全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)GNSS的技術(shù)與應(yīng)用

季宇虹,王讓會(huì)

(南京信息工程大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇南京210044)

0 引 言

全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)(Global Navigation Satellite System,GNSS)泛指全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng),它包括利用美國的 GPS、俄羅斯的格洛納斯(GLONASS)及歐洲正在研發(fā)中的伽利略(GALILEO)和我國的北斗(BEIDOU)等衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中的一個(gè)或多個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行導(dǎo)航定位,并同時(shí)提供衛(wèi)星的完備性檢驗(yàn)信息(Integrity Checking)和足夠的導(dǎo)航安全性告警信息[1-3]。

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)具備全天候連續(xù)提供全球高精度導(dǎo)航的能力[4]。GNSS能滿足運(yùn)動(dòng)載體高精度導(dǎo)航的需要外,還能服務(wù)于高精度大地測量、精密授時(shí)、交通運(yùn)輸管理、氣象觀測、載體姿態(tài)測量、國土安全防衛(wèi)等多個(gè)領(lǐng)域。現(xiàn)今從軍用的導(dǎo)彈、戰(zhàn)機(jī)和軍艦到民用的汽車、飛機(jī)、個(gè)人電腦乃至手持式通信設(shè)備,幾乎處處都能用到衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)。

由于全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)具有政治、經(jīng)濟(jì)、軍事等多方面的重要意義,許多國家都在競相發(fā)展全球定位衛(wèi)星系統(tǒng)。隨著研究和應(yīng)用的不斷深入,GNSS已經(jīng)成為全世界發(fā)展最快的三大信息產(chǎn)業(yè)之一[5-10]。

1 GNSS的發(fā)展

20世紀(jì)70年代美國開始研制GPS,歷時(shí)20年,耗資300億美元,于1994年全面建成[5]。經(jīng)歷了三個(gè)階段:第一階段從1973年到1979年,為方案論證和初步設(shè)計(jì)階段,美國共發(fā)射了4顆試驗(yàn)衛(wèi)星,同時(shí)研制了地面接收機(jī)及建立地面跟蹤網(wǎng);第二階段從1979年到1984年,為全面研制和試驗(yàn)階段,又陸續(xù)發(fā)射了7顆試驗(yàn)衛(wèi)星,研制了各種用途的接收機(jī)。第三階段為實(shí)用組網(wǎng)階段。1989年2月4日第一顆GPS工作衛(wèi)星發(fā)射成功,表明GPS系統(tǒng)進(jìn)入工程建設(shè)階段。1993年底實(shí)用的GPS網(wǎng)即(21+3)GPS星座全面建成。

現(xiàn)今,美國正加速實(shí)施新一代的GPS-Ⅲ計(jì)劃,GPS-Ⅲ將改變?cè)械腉PS體系結(jié)構(gòu)[6]。衛(wèi)星的分辨率比目前衛(wèi)星高10倍,設(shè)計(jì)壽命為15-20年,GPS-Ⅲ的抗干擾能力比現(xiàn)有GPS系統(tǒng)提高了100～500倍,并采用了最先進(jìn)的加密技術(shù)(高功率點(diǎn)波束軍用M碼)。美軍預(yù)計(jì)將用20年時(shí)間發(fā)射24顆這種新型衛(wèi)星,替代目前的24顆舊的GPS系統(tǒng)的衛(wèi)星[5]。負(fù)責(zé)GPS-Ⅲ的洛馬公司團(tuán)隊(duì)已按計(jì)劃于2009年6月成功完成初始設(shè)計(jì)評(píng)審,之后將進(jìn)入關(guān)鍵設(shè)計(jì)評(píng)審階段[7]。GPS-Ⅲ將改進(jìn)定位、導(dǎo)航和授時(shí)服務(wù),并提供先進(jìn)的抗干擾能力,獲得較高的系統(tǒng)安全性、準(zhǔn)確性和可靠性。依據(jù)2008年5月簽署的30億美元的開發(fā)與生產(chǎn)合同,洛馬團(tuán)隊(duì)最多將建造12顆GPS-ⅢA衛(wèi)星,首次發(fā)射計(jì)劃將于2014年進(jìn)行。

俄羅斯、歐盟和中國等國考慮到國家安全、戰(zhàn)略發(fā)展以及GPS市場前景,于上世紀(jì)紛紛著手建立自主的全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)并開展了與之相關(guān)的應(yīng)用研究。

