劉偉平,郝金明
(信息工程大學導航與空天目標工程學院,河南 鄭州 450001)
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國外衛(wèi)星導航系統(tǒng)精密定軌技術(shù)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
劉偉平,郝金明
(信息工程大學導航與空天目標工程學院,河南 鄭州 450001)
Development Status and Tendency of Precise Orbit Determination of Overseas Navigation Satellite System
LIU Weiping,HAO Jinming
摘要:目前,衛(wèi)星導航技術(shù)已經(jīng)進入蓬勃發(fā)展時期,本文在簡單介紹國外主要衛(wèi)星導航系統(tǒng)建設(shè)情況的基礎(chǔ)上,重點總結(jié)梳理了其精密定軌技術(shù)的研究現(xiàn)狀,指出了未來導航衛(wèi)星精密定軌技術(shù)的發(fā)展趨勢,相關(guān)研究成果對我國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的建設(shè)發(fā)展具有借鑒參考意義。
關(guān)鍵詞:北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng);GPS;GLONASS;Galileo;精密定軌
全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)可以為數(shù)量不受限制的空中、海上和其他類型用戶,在全世界或近地空間的任何地方提供全天候、全天時、高精度的三維定位、測速及授時服務(wù),是拓展人類活動、促進社會發(fā)展的重要空間基礎(chǔ)設(shè)施。2007年,GPS、GLONASS、Galileo與我國自主建設(shè)的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)(BeiDou Navigation Satellite System,BDS)一起被全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)國際委員會(ICG)確認為4大衛(wèi)星導航系統(tǒng)核心供應(yīng)商[1],此外,日本、印度等也在積極建立區(qū)域衛(wèi)星導航系統(tǒng)。精密的衛(wèi)星軌道能夠為用戶導航定位提供高精度的空間基準,其精度水平是衡量衛(wèi)星導航系統(tǒng)服務(wù)能力的重要性能指標,因此,精密定軌作為衛(wèi)星導航系統(tǒng)的核心技術(shù),歷來受到各衛(wèi)星導航系統(tǒng)的關(guān)注和重視。
為了將北斗系統(tǒng)建成世界一流的導航系統(tǒng),不斷縮小與GPS等成熟系統(tǒng)的差距,提高北斗在衛(wèi)星導航領(lǐng)域的國際競爭力,有必要對國外各衛(wèi)星導航系統(tǒng)的建設(shè)情況及精密定軌技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀進行系統(tǒng)的總結(jié)和梳理,從而便于把握衛(wèi)星導航系統(tǒng)(特別是其精密定軌技術(shù))未來的發(fā)展趨勢,為北斗系統(tǒng)的建設(shè)發(fā)展提供技術(shù)參考。
有鑒于此,本文在簡要介紹了國外主要衛(wèi)星導航系統(tǒng)目前建設(shè)情況的基礎(chǔ)上,重點論述了其精密定軌技術(shù)的研究現(xiàn)狀,并據(jù)此給出了衛(wèi)星導航系統(tǒng)精密定軌技術(shù)未來的發(fā)展趨勢。
一、國外衛(wèi)星導航系統(tǒng)建設(shè)現(xiàn)狀簡介
1. GPS系統(tǒng)
為了彌補第一代衛(wèi)星導航系統(tǒng)——子午儀衛(wèi)星導航系統(tǒng)的不足,美國軍方于1973年啟動了GPS系統(tǒng)的建設(shè)任務(wù)。1995年,GPS系統(tǒng)具備完全工作能力(initial operational capability,FOC)[2]。
