一篇文告诉你RTK变迁之技术前身

发布时间:2022-02-16 10:00:59
  谈到实时动态 (RTK),想要充分了解其发展轨迹就永远不要忘记其本源,尤其是推动使用全球定位系统 (GPS) 进行静态和动态测量的技术前身和研究基石。
  接下来,我们将主要关注20世纪80年代,看看是什么启发了GPS在陆地和海洋测量中的深入探索。
一篇文告诉你RTK变迁之技术前身
 
  1985年底或1986年初,Charles R. Trimble在华盛顿Smithsonian博物馆为Trimble的第一台GPS接收机签署了一份赠予协议。
  使用地外系统实现厘米级精度
  利用相位差进行高精度基线测量,如甚长基线干涉测量 (VLBI),是卫星大地测量学的发展基础。1978年发射的第一颗GPS卫星,其设计初衷是使用基于码伪距的信号,实现水平3-5米和垂直10-15米的实时精度,但聪明的科学家们发现了它巨大的潜力。科学家们认为可以使用两个接收机来解读非编码信号(称为载波相位信号),以达到厘米级精度的测量,这被称为载波相位差分GPS定位。
  许多人开始开发用于提取和处理这些数据的软件算法,以及开发改进GPS测量能力的技术。这其中一位就包括Benjamin W. Remondi博士。这位“实时动态测量之父”毕生的研究成果至今仍在被使用,例如三重差分法、天线交换法和动态测量法。
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  德州仪器4100,或TI 4100,用于早期的GPS测量实验。
  海上米级定位
  在Remondi的研究之前,也有一些技术利用广播无线电在港口对进行工程建设的船舶进行米级定位。其中之一是双曲无线电导航系统,它是一个海上导航系统,它的工作依赖于陆上基站的载波信号。20世纪40年代,工程师Charles Hastings发明了一种方法,用来测量叠加在飞机和地面站之间传输的无线电波上的信号的相位差。这使得双曲无线电导航系统能够通过连续载波相位比较来精确地测量距离。
  当土木工程师和土地测量师Steve DeLoach刚加入美国陆军工程兵团(USACE)时,双曲无线电系统用于水文定位和疏浚。现在已经退休的DeLoach说:“我们当时必须在全国所有的海湾、河流和港口建立测量控制站,以确定信号塔的位置,还必须在航道上设置浮标作为已知点,并从海岸的多个角度对这些塔进行测量。这些浮标经常在离岸许多英里的地方,船会停靠在旁边,船长会喊‘标记’,然后操作员就可以输入两个基站间的正确整周数。”
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  USACE调查人员在1980年左右建立了一个双曲无线电基站
  作为一个年轻的工程师,DeLoach被双曲无线电系统的大量纸带、旋转的模拟刻度盘、有火灾隐患的大型船舶动力系统和没有垂直定位的状况惊呆了。“所有的垂直信息都来自几英里之外的潮汐站,因此存在很大的误差。”DeLoach说。但撇开这些问题不谈,双曲无线电仪表现出了与GPS模糊解算同类的解算方法,这使得GPS载波相位定位方法在水文测量中的应用值得探讨。“使用一个已知的静态点来解析整周数的方法正是20世纪60年代旧的双曲无线电系统在海洋环境中所做的。”DeLoach说。将双曲无线电仪和其他海洋导航系统进行比较,可以证明GPS确实可以工作,并能提供兼容的结果,这些结果也帮助DeLoach在20世纪80年代后期向USACE申请资金,开发用于水文测量和疏浚的GPS载波相位定位系统,从而引领了RTK的发展。DeLoach说,双曲无线电仪计算相位差的航线,而这正是测地的GPS所做的。这是同样的基础数学问题,只是卫星轨道相对于地面基站变得复杂。Remondi在1989年加入了疏浚项目团队,作为其关键问题的解决者之一,但在该阶段的开发开始之前,还需要找到其他通往RTK的基石。
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  陆地上的厘米级GPS定位
  Macrometer是另一个在GPS定位中展示厘米级精度的前身技术。20世纪80年代,麻省理工学院(MIT)物理学家Charles Counselman领导了Macrometer V-1000的研发。据《麻省理工科技评论》在2010年发表的一篇文章,美国国家航空航天局(NASA)的一名科学家把Counselman的这项发明称为“万灵油”,但很快就被证明是错误的,因为这项发明是结合无线电和天文学的专业知识,开发出的利用GPS的新方法。
  20世纪80年代早期,Counselman在一系列演示中证明了他的技术,随后被授予36项专利。但是,尽管Macrometer展现出了非凡的准确性,但它在日常民用测量中也有缺点。它昂贵、沉重,需要两个人来搬运,而且必须用一辆多功能车来运输。即便如此,它仍将在研发更精简、更灵活的商用GPS系统方面发挥重要作用。
  2008年Counselman获得美国地球物理学会Charles A. Whitten奖章时发表的一篇文章指出,“如今,搭载Chuck技术的GPS接收机便携、廉价、无处不在。看看引擎盖下,你会在里面发现许多他的基本专利。”
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