定位系统(GPS)技术的新进展 讲 多功能卫星导航定位服务

建立系统的必要十性调制卫星上增设第二个个民*lish*终将扩充至约250个基准站。ht准站站间的平均距的为迎接新世纪挑战而实施的战略措施其主要任务是建立资源、环境、社会、经济等多种信息资料的米集、传输、处理、分析、分发、反馈、决策的网络服务体莱正如工业技术时代的能源和交通是社会经济发展的基础设施一样，“空间数据基础设施”是信息社会和知识经济时代必不可少的基础设施。

全球定位系统GPS具有全球性全天候、连续实时、精确的导航定位授时功能，能在任何时刻为全球任何地方的用户提供三维位置、三维运动速度和精确的时间等信息；其用户设备又具有抗干扰能力强、小巧轻便、廉价、能耗低等一系列优点，因而在交通运输、资源调查、环境监测、灾害预报、精细农业等各个领域以及军事方面得到了广泛的应用，此外在大气科学和地球科学等相关学科的研究中也发挥了重要作用；从而成为“空间数据基础设施”中的一个重要组成部分。

近年来美国政府对GPS政策进行了必要的调整。1996年3月在总统指令（PDD）中宣布：美国将在20002006年间取消SA政策；鼓励各国用户为商业、民用、科研等和平用途而广泛使用全球定位系统；支持美国联邦航空管理局（FAA）实施广域增强差分GPS（WAAS）计划，并努力争取使其成为国际标准2000年5月2日4时左右（UTC时间）SA政策已取消（但必要时在局部范围内仍可恢复实施），未经美国政府授权的广大用户的实时单点定位精度已有了大幅度提高。此外美国政府还承诺将对全球定位系统作进-步的改进和完善，例如在L2载波上频率等。这些措施无疑将对GPS技术的推广和普及产生积极的影响。

由前苏联研制组建，由俄罗斯接管的GLONASS卫星导航定位系统已于20世纪90年代建成并投入运行。由于卫星的平均寿命过短以及经费短缺未及时补发卫星等原因，导致目前能正常工作的在轨卫星数过少，因而影响了该系统的正常使甩随着俄罗斯经济的恢复和发展以及通过国际协作等方式，相信该系统在不久的将来能很快恢复正常工作。目前欧洲正在积极组建自己的卫星导航定位系统一一伽利略系统，计划将于2008年建成投入运行。*近我国已将两颗北斗导航定位试验卫星送入同步轨道，组成双星定位系统这些卫星导航定位系统的建成，为建立多功能的卫星导航定位服务系统创造了更为有利的条件，改变了单衣赖全球定位系统的局面，使我们有可能综合利用多个卫星导航定位系统来进-步改进整服务系统的可靠性和精度。

1多功能卫星导航定位服务系统的现状目前国内外较有影响的多功能卫星导航定位服务系统，已作了-些有益的尝试1.1美国的连续运行站网系统（CORS）星跟踪网，美国海岸警卫队的差分GPS网，美国联邦航空管理局的广域差分增强网和美国工程兵的GPS卫星跟踪网所组成。目前共有137个基准站，离为100~200km，覆盖包括阿拉斯加在内的整个美国大陆。各基准站上均配备有双频全波长GPS接收机和带抑径圈的天线。该系统将通过互联网向美国及全球用户提供基准站坐标和观测资料。这样在美国国内任一地点的用户只需用一台GPS接收机即可进行精密相对定位此外CORS还可为美国提供新一代的动态国家坐标系；提供大地水准面差距和坐标转换服务；并可满足气象预报、地震监测、实时广域差分、地球动力学研究等部门和领域的要求该系统的服务方式原则上是公益性的。

1.2加拿大的主动控制网系统（ACS）拿大已建成的十几I期连续运行的GPS卫星跟踪站组成其用途主要有：一一提供动态框架；一一通过互联网提供站坐标和GPS观测值，供用户进行事后精密定位一一提供广域差分GPS服务（精密星历、卫星钟改正、电离层延迟模型）1.3德国的卫星定位与导航服务计划该计划是把德国各部门的差分GPS系统统一起来，建立一个长期连续运行的覆盖全德国的多功能GPS导航定位服务系统作为国家空间数据基础设施的重要组成部分，它由200个基准站组成。站间平均距离仅为40km左右，因而可构成德国动态的首级大地控制网。该系统可提供的服务有：过互联网向用户提供站坐标及观测资料。以满足精密工程测量部门和地球动力学研究的需要。定位精度为mm级或更好。