按照系統(tǒng)設(shè)計,GPS空間星座由24顆MEO衛(wèi)星(其中3顆備份衛(wèi)星)組成,共6個軌道面,每個軌道面上包含4顆衛(wèi)星,軌道傾角約55°,軌道平面升交點赤經(jīng)相差60°,軌道高度20 200 km,運行周期11小時58分。實際運行中,衛(wèi)星數(shù)目往往多于24顆,主要是為了進一步改善GPS覆蓋性能,這些額外的衛(wèi)星并不包含在GPS基礎(chǔ)星座中。2011年6月,GPS完成了星座升級,依然采用6個軌道面,但是將基礎(chǔ)星座衛(wèi)星個數(shù)增加為27顆。截至2014年初,GPS在軌衛(wèi)星共32顆,31顆在軌工作,1顆處于調(diào)試狀態(tài),其中包括8顆BLOCK ⅡA衛(wèi)星、12顆BLOCK ⅡR衛(wèi)星、8顆BLOCK ⅡR(M)衛(wèi)星和4顆BLOCK ⅡF衛(wèi)星。GPS衛(wèi)星采用碼分多址(CDMA),大部分GPS衛(wèi)星僅能播發(fā)雙頻信號(L1和L2),只有BLOCK ⅡF衛(wèi)星能夠播發(fā)第三頻信號(L5)。目前,GPS系統(tǒng)的運控主要依托分布于全球的2個主控站(1主1備)、16個監(jiān)測站和12個注入站進行。
為了維持GPS的性能優(yōu)勢,并增強其在國際GNSS領(lǐng)域的競爭能力,繼2000年關(guān)閉SA政策起,GPS陸續(xù)推出了一系列針對空間星座及地面運控部分的現(xiàn)代化措施[2-3],如圖1所示。其中,空間星座的現(xiàn)代化主要是依靠發(fā)射新的導航衛(wèi)星來實現(xiàn),相比之前的衛(wèi)星,BLOCK ⅡR(M)衛(wèi)星增加了L2C信號和軍用M碼信號,在此基礎(chǔ)上,BLOCK ⅡF衛(wèi)星又增加了第三頻率信號L5,并配備了更加先進的星載原子鐘。BLOCK Ⅲ衛(wèi)星具有更加優(yōu)良的特性,目前還在生產(chǎn)階段。而地面運控部分的現(xiàn)代化則是在原先運控系統(tǒng)(legacy operational)的基礎(chǔ)上,進行兩個主要的性能升級:①Architecture Evolution Plan(AEP):利用現(xiàn)代通信和計算機技術(shù)對原先的地面運控系統(tǒng)進行升級改造,該工作已于2011年4月完成;②Next Generation Operational Control System(OCX):發(fā)展下一代地面運控系統(tǒng),以支持對新增導航信號的處理分析能力,特別是為BLOCK Ⅲ衛(wèi)星的運控做好準備,OCX BLOCK 1計劃2016年投入應(yīng)用。
圖1 GPS現(xiàn)代化計劃
2. GLONASS系統(tǒng)
20世紀70年代中期,前蘇聯(lián)啟動了GLONASS系統(tǒng)的建設(shè)[4]。1996年,俄羅斯宣布GLONASS具備完全工作能力。此后,由于經(jīng)濟原因,系統(tǒng)一度處于癱瘓狀態(tài)。從2003年起,系統(tǒng)加速發(fā)展,目前已經(jīng)恢復正常工作能力。
按照系統(tǒng)設(shè)計,GLONASS空間星座部分包含24顆MEO衛(wèi)星,分布于3個軌道面,每個軌道面內(nèi)8顆衛(wèi)星,軌道傾角約64.8°,軌道平面升交點赤經(jīng)相差120°,軌道高度約19 100 km,運行周期11 h 15 min[5]。地面控制部分包括位于莫斯科的系統(tǒng)控制中心,以及分布于俄羅斯各地的指令和跟蹤站網(wǎng)絡(luò)。截至2014年初,GLONASS在軌衛(wèi)星共28顆,其中24顆處于工作狀態(tài),3顆備份,1顆在軌測試。GLONASS衛(wèi)星采用頻分多址(FDMA),主要發(fā)射兩個頻帶的信號(G1和G2),每顆衛(wèi)星發(fā)射的信號頻率為
(1)
