RTK产品市场调研
项张义2019-01-14 11:18
4G高精度定位终端市场调研
1 产品定义与目标市场
4G高精度定位终端是指使用4G通信手段，围绕GNSS定位输出高精度位置数据的一种终端形态。本调研报告所指的高精度定位终端，特指地用户4G通信手段，融合RTK定位技术，使用GNSS中的RTK定位算法，持续输出高精度位置服务的一种特定终端。按照产品的使用方式不同，可以将产品分为测绘测量形态的终端（RTK基准站和流动站），特殊行业应用的终端（行业巡检终端）以及大众位置输出的高精度定位终端。
在RTK应用领域，通过市场调研发现只有在传统的测绘测量行业以及涉及到安全的行业才使用RTK定位技术，在普通的个人应用领域，以及在大众消费领域、移动车载领域当期不涉及使用RTK定位技术。
在传统的测绘测量领域，RTK应用已经日趋成熟，无线通信制式由最早的塔台通信（UHF）逐代演进为GSM通信、3G通信、4G通信，并通过在终端集成更多的通信制式，比如wifi、蓝牙等，和更多的系统软件功能，比如GIS软件，地理运算软件等，实现测绘测量领域手持终端（移动站）的便携性与智能性。
伴随着技术的发展演进以及产品成本逐代的降低，RTK技术整越来越走出最早所覆盖的测绘测量领域，整在逐步走向更多涉及到民生安全的工程领域，比如石油燃气安全巡检、电力巡检等特殊领域。这这些特殊领域中，需要将高精度定位与着眼于安全的业务流程结合，让高精度位置服务成为解决某个问题的方法和手段。
而在民用消费领域，以及伴随着GNSS最早的车载定位领域，受限于RTK技术的局限，特别是RTK定位技术对于天线、基准站的覆盖以及传输实时性等基础技术的要求，暂时没有使用到RTK定位技术。高精度在民用领域的普及，依然是任重道远的事情。
2 市场发展历程
2.1 系统架构
自从1980年代第一个民用GNSS接收机诞生以来，作为高精度GNSS应用的代表，RTK技术近年来取得了突破性发展。与此同时，GNSS硬件设备也经历了三次大的变革，从分体式到一体式，以及新一代的手持式，直接推动了RTK技术的普及和发展。
RTK技术的简单系统架构图可以归纳为下图。
地面接收机接受卫星信号，并通过网络与流动站建立联系，通过地面接收站和流动站之间数据差分，用以消除卫星信号不确定性的影响。从而提高定位精度。
一种更加复杂的RTK算法，是将地面接收站网络化，形成网络RTK系统，也就是我们通常意义上的CORS系统。网络RTK技术是在某一区域内建立多个(3个或以上)GNSS基准站，对该地区构成网状覆盖，并以这些基准站中的一个或多个为基准，计算和发播GNSS改正信息，对该地区内的GNSS用户进行实时改正的定位方式。实际应用中,网络RTK技术已经越来越多的在测量测绘领域应用。
2.2 发展历史
第一代RKT
第一代RTK，也称背包式RTK，主要由GNSS天线、GNSS接收机、通信电台及手簿几个部分组成，代表型号有Trimble 5700、Leica GXl230等。
背包式RTK基站一般架设在已知点上，主机在接收到GNSS信号后，通过连接的发射电台将观测信息播发至流动站。背包式RTK流动站的GNSS天线由对中杆支撑，通过射频电缆连接至GNSS主机，主机通过数据电缆与手簿和通信电台连接，主机在接收自身的观测信号的同时接收基站经过电台发来的观测量，解算后通过手簿显示出来。
第一代RTK技术在上世纪90年代已经在测绘测量领域有所应用，由于年代较早，不支持无线网络通信，通常使用无线电台发送差分改正信号。考虑到无线电波传输特性，在地形起伏地区或者城市市内，无线电台所起到的无线通信作用有限，限制了RTK实的实际作业范围。
第二代RTK
第二代RTK，也称一体式RTK，主要由GNSS接收机和手簿两部分组成，代表型号有Trimble 5800、苍穹eFix R1、华测X20、中海达HD V30、南方灵锐$80等。第二代RTK接收机的一体化设计将GNSS天线、GNSS接收机、内置电台和电池进行了集成，形成一台集成式主机，主机和手簿之间通过蓝牙进行通信，免除了主机和手簿之间的有线连接，相比于第一代背包式RTK更有利流动站工作。