系统提供站坐标及观测值，其服务对象主要是城市测量、精密工程测量等用户，定位精度为1cm一一高精度实时定位服务系统通过UHF向用户播发站坐标和观测值（RTCM21格式），以满足工程测量、城市测量、管线测量、航空等用户的实时定位的需要。定位精度为1~5cm一一实时差分GPS服务。系统采用RTCM20格式通过长波或中波无线电通信方式，向用户播发站坐标和差分改正数，以满足车船导航、环境监测农林等部门的需要，其导航定位精度为1~4日本的GPS连续应变监测系统（COSMOS）日本的连续应变监测系统*终将由1200个长期连续运行的GPS基准站组成站间距离平均为30km左右。在东京、京都、关东等地区的间距则仅式GPS阵列是日本重要的国家基础设施。其主要功能是：地震监测和预报。

方面的保一一满足测图和GIS数据采集和更新的需要。

一一气象监测和天气预报。

1.5国内发展概况国家测绘局从1993年起着手建立我国的GPS卫星跟踪网。武汉、北京、拉萨、鸟鲁木齐、哈尔滨海口、西安等站已建成并投入正常运行。1994-1997年间还进行了建立我国的广域差分GPS网的方案研究，提出了建立多功能分布式广域差分站网的思想，并于1998年2月通过了国家验收和鉴定中国地震局、中国科学院、国家测绘局和总参测绘局在国内组建了中国地壳运动观测网络，共包含25令永久性GPS基准站，其主要用途是监测地壳运动的情况交通部海监局拟在中国沿海建立20此外深圳、香港、北京、上海等城市已建立或准备建立多功能区域性的卫星导航定位服务系统这些系统是由不同的部门负责组建的，其主要用途也不相同如有的系统主要是为了满足导航和定位的需要，有的系统主要是为了满足气象监测和天气预报的需要，但这些系统一般也都兼顾了其他用途，所以基本上都属于多功能的卫星导航定位服务系统。