式中,K表示GLONASS衛(wèi)星發(fā)播信號的頻道號,每一衛(wèi)星的頻道號可從其發(fā)播的導航信息中獲??;對于G1頻帶,f01=1602 MHz,Δf1=0.562 5 MHz;對于G2頻帶,f02=1246 MHz,Δf2=0.437 5 MHz。
進入21世紀以來,GLONASS系統(tǒng)推出了一系列現(xiàn)代化措施,主要包括發(fā)展新一代衛(wèi)星GLONASS-M和GLONASS-K,以及研制GLONASS-KM新型衛(wèi)星。2003年12月10日,首顆GLONASS-M衛(wèi)星發(fā)射升空,該衛(wèi)星的G2頻帶上調(diào)制了第二民用導航碼;2011年2月26日,發(fā)射了第一顆GLONASS-K衛(wèi)星,該衛(wèi)星能夠播發(fā)第三民用頻率G3信號,從而開啟了新一代GLONASS三頻系統(tǒng)的建設(shè)。
3. Galileo系統(tǒng)
2002年,歐盟啟動Galileo系統(tǒng)的組建計劃,與其他系統(tǒng)不同,該系統(tǒng)將完全處于民用控制之下[6]。但是由于各種原因,Galileo系統(tǒng)的建設(shè)計劃一再延遲。2005年12月28日和2008年4月27日,歐盟分別發(fā)射了GIOVE-A和GIOVE-B兩顆實驗衛(wèi)星,Galileo系統(tǒng)進入實質(zhì)建設(shè)階段。
按照計劃,Galileo系統(tǒng)空間星座將包含30顆MEO衛(wèi)星(3顆備份衛(wèi)星),分布于3個軌道面,每個軌道面上包含10顆衛(wèi)星,軌道傾角56°,軌道平面升交點赤經(jīng)相差120°,軌道高度約23 222 km,運行周期約14 h 5 min。2015年3月27日,Galileo系統(tǒng)以一箭雙星方式發(fā)射了兩顆組網(wǎng)衛(wèi)星。至此,Galileo系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)射了10顆衛(wèi)星,其中,2顆衛(wèi)星退役,2顆衛(wèi)星發(fā)射失敗,4顆衛(wèi)星在軌工作,2顆衛(wèi)星在軌測試。Galileo衛(wèi)星采用碼分多址,可在E1、E5a、E5b和E6頻段上調(diào)制10個導航信號。
Galileo系統(tǒng)計劃先期形成18顆衛(wèi)星的空間星座,提供初始運行能力(initial operational capability,IOC)。而后,對星座進行進一步升級,形成包含30顆衛(wèi)星、具備完全工作能力(FOC)的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)。同時,還將建成包含大約40個全球分布的監(jiān)測站網(wǎng)絡(luò)。
4. 其他系統(tǒng)
除了4大衛(wèi)星導航系統(tǒng)之外,日本和印度也正在積極籌建自己的區(qū)域衛(wèi)星導航系統(tǒng):QZSS和IRNSS。QZSS建成后將包含3顆IGSO衛(wèi)星,2010年9月11日發(fā)射了第一顆IGSO衛(wèi)星,目前,該衛(wèi)星已經(jīng)開始提供導航信號,系統(tǒng)正處于建設(shè)階段。IRNSS則計劃建成一個包含3顆GEO衛(wèi)星和4顆IGSO衛(wèi)星的區(qū)域衛(wèi)星導航系統(tǒng),并于2013年7月1日發(fā)射了第一顆組網(wǎng)衛(wèi)星,目前擁有4顆在軌工作衛(wèi)星,預(yù)計2016年正式組網(wǎng)運行。此外,某些國家和地區(qū)為了增強本地的導航服務(wù)性能,還積極建設(shè)和發(fā)展了多個星際增強系統(tǒng)(SBAS),如WAAS、EGNOS、GAGAN、MASA等。
二、國外衛(wèi)星導航系統(tǒng)精密定軌技術(shù)研究現(xiàn)狀
衛(wèi)星導航系統(tǒng)的精密定軌方法是隨著各衛(wèi)星導航系統(tǒng)的建設(shè)發(fā)展而逐步建立起來的。