20世紀(jì)80年代初前蘇聯(lián)開始建設(shè)格洛納斯GLONASS(Global Navigation Satellite System)系統(tǒng),1982年初發(fā)射首顆衛(wèi)星,1995年成為擁有24顆衛(wèi)星(21顆運(yùn)行,3顆備份)的完整系統(tǒng),正式具備完全工作能力[8]。早期的GLONASS衛(wèi)星壽命只有3年,而俄羅斯在20世紀(jì)90年代后期由于經(jīng)濟(jì)窘迫,長時(shí)間沒有補(bǔ)充衛(wèi)星,導(dǎo)致衛(wèi)星數(shù)目不斷減少,系統(tǒng)性能急劇衰退。1998年2月僅剩下12顆衛(wèi)星,到2000年情況最嚴(yán)重時(shí)只剩下6顆衛(wèi)星。對(duì)此俄政府在本世紀(jì)初制定了“拯救GLONASS”的補(bǔ)星計(jì)劃。從 2000年起,每年年底在Baikonour發(fā)射場用質(zhì)子號(hào)火箭以“一箭三星”方式發(fā)射3顆衛(wèi)星。此外,從1999年開始,俄羅斯陸續(xù)向GLONASS星座注入了兩代壽命更長的新衛(wèi)星,這兩代衛(wèi)星一般都稱為GLONASS-M衛(wèi)星。1999-2002年發(fā)射的GLONASS-M衛(wèi)星壽命為5年,2003年以后發(fā)射的GLONASS-M衛(wèi)星壽命為7年。GLONASS正在逐步進(jìn)入恢復(fù)階段,截止到2009年12月,在軌運(yùn)行GLONASS衛(wèi)星已達(dá)19顆,已滿足覆蓋俄羅斯全境的需求,預(yù)計(jì)將于2011年恢復(fù)到24顆星的額定狀態(tài)。此外,GLONASS也在開展現(xiàn)代化計(jì)劃,在2010年發(fā)射其利用CDMA編碼的GLONASS-K,實(shí)現(xiàn)與GPS/GALILEO在L1頻點(diǎn)上的兼容與互用,其現(xiàn)代化計(jì)劃預(yù)計(jì)在2017年完成,星座衛(wèi)星數(shù)量達(dá)到30顆[9]。

1999年初歐盟提出伽利略GALILEO計(jì)劃。2002年3月,正式啟動(dòng)了GALILEO計(jì)劃。歐洲航天局在2005年12月27日發(fā)射了第一顆GALILEO演示衛(wèi)星,這標(biāo)志著歐洲的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的開發(fā)工作邁出了第一步。根據(jù)2008年4月通過的歐洲GALILEO全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的最終部署方案,GALILEO計(jì)劃將分兩個(gè)階段實(shí)施,即2008年至2013年的建設(shè)階段和2013年以后的運(yùn)行階段。歐盟將在建設(shè)階段出資34億歐元,用于完成GALILEO計(jì)劃的空中和地面基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè),其中包括30顆衛(wèi)星的發(fā)射。建成后將與GPS在L1和 L5頻點(diǎn)上實(shí)現(xiàn)兼容和互用。GALILEO計(jì)劃是迄今為止歐洲將要開發(fā)的最重要的航天計(jì)劃,是世界上第一個(gè)基于民用的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),是以歐盟為主并聯(lián)合中國在內(nèi)的多國共同研發(fā)的國際合作項(xiàng)目[10]。

1983年我國開始籌劃建設(shè)自主衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng),1994年開始建設(shè)“北斗一號(hào)”雙星衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),并于2003年建成。由于“北斗一號(hào)”為雙星定位,且設(shè)計(jì)初期是一個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng),所以不能滿足民航機(jī)場終端區(qū)飛行運(yùn)行的要求,尤其是精密定位的要求。2006我國開始建設(shè)“北斗二號(hào)”(Compass)導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)?！氨倍范?hào)”系統(tǒng)的建設(shè)分為兩個(gè)階段:第一階段建設(shè)區(qū)域?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(二代系統(tǒng)一期工程),計(jì)劃由5顆GEO衛(wèi)星、4顆MEO衛(wèi)星和3顆IGSO衛(wèi)星共計(jì)12顆衛(wèi)星組成,主要覆蓋中國及周邊區(qū)域,實(shí)現(xiàn)區(qū)域?qū)Ш蕉ㄎ环?wù),計(jì)劃于2010年建設(shè)完成,功能將于美國GPS相當(dāng);第二階段建設(shè)全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(二代導(dǎo)航二期工程),計(jì)劃由 3顆GEO衛(wèi)星、3顆IGSO衛(wèi)星和24顆MEO衛(wèi)星組成,可以覆蓋全球并提供導(dǎo)航定位和短報(bào)文通信服務(wù),定位精度優(yōu)于10 m[11]。

2 GNSS的技術(shù)

2.1 差分定位(DGPS)技術(shù)

差分定位技術(shù)通過計(jì)算偽距測量值與衛(wèi)星到參考站的幾何距離差確定測量的“偏差”,從而減少觀測值中的誤差來獲得較高的精度。DGPS有2種不同的類型:

1)局域DGPS(LADGPS)

局域DGPS只使用一個(gè)參考站,向附近的用戶發(fā)送標(biāo)量改正數(shù)或原始觀測值,定位精度能好于10 m,但 LADGPS作用范圍在150 km之內(nèi)[12]。

2)廣域DGPS(WADGPS)

廣域DGPS則克服LADGPS應(yīng)用受距離限制的缺點(diǎn),滿足更大范圍更高精度的要求,在大陸范圍內(nèi),可以得到2 m的精度[12]。

2.2 精密定位技術(shù)

1)靜態(tài)定位與動(dòng)態(tài)定位技術(shù)

精密定位技術(shù)主要采用載波相位觀測值進(jìn)行定位,最早的定位方式為差分靜態(tài)后處理模式,其定位精度達(dá)到毫米級(jí),一般靜態(tài)測量的時(shí)間需要一小時(shí)到幾小時(shí),二是快速靜態(tài)定位,GPS靜態(tài)測量的時(shí)間由原來數(shù)小時(shí)縮短到幾分鐘至十幾分鐘[13]。

隨著定位技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步,精密定位也由靜態(tài)向準(zhǔn)動(dòng)態(tài)或動(dòng)態(tài)方向發(fā)展。動(dòng)態(tài)定位技術(shù)現(xiàn)由最初通過各種初始化方法得到相位觀測值的整周模糊度為標(biāo)記,發(fā)展到實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位模式(RTK)。

2)網(wǎng)絡(luò)GPS(Network GPS)與精密點(diǎn)定位(PPP)技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)GPS主要利用GPS基準(zhǔn)網(wǎng),分離各種影響GPS觀測值的誤差,以便對(duì)其改正或消除,如電離層誤差、對(duì)流層誤差和星歷誤差等。采用網(wǎng)絡(luò)GPS可以提高靜態(tài)定位、快速靜態(tài)定位,特別是動(dòng)態(tài)定位RTK的可靠性和極限的控制范圍[14]。

精密點(diǎn)定位PPP(Precise Point Positioning)是一種基于單站GPS載波相位觀測數(shù)據(jù)和碼觀測值進(jìn)行厘米或分米級(jí)精度的定位算法。目前這一方法已經(jīng)能夠達(dá)到厘米級(jí)精度[15]。

2.3 GNSS-R技術(shù)

基于GNSS反射信號(hào)的遙感技術(shù)簡稱為GNSS-R(Global Navigation Satellite System-Reflection)技術(shù)[16-17]。

GNSS-R作為一個(gè)新的遙感手段,已經(jīng)引起了廣泛的關(guān)注。美國和歐洲等主要國家都投入大量的人力、物力進(jìn)行研究,開展了地基、機(jī)載和星載的觀測實(shí)驗(yàn),為進(jìn)一步開展研究和應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。目前,GNSS-R在理論、技術(shù)和數(shù)據(jù)反演等方面逐步完善。與傳統(tǒng)微波散射計(jì)、微波高度計(jì)等遙感技術(shù)相比,GNSS-R技術(shù)具有體積小、重量輕、功耗小、成本低;全球覆蓋均勻,獲取數(shù)據(jù)量大;不需要發(fā)射設(shè)備;全天候工作等優(yōu)點(diǎn)[17]。

2.4 GNSS掩星(GNSS-RO)技術(shù)

GNSS掩星是指在低軌衛(wèi)星 LEO上安置GNSS接收機(jī)接收衛(wèi)星信號(hào)的幅度、偽距和相位數(shù)據(jù)。隨著GNSS和LEO衛(wèi)星的相對(duì)運(yùn)動(dòng),電磁波將完成從大氣頂部直至地面的垂直掃描過程。結(jié)合GPS掩星觀測數(shù)據(jù)和衛(wèi)星精密軌道資料,反演出中性大氣參數(shù)(大約0～60 km的密度、溫度、壓力、位勢高度和水汽含量等)[18]。目前,美國的GPS/MET、德國的CHAMP、阿根廷的SAC-C、丹麥的Orsted、南非的Sunsat、美國和中國臺(tái)灣聯(lián)合的COSMIC、澳大利亞的FedSat以及即將發(fā)展的歐洲ACE+等計(jì)劃都進(jìn)行GNSS掩星技術(shù)的研究[19-20]。GNSS掩星的出現(xiàn)是氣象探測史上的一次革命性變化,特別是利用掩星大氣探測技術(shù)獲取的地球氣象數(shù)據(jù)和電離層數(shù)據(jù)將是21世紀(jì)最基本的常規(guī)氣象應(yīng)用信息之一。