2服务系统的主要功能2.1建立动态的框架由于用常规大地测量的方法建立框架耗资巨大费时多，故框架一旦建立后，难以频繁地进行复测由于板块运动、地震及局部性的地壳运动等自然原因以及采矿、抽取地下水建造大型建筑物等人为原因，地面控制点的三维坐标是在变化的。数10年前测定的控制点坐标并不-定能准确反映目前的位置。利用常规方法建立的框架中含有大量的不同等级的平面控制点和高程控制点，开展大规模的经济建设时难以一-顾及，从而使大量的控制点被破坏，此外风吹雨淋日晒也会使觇标、标石等测量标志逐渐风化锈蚀为他15kma由日本地理院组这种格网一般每年一次s由5准站都在呢期连续多功能卫星导航定位服务系统建立后，其基准站就组成了一个动态框架。这些台站的站坐标观测，采集的数据量极为丰富，所以不但可获得高精度的站坐标，而且还有可能对站坐标的变化过程加以描述。加上卫星定位具有测站间无需保持通视、观测不受气侯条件限制、可同时测定站的三维坐标以及快速廉价精确等优点，从而使服务系统有可能取代常规大地测量方法而成为建立和维持坐标框架的主要手段22事后精密定位服务用户可通过互联网或其他数据传输渠道获取相邻基准台站的站坐标以及GPS观测值。这样用户只需用一台GPS接收机即可进行高精度的相对定位，进而获得测站的精确坐标这无疑具有很高的经济效益和社会效益在城市多功能服务系统中，由于基准站的密度较大，故用户距相邻基准站的距离较近，例如<15km在全国范围内建立多功能卫星导航定位服务系统时，基准站间的距离会大得多，故用户离相邻基准站间的距离有可能达150~200km进行长时间观测后按-般静态相对定位法进行定位在技术上也已较为成熟，但作业效率较低美国大地测量局（NGS）正在研制长距离快速定位软件，其目标是在100~200km的长边上进行数分钟的观测后即可获得cm级的相对定位精度。此外在布网方案方面也需作进一步研究。例如当用户需布设一个密度较大的控制网时，是按传统方案自行布设一个独立的短边网并与相邻基准点进行联测好，还是从基准点上按“星形布网法”逐个确定各控制点的位置好，总之在长距离快速定位方面还有不少技术问题有待解决事后精密定位服务的主要应用领域是控制测量、地球动力学研究和精密工程测量23实时定位服务基准站通过无线电通信等方式，将站坐标及载波相位观测值等实时播发给在其附近工作的用户。用户在确定整周模糊度后，即可逐历元地解算自己的位置确定整周模糊度时，既可采用初始化的方法，也可采用OTF方法。定位时通常采用双差观测值（在卫星和接收机间求差）其主要用途是：进行低等级控制测量、工程测量、施工放样、GIS的数据采集及更新、大比例尺测图等。常规RTK技术是利用用户和基准站间的误差相关性来削弱公共误差对定位结果的影响的。为保持误差的相关性，用户离基准站的距离不宜过远，例如不超过15km，超过限定距离后，定位精度将随着距离的增加而迅速下降。网络RTK就是为解决上述问题而引入的一种新方法。它是在一个相当大的范围内较均句地稀疏地布设多个基准站，用户依据周围若干个法，例如内插法、虚拟基准站法、线性组合法等，即可获得相当精确的定位结果有关网络RTK的详细情况将专设-讲予以介绍。2.4差分GPS服务差分GPS有庞大的用户群体，其主要服务领域有地面车辆（如警车、运钞车救护车、消防车、外宾和首长车队等特殊车辆以及出租车、公交车、货车等-般车辆）、船舶、飞机等交通运输工具；GIS的数据采集及更新；中、小比例尺测图；资源调查，环境监测等。在组建了多功能的连续运行的基准站网后，原则上应采用广域差分技术，至少从全局上讲应采用广域差分技术但这也不妨碍在局部地区使用常规差分技术因为-般的GPS接收机通常都与采用标准格式的常规差分GPS兼容，可直接接收处理常规差分GPS的改正信息目前在大范围中采用广域差分GPS技术或在局部小区域内采用常规差分GPS技术一般均可获得m级精度的定位结果2.5数据处理服务与绝大部分用户相比，多功能卫星导航定位服务系统中的数据处理中心不仅有更多更好的数据处理设备；有更为丰富翔实的相关资料，如高精度、高分辨率的地球重力场模型和大地水准面差距（高程异常）资料，各种坐标转换参数及高质量的数据处理软件等；而且作业人员的素质也较高，有更丰富的数据处理经验所以，对于大多数用户而言，通过互联网或邮寄光盘等方式，将自己的观测资料送往服务系统的数据处理中心代为进行数据处理，之后再将结果送还用户，无疑比自行处理更为有利2.6监测电离层延迟和总电子含量般均用两种不同的频率来发射卫星信号。这些信号在通过电离层时将产生延迟（此处的延迟为专用术语，含信号滞后或超前）由于频率不同，这两种信号所产生的延迟量也不相同。也就是说两种不同频率的信号从卫星至接收机的信号传播时间是不相同的，用它们测定的卫地距也是不相同的。以GPS为例，用测码伪距来推求电离层延迟时的公式为：上的测距码所测得的伪距；（Vion）Lj和（Vion）L2分别为和d2所受到的电离层延迟的改正数。用载波相位观测值推求电离层延迟的公式为：从而有：求得信号传播方向的总电子含量Tec后，即可用下式求得穿刺点（信号传播路径与中心电离层的交点）处天顶方向的总电子含量VTec若在某一时段内共有观测历元L个，每历元平均观测的卫星数为M个，某区域内共有N个基准站，用上述方法就能测定L.M.N个VTec值，藉此就可用多项式拟合法、球谐函数拟合法或格网法等方法建立该时段该区域的VTec模型，并进行短时间的预报供单频机用户进行电离层延迟改正利用测码伪距观测值建立的电离层延迟模型可达dm级至m级的精度，用载波相位观测值建立的模型可达cm级至dm级的精度IGS早在几年前也已开展全球电离层延迟服务。2.7GPS气象学卫星信号通过对流层时会产生对流层延迟，该延迟量与气温、气压、水气压等气象元素有关。所以在基准站上进行GPS测量后，只需要精确确定对流层延迟，即可反解出上述气象元素。这种利用地面GPS测量来遥感大气中的气象元素的理论、方法和技术称为地基GPS气象学。目前地基GPS气象学中较成熟的技术是测定大气中可析出水量，其具体做法是精确测定基准站上的大气压和气温，并且用公式求得对流层延迟中的干分量从总的对流层延迟中减去该干分量后即可获得湿分量，*后再设法将湿分量转换成可析出水量利用上述方法所求得的可析出水分的精度约为1~2mm，时间分辨率为0.5~1h该项技术在天气预报气象学研究、农业、林业、防汛抗旱等领域内都具有重要作甩只需花费少量资金配备高精度的气压计和温度计后，原已建成的各GPS基准站即可具有上述功能国内外有不少气象部门也正在着手建立GPS气象监测和预报系统上述讨论对其它各种卫星导航定位系统原则上也均适甩3结语卫星导航定位系统具有十分广阔的用户群体。各部门各单位为满足单一用途而各自布网的做法是-种分散的、重复的、低水平的运作模式。其设备利用率低，投资效果差，台站布局不合理，并导致无线电频率资源的拥挤和浪费。统一规划，互相协商，合理布局，统一作业纲要，实现数据共享，组成多功能的卫星导航定位服务系统是一种较为理想的解决方案服务系统的建立将使传统的控制测量和定位技术产生一场革命，促进导航、气象、电离层研究和精密时间比对等领域的行业进步。口