起初,導航衛(wèi)星精密定軌的主要目的是生成廣播星歷,從而為用戶的導航、定位和授時提供時空基準,這也是各導航系統(tǒng)地面運控的首要任務(wù)[4]。GPS系統(tǒng)精密定軌方法的研究起步最早,其創(chuàng)立的定軌模式成為后續(xù)導航系統(tǒng)的參考范本:系統(tǒng)依靠遍布全球的主控站、監(jiān)測站和注入站來完成星歷生成過程。首先,監(jiān)測站收集原始的偽距、載波相位、氣象等觀測數(shù)據(jù),并回傳到主控站,主控站利用這些數(shù)據(jù)進行精密定軌處理,并據(jù)此產(chǎn)生預(yù)報軌道和鐘差,而后基于最小二乘擬合將預(yù)報軌道和鐘差轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的軌道參數(shù)和鐘差參數(shù),再通過注入站上傳到導航衛(wèi)星。從1982年GPS系統(tǒng)發(fā)射第一顆組網(wǎng)衛(wèi)星至今30余年,定軌方法不斷改進,力學模型不斷精化[7-9],使得GPS衛(wèi)星的定軌精度得到了穩(wěn)步提高[10]。目前,GPS廣播星歷精度已經(jīng)在1m左右量級,用戶測距誤差(userrangeerror,URE)達到0.8m(2012年),如圖2所示。其后發(fā)展起來的GLONASS系統(tǒng)采用了與GPS類似的定軌模式,所不同的是,限于種種條件,GLONASS的監(jiān)測站僅分布在國內(nèi),所幸俄羅斯國土面積東西跨度較大,同時GLONASS在設(shè)計軌道時,就已經(jīng)考慮了區(qū)域布站對衛(wèi)星測控的影響,通過對衛(wèi)星軌道的合理設(shè)計,使得在一個固定測站的同一方位和同一高度上,每天都能夠觀測到一個軌道面的一顆衛(wèi)星通過,從而保證僅通過區(qū)域布站即可完成對整個系統(tǒng)的控制和維護。此外,GLONASS衛(wèi)星還裝配了激光測距(satellitelaserranging,SLR)發(fā)射器,作為其精密定軌的輔助手段。通過以上各項措施,特別是2003年之后,GLONASS加速發(fā)展,目前其廣播星歷精度優(yōu)于5m,URE達到1.8m[11]。Galileo系統(tǒng)目前正在建設(shè)階段,但是一直非常重視對精密定軌方法的論證,特別是圍繞GIOVE-A和GIOVE-B衛(wèi)星開展的一系列技術(shù)試驗中,軌道確定與時間同步一直是其中的重點內(nèi)容。Sch?nemann、Carcía、Kirchner等分別利用遍布全球的13個Galileo傳感器實驗站(Galileoexperimentalsensorstation,GESS)[12]對GIOVE-A和GIOVE-B衛(wèi)星進行定軌試驗,結(jié)果表明其軌道精度能夠達到20cm左右[13-15]。
圖2 GPS用戶測距誤差情況
20世紀80年代后期,GPS開始逐漸應(yīng)用到大地測量等學科之中,這些高精度應(yīng)用領(lǐng)域?qū)PS軌道提出了比廣播星歷高得多的精度要求。在這一背景下,國際GPS服務(wù)(InternationalGPSService,IGS)組織應(yīng)運而生,自成立以來,其在精密定軌方面開展了大量卓有成效的研究工作。構(gòu)建IGS的最初設(shè)想是由Mueller在1989年提出的[16],而1992年的GPS數(shù)據(jù)分析會戰(zhàn)則直接促成了IGS的正式成立。1993年,IGS獲得國際大地測量協(xié)會(InternationalAssociationofGeodesy,IAG)的認證,于1994年開通運行。IGS成立之初,主要是分析GPS數(shù)據(jù),產(chǎn)生相應(yīng)的精密產(chǎn)品。2000—2005年,IGS進行GLONASS數(shù)據(jù)解算試驗(internationalGLONASSservice,IGLOS-PP),取得豐碩成果,于2005年開始提供GLONASS最終精密軌道產(chǎn)品。2005年3月,IGS正式更名為國際GNSS服務(wù)(InternationalGNSSService),依然簡稱IGS。為了提供高質(zhì)量的軌道鐘差產(chǎn)品,IGS設(shè)立了多家分析中心,各分析中心利用不同的定軌軟件及定軌方法獨立進行導航衛(wèi)星精密軌道解算,最后再由IGS將各分析中心的結(jié)果進行綜合,產(chǎn)生最終的軌道產(chǎn)品,如圖3所示。目前,IGS分析中心已經(jīng)達到12個之多,我國武漢大學也已成為其中之一。經(jīng)過各分析中心的共同努力,IGS產(chǎn)品精度不斷提升,圖4給出了各分析中心GPS和GLONASS最終精密星歷的精度改善過程,表1給出了目前IGS軌道產(chǎn)品的精度情況。