未來的掩星觀測系統(tǒng)會(huì)進(jìn)一步向小型化發(fā)展,性能也將進(jìn)一步提高;掩星探測將向多星探測和混合探測轉(zhuǎn)變,而項(xiàng)目的開發(fā)和研制也將向國際化合作的方向發(fā)展[20]。

2.5 組合導(dǎo)航技術(shù)

不論從GNSS的軍用價(jià)值還是民用價(jià)值考慮,最為關(guān)鍵的價(jià)值是定位與導(dǎo)航,除了GNSS內(nèi)部四大系統(tǒng)的相互組合(如GPS/GLONASS組合導(dǎo)航)外,現(xiàn)今還出現(xiàn)了GNSS與其他系統(tǒng)的組合,主要有以下三種:

1)GNSS/MIMU組合導(dǎo)航

微慣性測量裝置(MIMU)的特點(diǎn)是成本低、體積小、可抗高過載、動(dòng)態(tài)范圍大,但是精度低,誤差隨時(shí)間增長快。GNSS/MIMU組合,構(gòu)成高度集成的一體化導(dǎo)航制導(dǎo)系統(tǒng),一方面可以校準(zhǔn)MIMU的各種誤差;另一方面可以提高衛(wèi)星接收機(jī)的抗干擾能力、擴(kuò)大接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍[5]。

2)GNSS/SINS組合導(dǎo)航

20世紀(jì)90年代以來,我國積極開展衛(wèi)星導(dǎo)航與慣性導(dǎo)航的組合導(dǎo)航技術(shù)在導(dǎo)彈上的應(yīng)用研究。通過在發(fā)射點(diǎn)慣性坐標(biāo)系建立系統(tǒng)狀態(tài)方程和量測方程發(fā)現(xiàn):應(yīng)用Kalman濾波組合方法比傳統(tǒng)的加權(quán)平均方法更好[21]。

3)INS/CNS/GNSS組合導(dǎo)航

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)的導(dǎo)航精度主要取決于陀螺和加速度計(jì)的水平,其位置與速度誤差會(huì)隨時(shí)間增大,因此將全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)、天文導(dǎo)航系統(tǒng)(CNS)與慣性導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行信息統(tǒng)計(jì)最優(yōu)組合,組成以慣性導(dǎo)航為主體的組合導(dǎo)航系統(tǒng)[22]。

2.6 嵌入式技術(shù)

1)基于Windows CE的嵌入式

Windows CE就是基于掌上型電腦類的電子設(shè)備操作系統(tǒng)。其中CE中的C代表袖珍(Compact)、消費(fèi)(Consumer)、通訊能力(Connectivity)和伴侶(Companion);E代表電子產(chǎn)品(Electronics)。Windows CE已成為嵌入式系統(tǒng)的主流,其快速、模塊化的開發(fā)方式,為開發(fā)者開發(fā)應(yīng)用程序提供了規(guī)范、快速的框架?；赪indows CE的嵌入式系統(tǒng)使得GNSS在手持設(shè)備方面的應(yīng)用成為可能。

2)基于Sistang的嵌入式

目前GNSS的手持設(shè)備的操作系統(tǒng)大多采用Window CE或PowerPC嵌入式,這些軟件的源代碼不公開,軟件費(fèi)用相對(duì)昂貴。Linux由于遵守GPL(General Public Licence),源代碼公開,內(nèi)核小且免費(fèi)使用?；?Linux的Sistang嵌入式系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制,個(gè)人通信和定位導(dǎo)航應(yīng)用開發(fā)[23]。

3 GNSS的應(yīng)用

3.1 大地觀測

1)GNSS大地測繪

GNSS已廣泛應(yīng)用于高精度大地測量和控制測量、地籍測量和工程測量、道路和各種線路放樣、水下地形測量、大壩和大型建筑物變形監(jiān)測等領(lǐng)域。特別是山區(qū)的大地測繪相對(duì)傳統(tǒng)方法可節(jié)省大量的時(shí)間、人力、物力和財(cái)力[24]。

2)GNSS地殼運(yùn)動(dòng)觀測

GNSS觀測地殼運(yùn)動(dòng)包括板塊運(yùn)動(dòng)、大地震的震前、震時(shí)和震后的地殼運(yùn)動(dòng)、地面沉降、火山活動(dòng)過程中的地殼運(yùn)動(dòng)、冰后回彈等。在較大地震的震中附近有GPS連續(xù)觀測站時(shí),由高采樣率的觀測數(shù)據(jù)可獲得大地震震中附近較長周期的地震波。隨著GNSS連續(xù)觀測站的不斷增加,觀測到的現(xiàn)象將更加豐富[2,25]。在較大地震的震中附近有GPS連續(xù)觀測站時(shí),由高采樣率的觀測數(shù)據(jù)可獲得大地震震中附近較長周期的地震波。

