紀(jì)60年代舊的雙曲無線電系統(tǒng)在海洋環(huán)境中所做的。”DeLoach說。將雙曲無線電儀和其他海洋導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行比較，可以證明GPS確實(shí)可以工作，并能提供兼容的結(jié)果，這些結(jié)果也幫助DeLoach在20世紀(jì)80年代后期向USACE申請(qǐng)資金，開發(fā)用于水文測(cè)量和疏浚的GPS載波相位定位系統(tǒng)，從而引領(lǐng)了RTK的發(fā)展。DeLoach說，雙曲無線電儀計(jì)算相位差的航線，而這正是測(cè)地的GPS所做的。這是同樣的基礎(chǔ)數(shù)學(xué)問題，只是衛(wèi)星軌道相對(duì)于地面基站變得復(fù)雜。Remondi在1989年加入了疏浚項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)，作為其關(guān)鍵問題的解決者之一，但在該階段的開發(fā)開始之前，還需要找到其他通往RTK的基石。
陸地上的厘米級(jí)GPS定位
Macrometer是另一個(gè)在GPS定位中展示厘米級(jí)精度的前身技術(shù)。20世紀(jì)80年代，麻省理工學(xué)院(MIT)物理學(xué)家Charles Counselman領(lǐng)導(dǎo)了Macrometer V-1000的研發(fā)。據(jù)《麻省理工科技評(píng)論》在2010年發(fā)表的一篇文章，美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)的一名科學(xué)家把Counselman的這項(xiàng)發(fā)明稱為“萬靈油”，但很快就被證明是錯(cuò)誤的，因?yàn)檫@項(xiàng)發(fā)明是結(jié)合無線電和天文學(xué)的專業(yè)知識(shí)，開發(fā)出的利用GPS的新方法。
20世紀(jì)80年代早期，Counselman在一系列演示中證明了他的技術(shù)，隨后被授予36項(xiàng)專利。但是，盡管Macrometer展現(xiàn)出了非凡的準(zhǔn)確性，但它在日常民用測(cè)量中也有缺點(diǎn)。它昂貴、沉重，需要兩個(gè)人來搬運(yùn)，而且必須用一輛多功能車來運(yùn)輸。即便如此，它仍將在研發(fā)更精簡(jiǎn)、更靈活的商用GPS系統(tǒng)方面發(fā)揮重要作用。
2008年Counselman獲得美國(guó)地球物理學(xué)會(huì)Charles A. Whitten獎(jiǎng)?wù)聲r(shí)發(fā)表的一篇文章指出，“如今，搭載Chuck技術(shù)的GPS接收機(jī)便攜、廉價(jià)、無處不在。看看引擎蓋下，你會(huì)在里面發(fā)現(xiàn)許多他的基本專利。”
以上內(nèi)容來源于網(wǎng)絡(luò)，出于傳遞信息及學(xué)習(xí)之目的
接下來，我們將主要關(guān)注20世紀(jì)80年代，看看是什么啟發(fā)了GPS在陸地和海洋測(cè)量中的深入探索。
使用地外系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)精度
利用相位差進(jìn)行高精度基線測(cè)量，如甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量 (VLBI)，是衛(wèi)星大地測(cè)量學(xué)的發(fā)展基礎(chǔ)。1978年發(fā)射的第一顆GPS衛(wèi)星，其設(shè)計(jì)初衷是使用基于碼偽距的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)水平3-5米和垂直10-15米的實(shí)時(shí)精度，但聰明的科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了它巨大的潛力。科學(xué)家們認(rèn)為可以使用兩個(gè)接收機(jī)來解讀非編碼信號(hào)(稱為載波相位信號(hào))，以達(dá)到厘米級(jí)精度的測(cè)量，這被稱為載波相位差分GPS定位。
許多人開始開發(fā)用于提取和處理這些數(shù)據(jù)的軟件算法，以及開發(fā)改進(jìn)GPS測(cè)量能力的技術(shù)。這其中一位就包括Benjamin W. Remondi博士。這位“實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量之父”畢生的研究成果至今仍在被使用，例如三重差分法、天線交換法和動(dòng)態(tài)測(cè)量法。
海上米級(jí)定位