圖3 IGS產(chǎn)品生成過程
圖4 IGS最終星歷精度情況
產(chǎn)品類別產(chǎn)品名稱精度/cm延遲采樣率/minGPS超快星歷(預(yù)報)5實時15超快星歷(實測)33~9小時15快速星歷2.517~41小時15最終星歷2.512~18天15GLONASS最終星歷312~18天15
在GPS、GLONASS、Galileo等國外衛(wèi)星導航系統(tǒng)的精密定軌方面,國內(nèi)學者也給出了許多具有代表性的研究成果。早在20世紀80年代末期,許其鳳院士就對GPS精密定軌方法進行了深入的分析和論述[17-18];同期,許尤楠從觀測模型、力學模型、跟蹤站分布等方面探討了GPS米級精密定軌的實現(xiàn)方法[19];1995年,葛茂榮研究了基于雙差觀測量的GPS精密定軌方法,并進行了相應(yīng)的軟件研制工作[20];1997年,王解先系統(tǒng)研究了GPS精密數(shù)據(jù)處理理論,論述了GPS精密定軌定位原理[21];2001年,王剛、賈小林分別研究了廣域差分系統(tǒng)中GPS衛(wèi)星的軌道改進方法及區(qū)域布站下的軌道確定方法[22-23];2004年,趙齊樂在其博士論文中深入研究了GPS衛(wèi)星非差精密軌道確定方法,并重點介紹了武漢大學自主研制的衛(wèi)星導航數(shù)據(jù)處理軟件PANDA(position and navigation data analysis),其精密定軌精度已處于國際先進水平[24];同年,姚宜斌深入研究了導航衛(wèi)星精密定位定軌后處理方法[25];2008年,樓益棟、匡翠林分別研究了GPS實時精密定軌方法及GPS與低軌衛(wèi)星的聯(lián)合軌道確定方法[26-27];2011年,李敏研究了GPS、GLONASS、Galileo等多系統(tǒng)融合精密定軌方法[28]。
三、精密定軌技術(shù)發(fā)展趨勢
總結(jié)已有的研究工作,可以發(fā)現(xiàn)導航衛(wèi)星精密定軌技術(shù)目前正朝著以下幾個方向發(fā)展:
1. 多系統(tǒng)融合定軌
隨著各衛(wèi)星導航系統(tǒng)的建設(shè)發(fā)展,在軌衛(wèi)星數(shù)目不斷增多,兼容與互操作是未來GNSS發(fā)展的大勢所趨,而解決兼容與互操作問題的根本前提是提供統(tǒng)一時空基準下的各導航系統(tǒng)的精密軌道。IGS已于2003年成立了Global Navigation Satellite Service(GNSS)工作組,以促進多系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合處理技術(shù)的研究,并已經(jīng)取得了部分先期研究成果[29],但是這方面的研究尚待進一步深入,以最終實現(xiàn)所有導航衛(wèi)星對用戶“不分系統(tǒng)、均為等價”的目的。
2. 精密軌道后處理
精密軌道后處理方法的研究起步于20世紀90年代中后期,Beutler、Brockman、Dong等在理論和應(yīng)用領(lǐng)域做了大量的開創(chuàng)性工作[30-32],該方法最大的優(yōu)點是:能夠在保證數(shù)據(jù)處理精度的前提下,極大地提高計算效率。隨著導航衛(wèi)星及地面監(jiān)測站的不斷增多,精密定軌需要處理的數(shù)據(jù)量不斷增大,有必要進一步研究精密軌道后處理方法,以保證今后軌道產(chǎn)品生成的時效性。
3. 聯(lián)合定軌