3.2 交通應(yīng)用

空運(yùn)方面通過GNSS接收設(shè)備,使駕駛員著陸時(shí)能準(zhǔn)確對(duì)準(zhǔn)跑道,同時(shí)還能使飛機(jī)緊湊排列,提高機(jī)場利用率,引導(dǎo)飛機(jī)安全進(jìn)離機(jī)場。水運(yùn)方面能實(shí)現(xiàn)船舶遠(yuǎn)洋導(dǎo)航和進(jìn)港引水。陸運(yùn)方面利用GNSS技術(shù)對(duì)車輛進(jìn)行跟蹤、調(diào)度管理,合理分布車輛,以最快的速度響應(yīng)用戶的架乘車或送貨請(qǐng)求,降低能源消耗,節(jié)省運(yùn)輸成本。今后,在城市中建立數(shù)字化交通電臺(tái),實(shí)時(shí)發(fā)播城市交通信息,車載設(shè)備通過GNSS進(jìn)行精確定位,結(jié)合電子地圖以及實(shí)時(shí)的交通狀況,自動(dòng)匹配最優(yōu)路徑,并實(shí)現(xiàn)車輛的自主導(dǎo)航[26]。

3.3 公共安全和救援應(yīng)用

GNSS對(duì)火災(zāi)、犯罪現(xiàn)場、交通事故、交通堵塞等緊急事件的響應(yīng)效率,可將損失降到最低。有了它的幫助,救援人員就可在人跡罕至、條件惡劣的大海、山野、沙漠,對(duì)失蹤人員實(shí)施有效的搜索、救援。裝有GNSS裝置的交通工具在發(fā)生險(xiǎn)情時(shí),可及時(shí)定位、報(bào)警,使之能更快、更及時(shí)地獲得救援。老人、孩童以及智障人員佩戴由GNSS、GIS與GSM整合而成的協(xié)尋裝置,當(dāng)發(fā)生協(xié)尋事件時(shí),協(xié)尋裝置會(huì)自動(dòng)由發(fā)射器送出GNSS定位信號(hào)。即使在無GNSS定位信號(hào)的室內(nèi)時(shí),亦可通過GSM定位方式得知協(xié)尋對(duì)象的位置[27]。

3.4 GNSS-R應(yīng)用

GNSS-R技術(shù)主要應(yīng)用在以下3個(gè)方面:

1)海洋方面

GNSS-R在海洋遙感中應(yīng)用的主要原理是:利用LEO衛(wèi)星上搭載的GNSS接收機(jī),接收GNSS直接信號(hào)及海面反射信號(hào),通過它們之間的C/A碼或P碼的時(shí)間延遲和相關(guān)函數(shù)波形及其后沿特性進(jìn)行分析,并結(jié)合海面、海浪對(duì)電波的散射理論,從而獲取海洋遙感的信息。

1993年,Martin提出了利用GNSS-R進(jìn)行海洋測高的系統(tǒng)理論[28];1994年,Auber首次報(bào)告了GNSS-R可以被常規(guī)的導(dǎo)航定位接收機(jī)檢測到[29];1996年,美國 NASA首次提出了利用GNSS-R來遙感海面狀態(tài)的潛在應(yīng)用,并研制了一種特殊的延遲映像接收機(jī)(DM R)[30];1997年美國開始針對(duì)GPS散射信號(hào)理論研究和海上機(jī)載接收試驗(yàn)[31],2000年,NASA和CU等機(jī)構(gòu)合作制定了SuRGE計(jì)劃;2001年,德國GFZ提供了在CHAMP衛(wèi)星上探測到GNSS-R的有力證據(jù)[32];2000年,美國在 Michael和Keith颶風(fēng)中進(jìn)行了GNSS-R機(jī)載試驗(yàn),將反演得到的海面風(fēng)場與浮標(biāo)數(shù)據(jù)、Topex/Poseidon衛(wèi)星數(shù)據(jù)、ERS和 Quik-SCAT衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較[33]。

現(xiàn)階段主要利用GNSS-R反演來獲取海洋表面信息,如潮位、海面高度、海面風(fēng)場(包括海面風(fēng)向、海面風(fēng)速)、海面粗糙度、有效波高、海水鹽度以及冰的厚度等[34-40]。這些參數(shù)都是海洋氣象學(xué)、海洋水文學(xué)、海洋漁業(yè)、海洋航運(yùn)、海洋工程等重要的物理參數(shù)。特別是海面風(fēng)場,它不僅是形成海上波浪的直接動(dòng)力,而且對(duì)區(qū)域和全球海洋環(huán)流以及全球生化過程來說也是關(guān)鍵性的動(dòng)力,所以它的觀測與分析是研究海洋動(dòng)力過程,同時(shí)也是預(yù)報(bào)臺(tái)風(fēng)、熱帶風(fēng)暴,厄爾尼諾等現(xiàn)象的重要基礎(chǔ)。此外利用GNSS-R反演可以進(jìn)行渦流監(jiān)測和快速正壓波的跟蹤等,這對(duì)海岸防護(hù)工作、防坡堤設(shè)計(jì)和離岸工程等具有指導(dǎo)性意義。