第二代RTK可内置多模通讯单元，包括GPRS、CDMA、3G等移动通信模块，用户可根据实际野外作业的需求进行自由配置，模块化的设计也更有利于产品部件的定制、更换和维修。一般情况下，第二代RTK设备也兼容外置电台，可根据需要扩大使用无线电通讯的作业范围，保证更高质量的数据传输以及仪器设备的低功耗。由于兼容公共移动网络通讯，使得作业范围只需保证流动站和基准站大气误差强相关，摆脱了数据传输距离的限制，且具备较强的抗干扰能力，即使在城市复杂环境中仍然能提供良好的数据传输保障。
第三代RTK
第三代RTK，也称手持式RTK，它将GNSS接收机、GNSS内置天线、无线通讯(如4G、WiFi、蓝牙等)、手簿、摄像头、电池等模块集成为一个新的手持定位设备，对于特殊应用，也可外部连接GNSS天线和电台等模块，代表型号有Trimble GeoExplorer 6000，苍穹eFix R2等。手持式RTK的一般操作模式如图3所示。第三代手持式RTK的设计中GPRS、3G、4G移动通讯成为了数据传输链路的主流。
由于手持式RTK一般均内置WiFi／4G模块，可实现上网、通讯、数据上传/下载等功能，使测量工作更加的方便有效，同时内置蓝牙／GPRS模块可实现与手机近／远程通讯，利用手机存储、查看测量成果并监控测量工作的进行。内置的摄像头可以支持实地作业环境的影像数据采集，并可通过4G等无线网络通讯实时传输影像信息，实现内外业测量工作的一体化，可广泛应用于国土、林业、农业、交通、卫生、通讯、环保、水利等的资源调查、普查及管理、资源监测、灾害预防、勘界、线路巡检，车辆及人员的监控、调度和指挥等，极大地拓展了RTK的使用领域。
3 产品分析
3.1 测绘测量领域的RTK终端
通过分析RTK技术的发展历史，可以得出结论：RTK技术从最早使用塔台传输差分向量到结合新技术，使用新的通信手段来传输差分向量，其本质与核心是建立一套完善的、稳定的、可以持续运营的CORS系统以及建立一套完善的、高精度的、便携性的、可开发应用的手持设备。
当前国内外提供测绘测量应用的企业包括：美国天宝、诺瓦泰、华测、南方测绘、合众思壮、中海达等企业。其RTK产品提供从工程测量（地面沉降、形变监测、隧道贯通测量等）、航空摄影测量（航摄导航、机载GNSS导航、外业控制测量等）、地基增强系统、GIS产品等在内的全系列解决方案。这类方案几乎都涉及到RTK的基准站以及流动站。
基准站产品
分析上述企业的基准站产品，得出的共性结论如下：
1）外业使用，为此需要考虑产品的稳定性、持续运行的可靠性以及产品在不同气象不同的温湿度条件下的工作性能，特别需要考虑产品的安全系统和供电系统；
2）基准站作为CORS系统的组成部分，需要能够接入数据中心，为此需要配备持续可用的通信系统；
3）基准站作为地面参考系统，需能够接受全系统GNSS卫星信号，能对不同的卫星系统做数据解算与处理；
4）基准站作为流动站的数据来源，需要考虑与流动站的数据交互方法，为此配备不同制式的无线通信方式是有必要的，为此需要将wifi、蓝牙、UHF等不同制式的无线通信技术纳入基准站的考虑范围内；
5）考虑基准站在弱信号下的数据处理与解算能力，为此需要配备一颗高效率的天线和GNSS芯片，以及一个具备一定计算能力的CPU；
6）由于基准站通常架设在户外偏僻区域，为此需要考虑产品和系统维护的成本，一个可以远程升级的操作系统是必要的，为此其操作系统应该为智能操作系统，其内部存储应该足够大。
是以，RTK基准站是一款体积较大的户外作业专业设备，提供全系统全通信制式，能与不同的流动站互动，并配备大天线，具备大数据计算能力。
以下为中海达基准站产品实拍图以及相应参数
l 系统配置
操作系统：智能操作系统
启动时间：1s
数据存储：内置8GB存储器
l GNSS配置
系统内核：采用多星系统内核
通道数：220
BDS：B1、B2、B3
GPS：L1C/A、L1C、L2C、L2E、L5