在Remondi的研究之前，也有一些技術(shù)利用廣播無線電在港口對(duì)進(jìn)行工程建設(shè)的船舶進(jìn)行米級(jí)定位。其中之一是雙曲無線電導(dǎo)航系統(tǒng)，它是一個(gè)海上導(dǎo)航系統(tǒng)，它的工作依賴于陸上基站的載波信號(hào)。20世紀(jì)40年代，工程師Charles Hastings發(fā)明了一種方法，用來測(cè)量疊加在飛機(jī)和地面站之間傳輸?shù)臒o線電波上的信號(hào)的相位差。這使得雙曲無線電導(dǎo)航系統(tǒng)能夠通過連續(xù)載波相位比較來精確地測(cè)量距離。
當(dāng)土木工程師和土地測(cè)量師Steve DeLoach剛加入美國(guó)陸軍工程兵團(tuán)(USACE)時(shí)，雙曲無線電系統(tǒng)用于水文定位和疏浚。現(xiàn)在已經(jīng)退休的DeLoach說:“我們當(dāng)時(shí)必須在全國(guó)所有的海灣、河流和港口建立測(cè)量控制站，以確定信號(hào)塔的位置，還必須在航道上設(shè)置浮標(biāo)作為已知點(diǎn)，并從海岸的多個(gè)角度對(duì)這些塔進(jìn)行測(cè)量。這些浮標(biāo)經(jīng)常在離岸許多英里的地方，船會(huì)停靠在旁邊，船長(zhǎng)會(huì)喊‘標(biāo)記’，然后操作員就可以輸入兩個(gè)基站間的正確整周數(shù)。”
作為一個(gè)年輕的工程師，DeLoach被雙曲無線電系統(tǒng)的大量紙帶、旋轉(zhuǎn)的模擬刻度盤、有火災(zāi)隱患的大型船舶動(dòng)力系統(tǒng)和沒有垂直定位的狀況驚呆了。“所有的垂直信息都來自幾英里之外的潮汐站，因此存在很大的誤差。”DeLoach說。但撇開這些問題不談，雙曲無線電儀表現(xiàn)出了與GPS模糊解算同類的解算方法，這使得GPS載波相位定位方法在水文測(cè)量中的應(yīng)用值得探討。“使用一個(gè)已知的靜態(tài)點(diǎn)來解析整周數(shù)的方法正是20世紀(jì)60年代舊的雙曲無線電系統(tǒng)在海洋環(huán)境中所做的。”DeLoach說。將雙曲無線電儀和其他海洋導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行比較，可以證明GPS確實(shí)可以工作，并能提供兼容的結(jié)果，這些結(jié)果也幫助DeLoach在20世紀(jì)80年代后期向USACE申請(qǐng)資金，開發(fā)用于水文測(cè)量和疏浚的GPS載波相位定位系統(tǒng)，從而引領(lǐng)了RTK的發(fā)展。DeLoach說，雙曲無線電儀計(jì)算相位差的航線，而這正是測(cè)地的GPS所做的。這是同樣的基礎(chǔ)數(shù)學(xué)問題，只是衛(wèi)星軌道相對(duì)于地面基站變得復(fù)雜。Remondi在1989年加入了疏浚項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)，作為其關(guān)鍵問題的解決者之一，但在該階段的開發(fā)開始之前，還需要找到其他通往RTK的基石。
Macrometer是另一個(gè)在GPS定位中展示厘米級(jí)精度的前身技術(shù)。20世紀(jì)80年代，麻省理工學(xué)院(MIT)物理學(xué)家Charles Counselman領(lǐng)導(dǎo)了Macrometer V-1000的研發(fā)。據(jù)《麻省理工科技評(píng)論》在2010年發(fā)表的一篇文章，美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)的一名科學(xué)家把Counselman的這項(xiàng)發(fā)明稱為“萬靈油”，但很快就被證明是錯(cuò)誤的，因?yàn)檫@項(xiàng)發(fā)明是結(jié)合無線電和天文學(xué)的專業(yè)知識(shí)，開發(fā)出的利用GPS的新方法。
20世紀(jì)80年代早期，Counselman在一系列演示中證明了他的技術(shù)，隨后被授予36項(xiàng)專利。但是，盡管Macrometer展現(xiàn)出了非凡的準(zhǔn)確性，但它在日常民用測(cè)量中也有缺點(diǎn)。它昂貴、沉重，需要兩個(gè)人來搬運(yùn)，而且必須用一輛多功能車來運(yùn)輸。即便如此，它仍將在研發(fā)更精簡(jiǎn)、更靈活的商用GPS系統(tǒng)方面發(fā)揮重要作用。
2008年Counselman獲得美國(guó)地球物理學(xué)會(huì)Charles A. Whitten獎(jiǎng)?wù)聲r(shí)發(fā)表的一篇文章指出，“如今，搭載Chuck技術(shù)的GPS接收機(jī)便攜、廉價(jià)、無處不在。看看引擎蓋下，你會(huì)在里面發(fā)現(xiàn)許多他的基本專利。”
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