2)土壤水分方面

土壤水分是土壤-植被-大氣系統(tǒng)能量與物質(zhì)交換及土地資源和環(huán)境管理的重要參數(shù)之一。土壤水分信息在提高氣象預(yù)報(bào)和干旱監(jiān)測,以及作物估產(chǎn)等方面非常重要。在遙感技術(shù)發(fā)展的過程中,微波遙感特別是利用GPS的L波段信號(hào)已經(jīng)成為土壤水分反演技術(shù)中最為有效的方法之一[41]。

2002年美國科學(xué)家做了一個(gè)大型的土壤水分實(shí)驗(yàn),2004年美國NASA和科羅拉多大學(xué)等機(jī)構(gòu)聯(lián)合開展了利用GNSS-R遙感土壤濕度的研究工作,Masters對(duì)機(jī)載接收的GPS反射信號(hào)進(jìn)行了大量分析,研究結(jié)果表明可以通過GPS反射信號(hào)的強(qiáng)弱來探測土壤濕度[42-43]。近年,我國開始了源土壤濕度探測技術(shù)的研究。中國科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所、武漢大學(xué)等單位開展合作,最早在我國開展了這項(xiàng)理論和試驗(yàn)研究工作,在岸基的GNSS-R研究工作基礎(chǔ)上,開發(fā)了土壤濕度觀測設(shè)備和數(shù)據(jù)反演軟件等,并進(jìn)行了一些初步試驗(yàn)。2009年張訓(xùn)械利用GNSS-R反射信號(hào)估計(jì)土壤濕度,GNSS-R反演得到的土壤濕度與同一地點(diǎn)用土壤濕度計(jì)測量數(shù)據(jù)相當(dāng)符合[44]。

3)冰川和雪地方面

通過GNSS-R在冰川和雪地方面的應(yīng)用可以使我們了解積雪內(nèi)部結(jié)構(gòu),進(jìn)而加深對(duì)陸界的了解,尤其是較為鮮知的南極大陸。與土壤水分方面一樣,冰川和雪地主要也是利用GPS的L波段信號(hào),從測量原則上應(yīng)該能分別推導(dǎo)表面和積雪參數(shù)[45]。

3.5 GNSS掩星應(yīng)用

GNSS掩星技術(shù)應(yīng)用主要包括以下4個(gè)方面:

1)天氣預(yù)報(bào)

利用GNSS掩星技術(shù)獲取的具有高垂直分辨率的數(shù)據(jù)可對(duì)空間天氣進(jìn)行預(yù)測,美國GNSS/MET觀測系統(tǒng)可以進(jìn)行全天候的全球探測,加上觀測值的高精度和高垂直分辨率,使得數(shù)值天氣預(yù)報(bào)(NWP)精度的提高成為可能。這樣,可以提高數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性和可靠性,更好地滿足現(xiàn)代社會(huì)對(duì)氣象預(yù)報(bào)“更早、更準(zhǔn)、更細(xì)”的需求[46]。

2)全球氣候和環(huán)境監(jiān)測

GNSS掩星數(shù)據(jù)可提供云、大氣溫度、輻射、臭氧層、大氣化學(xué)等方面的數(shù)據(jù),為地球環(huán)境監(jiān)測提供了可能。此外GNSS/MET數(shù)據(jù)計(jì)算得到的大氣折射率是大氣溫度、濕度和氣壓的函數(shù),因此可以直接把大氣折射率作為“全球變化指示器”。阿根廷的SAC-C可以提供地球及其海岸帶的多譜成像與進(jìn)行空間環(huán)境中的輻射量測量[20]。德國的CHAMP數(shù)據(jù)將有利于增強(qiáng)全球氣候變化的研究能力[47]。

3)高空風(fēng)探測

高空探測過程中,地面站接收到GNSS信號(hào)后選出所需數(shù)據(jù),再加入有關(guān)衛(wèi)星軌道的數(shù)據(jù),可以算出高空風(fēng)向、風(fēng)速以及氣壓、氣溫和濕度。

4)電離層監(jiān)測

GNSS/MET與SAC-C觀測系統(tǒng)均可提供全球電離層映像,這將有助于電離層、熱層系統(tǒng)中許多重要的動(dòng)力過程及其與地氣過程關(guān)系的研究[20]。