GLONASS：L1C/A、L1P、L2C/A、L2P、L3
GALILEO：GIOVE-A和GIOVE-B、E1、E5A、E5B
SBAS：L1C/A、L5；QZSS、WAAS、MSAS、GAGAN
输出格式：ASCII:NMEA-0183，二进制码
定位输出频率：1Hz~50Hz
差分支持：CMR、RTCM2.X、RTCM3.0、RTCM3.2
静态格式支持：GNS、Rinex双格式静态数据
l 精度和可靠
RTK定位精度：
平面：±（8+1×10-6D）mm（D为被测点间距离）
高程：±（15+1×10-6D）mm（D为被测点间距离）
静态定位精度：
平面：±（2.5+1×10-6D）mm（D为被测点间距离）
高程：±（5+1×10-6D）mm（D为被测点间距离）
DGPS定位精度：
平面精度：±0.25m+1ppm；
高程精度：±0.50m+1ppm
SBAS定位精度：0.5m
初始化时间：＜10秒
初始化可靠性：＞99.99%
l 通讯配置
双模蓝牙：双模，蓝牙4.0，向下兼容2.1
NFC闪联：实现蓝牙闪触配对
手簿通信：3G手簿差分（可选4G全网通）
外挂电台（选配）：HDL全能星电台，工作模式支持：外挂电台、网络中继、电台中继
网络模式：支持ZHD协议、NTRIP协议，支持内置千寻知寸服务
l 电源特性
功耗：3.2W
内置电池：高容量锂电池6300mAh/3.7V,可拆卸，单块电池工作时间7小时以上[2]
外部供电：USB口：直流4.2-5.5VDC/2A
小五芯接口：直流6-28VDC/2A
支持充电宝供电
l 物理特性
尺寸：127.5mm×57mm
主机重量：700g（含主机电池）
材料：外壳采用镁合金材料
l 环境特性
防尘防水：IP68；可抗2米水下临时浸泡，完全防止粉尘进入
测杆防摔：抗2米测杆自然跌落
相对湿度：100%抗泠凝
工作温度：-45℃～75℃
存储温度：-55℃～85℃
l 用户界面
按键：单按键
指示灯：3个LED指示灯：卫星灯、信号灯、电源灯
流动站产品
流动站产品是一款真正意义上的4G高精度手持设备，其设备小巧便捷，能与基准站互动，并配合测绘测量工程人员，完成特定的外业工作计划。
流动站产品又称手薄。是配合基准站共同工作的手持终端。考虑外业作业的便捷性和准确性，手薄的规格通常有如下的要求：
1）稳定可靠的无线通信系统，能对接公共网络，同时具备和基准站互动的通信技术；
2）高精度定位系统，带RTK解算能力，具备RTK解算所需的条件，比如大天线，长待机，专业系统软件等；
3）手持设备，小巧便捷；
4）内置高性能的电池，无需额外的供电系统；
5）内置专业的工程软件，可以现场快速解决测量问题或者工程问题；因此流动站通常要带一块屏幕；
6）可升级的操作系统，通常为智能操作系统；
7）具备不同条件下不同环境下的持续工作能力，为此需要考虑产品的三防，工作温度等细节；
是以，流动站可以看做是一个手持的高精度定位终端，具备与基准站互动的能力和条件，可以持续输出高精度位置，操作便捷，有内置的专业软件来解决系统问题。该终端与传统的大众应用类终端不同，它更注重产品的功能和实用性，而忽略产品的外观、美观度等细节，为此流动站不属于价格敏感型设备。其产品的市场价格在几百到几千不等。流动站的另外一个特色，就是内置可二次开发的软件，通常流动站产品所使用的系统为Android操作系统或者是Windows CE 操作系统，能在原有系统上二次开发对应的软件应用。
提供trimble的流动站实物样品如下，型号为GEO7X。
规格描述如下：
3.2 行业巡检领域的RTK终端
对于电力、铁路运输、石油燃气等安全工程行业，涉及到行业巡检需求，也需要高精度定位终端。
巡检领域从最早期人工巡检，到后来使用RTK设备自动巡检，得益于RTK技术的迅猛发展，使得巡检自动化效率大大提升。特别是在电力巡检领域，大量使用无人机巡检方案。
人工巡检产品