低軌衛(wèi)星(low earth orbit satellite,LEO)星載GNSS精密定軌的成功,使得相關(guān)研究人員想到,可以通過聯(lián)合處理地面和低軌衛(wèi)星的GNSS數(shù)據(jù),反過來提高導航衛(wèi)星精密定軌的精度水平。LEO衛(wèi)星可以極大地增強導航衛(wèi)星地面觀測網(wǎng)的圖形強度,理論上可對導航衛(wèi)星精密定軌精度產(chǎn)生積極的促進作用。此外,通過聯(lián)合解算,可使導航衛(wèi)星軌道、LEO軌道及地面測站坐標得到更為一致的解,對未來地球科學的發(fā)展也是極具意義的。已有研究已經(jīng)表明了這一方法的可行性[34-38],然而該方法還存在數(shù)據(jù)處理量過大、計算效率較低等問題有待進一步研究。聯(lián)合定軌作為未來導航衛(wèi)星精密定軌方法的一個重要發(fā)展方向,值得引起相關(guān)研究人員的注意。
4. 實時軌道確定
目前,GNSS的應(yīng)用正朝著高精度、高可靠性和實時性方向發(fā)展,如何為用戶提供一定精度下可靠的實時導航服務(wù)成為GNSS研究中新的熱點問題,而實時軌道是滿足實時應(yīng)用的先決條件[39]。在實時定軌研究方面,以美國噴氣動力實驗室(JPL)最具代表性,其開發(fā)的實時GPS衛(wèi)星定軌與鐘差確定軟件RTG(real time GIPSY),已經(jīng)可以提供分米到厘米量級的實時精密軌道[40]。此外,波茨坦地學研究中心(GFZ)、歐洲空間局(ESA)等也在實時精密定軌方面開展了一系列卓有成效的研究[41-42]。加強實時軌道確定方法研究,使得在保證實時性要求的基礎(chǔ)上,不斷縮小實時軌道與事后軌道的精度差異,是值得進一步關(guān)注的問題。
四、結(jié)束語
總之,衛(wèi)星導航技術(shù)目前已經(jīng)進入蓬勃發(fā)展時期,各衛(wèi)星導航系統(tǒng)正在加快建設(shè)步伐,其精密定軌方法不斷完善,并向著精度更高、解算更快、實時應(yīng)用等方向發(fā)展。在這樣的背景下,建設(shè)性能更加優(yōu)良的北斗系統(tǒng),大力發(fā)展北斗衛(wèi)星精密定軌技術(shù),提升北斗在國際GNSS領(lǐng)域的核心競爭力,對北斗的推廣應(yīng)用具有重要的現(xiàn)實意義。
致謝:感謝全球連續(xù)監(jiān)測評估系統(tǒng)(iGMAS)信息工程大學分析中心對本文工作的幫助和支持。
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《現(xiàn)代測量數(shù)據(jù)處理理論與應(yīng)用》內(nèi)容簡介
本教材針對近代測量平差課程所編著,共分5部分內(nèi)容進行介紹。誤差基本理論:包括測量誤差及其分類,偶然誤差的概率特性,精度標準,中誤差和權(quán)的定義及其確定方法,方差矩陣和權(quán)逆陣傳播規(guī)律等。測量平差函數(shù)模型和隨機模型的概念及建立,參數(shù)估計理論及最小二乘原理。測量平差基本方法:重點介紹間接平差和條件平差。測量平差的應(yīng)用:重點介紹GPS網(wǎng)平差和坐標值平差及誤差橢圓。近代測量平差理論和方法:秩虧自由網(wǎng)平差理論,驗后方差分量估計理論,系統(tǒng)誤差的處理理論,粗差處理理論,最小二乘配置和卡爾曼濾波。
本書既可以作為高等學校測繪工程專業(yè)本科高年級學生、碩士研究生和博士研究生的教材或教學參考書,也可作為科研院所、生產(chǎn)單位的科學技術(shù)人員的參考用書。
本書定價58.00元,16開本,264頁,2016年1月由測繪出版社出版。
中圖分類號:P228
文獻標識碼:B
文章編號:0494-0911(2016)03-0001-06
作者簡介:劉偉平(1986—),男,博士,講師,研究方向為衛(wèi)星精密定軌定位。E-mail:lwpchxy@sina.com
收稿日期:2015-04-08
引文格式: 劉偉平,郝金明. 國外衛(wèi)星導航系統(tǒng)精密定軌技術(shù)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].測繪通報,2016(3):1-6.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0072.