3.6 其它應(yīng)用

此外,GNSS還可應(yīng)用于授時(shí)校頻、公共管理、商業(yè)服務(wù)、娛樂消遣等領(lǐng)域。

4 結(jié) 論

GNSS是一個(gè)新興的高科技、高經(jīng)濟(jì)收益的領(lǐng)域,各個(gè)國家正在投入大量的人力、財(cái)力進(jìn)行研究、開發(fā)、應(yīng)用。以GPS為代表的GNSS衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用產(chǎn)業(yè)前景看好,已成為繼移動(dòng)通信和互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)之后的第三大 IT經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)。2008年,全球僅GPS的市場規(guī)模就達(dá)到249億美元,市場復(fù)合增長率為 14%。此外,專家預(yù)計(jì)到 2013年,全球GPS的市場規(guī)模將達(dá)到2400億美元。我國應(yīng)該審時(shí)度勢,因地制宜,加強(qiáng)各方面的合作,將GNSS產(chǎn)業(yè)引上健康發(fā)展的快車道。

[1]胡 曉,高 偉,李本玉.GNSS導(dǎo)航定位技術(shù)的研究綜述與分析[J].全球定位系統(tǒng),2009,34(3):59-62.

[2]顧國華.GNSS(GPS)觀測研究地殼運(yùn)動(dòng)的新進(jìn)展[J].國際地震動(dòng)態(tài),2007(7):9-15.

[3]張光明.Compass納入GNSS運(yùn)行可行性探討[J].全球定位系統(tǒng),2009,34(2):20-23.

[4]秦紅磊,梁敏敏.基于GNSS的高軌衛(wèi)星定位技術(shù)研究[J].空間科學(xué)報(bào),2008,28(4):316-325.

[5]馬 芮,董景新.GNSS/MIM U組合導(dǎo)航技術(shù)綜述[J].飛機(jī)導(dǎo)航,2007(4):42-46,62.

[6]王厚基.GLONASS和 GNSS簡介[J].海洋技術(shù),1998,17(2):9-16.

[7]胡 曉,高 偉,李本玉.GNSS導(dǎo)航定位技術(shù)的研究綜述與分析[J].全球定位系統(tǒng),2009,34(3):59-62.

[8]張 浩,李曉東,杜曉冬.GLONASS-M衛(wèi)星的研究與應(yīng)用[J].遙測遙控,2007,28(3):9-14,19.

[9]柴 霖.GLONASS的最新進(jìn)展及可用性分析[J].電訊技術(shù),2007,47(4):76-81.

[10]黃愛民.伽利略(GALILEO)系統(tǒng)對(duì)美國GPS的沖擊[J].測繪與空間地理信息,2007,30(3):41-44.

[11]張光明.Compass納入GNSS運(yùn)行可行性探討[J].全球定位系統(tǒng),2009,34(2):20-23.

[12]劉經(jīng)南.廣域差分GPS原理和方法[M].測繪出版社,1999.

[13]王解先.全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)GPS/GNSS的回顧與展望[J].工程勘察,2006(3):54-60.

[14]趙齊樂,樓益棟.基于Web的GNSS數(shù)據(jù)精密分析與服務(wù)——系統(tǒng)設(shè)計(jì)及產(chǎn)品定義[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)·信息科學(xué)版,2009,34(11):359-362.

[15]陳俊勇,黨亞明,程鵬飛.全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的進(jìn)展[J].大地測量與地球動(dòng)力學(xué),2007,27(5):1-4.

[16]劉經(jīng)南,邵連軍,張訓(xùn)械.GNSS-R研究進(jìn)展及其關(guān)鍵技術(shù)[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)·信息科學(xué)版,2007,32(11):955-959.

[17]毛克彪,王建明,張孟陽,等.GNSS-R信號(hào)反演土壤水分研究分析[J].遙感信息,2009(3):92-97.

[18]焦明連,蔣廷臣.GNSS掩星探測大氣的研究現(xiàn)狀及進(jìn)展[J].測繪科學(xué)技術(shù)學(xué)報(bào),2008,25(4):252-259.

[19]李 鵬.GNSS掩星探測大氣算法及誤差分析[J].北京測繪,3009(1):4,9-14.

[20]王也英,符 養(yǎng),杜曉勇,等.全球GNSS掩星計(jì)劃進(jìn)展[J].氣象科技,2009,37(1):75-78.

[21]李 田,龔云鵬,張曉宇.GNSS/SINS組合導(dǎo)航在地地導(dǎo)彈中的工程應(yīng)用[J].現(xiàn)代防御技術(shù),2005,33(6):47-49.

[22]張國良,曾 靜,鄧方林.INS/CNS/GNSS組合導(dǎo)航系統(tǒng)信息分析及其濾波器設(shè)計(jì)[J].航天控制,2003(3):35-40.