早期人工巡检是将特定的巡检线路按照既定的要求以人工作业方式在每一个固定站点防范安全隐患、消除安全威胁、确认安全得到保障。在巡检期间，RTK定位只是一种确认巡检轨迹的方法，其巡检所需终端还需提供对应于巡检流程的特定系统和软件。通常这类巡检终端，需要额外提供语音功能、拍照功能、实时数据传输给后台的通信功能、对特定问题添加描述的功能。
总结起来，人工巡检方式的终端可以定义为：
1）4G通信方式；
2）具备拍摄照片的能力；
3）具备语音通话的能力
4）具备特定时间特定事件报警的能力；
5）具备记录某个问题描述的能力；
6）具备高精度定位的能力；
7）具备运行特定系统软件的能力；
8）具备在严苛环境下持续工作的能力，特别是在严苛的温度和湿度下工作的能力；
一种较为典型的人工巡检产品为具备三防能力的Android 平板电脑。
同时，可将流动站作为人工巡检终端的产品形态之一。
在巡检终端这种应用形态上，需要同时考虑后台系统的搭建和持续运行，最终终端和后台形成一整套完整方案。
无人机巡检方案
无人机巡检方案的本质是用无人机替代人工巡检的方式。将摄像、拍照、沿着固定路线排查安全隐患、消除安全风险等业务都由后台自动化判断。
无人机的应用方向图如下所示。线路巡检是无人机的核心应用方向之一。目前国内已经具备成熟的无人机研发的条件，并大量投入使用。
2016年国内商业无人机市场出货量约为10万台，依据市场调研公司Counterpoint Research发布的报告（2018年1月）2018年无人机市场的出货将增长45%，其中商业市场应用增长速度较快，到2022年，商业无人机出货量将突破62万台。
3.3 大众应用领域的高精度产品
大众应用消费类产品领域目前尚未发现使用RTK定位方案的产品。
大众应用消费类产品领域，定位已经越来越多的融入到产品应用的各个方面，当前普通消费类产品，比如定位手表、定位手机、定位卡、民用定位追踪器等，依然使用的是普通消费类GNSS的精度，也就是10米左右的精度。在这类型的产品里面，更注重产品的外观、美观度、易用性以及实用性。受限于RTK对功耗、天线以及周边环境的较高要求，RTK应用当期未能摄入到大众消费品上。
在大众消费类产品领域，最为接近使用RTK产品的，是户外用三防手机。
案例：华测LT40北斗移动终端
LT40是华测导航自主研发生产的智能北斗手机，支持北斗、GPS、GLONASS全星座定位，精度高达亚米级。采用Android4.4系统，配备5.5寸超大抗摔耐磨屏幕，4300毫安持久电量，智能4G通信，双卡双待。此外，它还可扩展一维/二维条码扫描、红外通讯、NFC、PM2.5检测仪、温湿度传感器等多种传感器，全方位扩展，满足不同需求。
4 结论
4G高精度定位终端是一种集成GNSS数据处理、计算机、通信网络、电子制造、软件开发、数据应用算法等在内的多个复杂技术和系统的结合。在这个场景下，终端研制开发公司至少需要具备成熟的无线通信研发技术和卫星信号处理技术，并具备一定的软件开发能力。
RTK高精度定位终端当前依然是测绘测量行业应用的主要形态。在非测量领域，使用RTK产品的形态并不多见。
RTK的高精度定位终端，几乎都使用智能操作系统，通常为Android的操作系统或者Windows CE操作系统。这样的操作系统，能够独立的运行各行业应用所需的系统软件。
RTK的高精度定位终端，通常带一个显示屏，用于人机交互，设备的文件记录以及指令下达等业务需求。
小型化集成化是当前RTK产品的发展方向。将RTK定位技术、4G通信技术与短距离通信技术、成像技术、三维建模技术、传感器技术相结合，让更多的应用形态集成在同一个产品上。
无人机应用是RTK的另外一种更新的产品形态。随着无人机产品涉及到的动能技术、飞行技术、材料技术的日趋成熟，RTK的无人机应用正在成为行业应用的新增亮点。
RTK技术的民用化、小型化依然任重道远。在消费级市场上，RTK产品几乎没有涉及。
RTK产品不是价格敏感型产品，市场定价空间较大，同时，行业领头羊地位显著，行业跟随者尚未有能力撬动行业领先者的市场地位。
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