[23]李外云,胡文靜,劉錦高.基于Sistang的嵌入式Linux手持設(shè)備的GSM和GPS應(yīng)用研究[J].華東師范大學(xué)學(xué)報(bào)·自然科學(xué)版,2006(3):120-25.

[24]楊巨平,吳繼東,蔡啟玉.GNSS聯(lián)合全站儀在新農(nóng)村建設(shè)中實(shí)現(xiàn)地面數(shù)字測圖[J].2009,32(3):192-193,197.

[25]顧國華.GNSS科學(xué)發(fā)展與前景[J].全球定位系統(tǒng),2008,33(4):1-7,10.

[26]衣洪波,修洪玉.淺談連續(xù)運(yùn)行全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)的應(yīng)用和建設(shè)[J].黑龍江交通科技,2008(1):110-112.

[27]何立居.Galileo系統(tǒng)及其搜救服務(wù)[J].航海技術(shù),2008(4):38-39.

[28]Martin-Neria M.A Passive Reflectometry and Interferometry System(PARIS):Application to O-cean Altimetry[J].ESA Journal,1993(17):331-355.

[29]Auber J C,Bibault A,Rigal J M.Characterization of Multipath on Land and Sea at GPS Frequencies[C]∥The 7th International Technical Meeting of the Satellite Division of the Institute of Navigation,Salt Lake City,1994.

[30]Garrison J L,Katzberg S J,Hill M L.Effect of Sea Signal from the Global Positioning System[J].Geophysical Research Letters,1998,25(2):257-260.

[31]Thompson D R,Elfouhaily T M,Gasparovic R F.Polarization dependence of GPS signals reflected from the ocean[C]∥Geoscience and Remote Sensing Symposium,Honolulu,USA,2000(3):099-101.

[32]Armatys M.Estimation of Sea Surface Winds Using Reflected GPS Signals[D].Colorado:University of Colorado,2001.

[33]Komjathy A,Artmatys M,Masters D,et al.Developments in Using GPS for Oceano graphic Remote Sensing:Retrieval of Ocean Surface Wind Speed and Wind Direction[C]∥ION 2001 National Technical Meeting,Long Beach,CA,2001.

[34]符 養(yǎng),周兆明.GNSS-R海洋遙感方法研究[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)·信息科學(xué)版,2006,31(2):128-131.

[35]張訓(xùn)械,邵連軍,王 鑫,等.GNSS-R地基實(shí)驗(yàn)[J].全球定位系統(tǒng),2006,31(5):4-8.

[36]周兆明,符 養(yǎng).渤海GNSS-R機(jī)載測風(fēng)試驗(yàn)及其反演結(jié)果[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)·信息科學(xué)版,2008,33(3):241-244.

[37]王 鑫,孫 強(qiáng),張訓(xùn)械,等.中國首次岸基GNSSR海洋遙感實(shí)驗(yàn)[J].科學(xué)通報(bào),2008,53(5):589-592.

[38]邵連軍,張訓(xùn)械,王 鑫,等.利用GNSS-R信號(hào)反演海浪波高 [J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)·信息科學(xué)版,2008,33(5):475-478.

[39]路 勇,熊華鋼,楊東凱,等.GNSS-R海洋遙感原始數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào),2009,30(6):644-647.

[40]路 勇,楊東凱,熊華鋼,等.基于GNSS-R的海面風(fēng)場監(jiān)測系統(tǒng)研究[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)·信息科學(xué)版,2009,34(4):470-473,503.

[41]毛克彪,王建明,張孟陽,等.GNSS-R信號(hào)反演土壤水分研究分析[J].遙感信息,2009,3:92-97.

[42]Masters D S.Surface Remote Sensing Applications of GNSS Bistatic Radar Soil Moisture and Aircraft Altimetry[D].Colorado:University of Colorado,2004.

[43]Masters D,Axelrad P,Katzberg S.Initial results of land-reflected GPS bistatic radar measurements in SM EX02[J].Remote SensingofEnvironment,2004(92):507-520.

[44]張訓(xùn)械,嚴(yán)頌華.利用GNSS-R反射信號(hào)估計(jì)土壤濕度[J].全球定位系統(tǒng),2009,34(3):1-6.

[45]湯叔楩,張漢德,馬銀峰.浮冰遙感全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)反射信號(hào)的勢[J].全球定位系統(tǒng),2005,30(4):36-41.

[46]焦明連.GNSS氣象探測技術(shù)及其應(yīng)用[J].測繪科學(xué),3008(33):149-150.

[47]Yunck T,Hajj G,LaBrecque J,et al.Progress Report on the SAC-C GOLPE and Magnetic Mapping Package[EB/OL].2002-08-15,http://www.conae.gov.ar/sac-c/sacc-progress.html.