試析我國大地測量及衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)的新進(jìn)展

田雪 趙琴音

摘 要：隨著空間及衛(wèi)星定位技術(shù)的飛速發(fā)展，各種空間定位技術(shù)及應(yīng)用也愈來愈多。簡要介紹了甚長基線干涉測量（VLBI）技術(shù)、激光測月（LLR）技術(shù)、衛(wèi)星激光測距（SLR）技術(shù)、衛(wèi)星雷達(dá)測高技術(shù)、多普勒定軌和無線電定位系統(tǒng)（DORIS）、精密測距及其變率測量系統(tǒng)（PRARE）以及合成孔徑雷達(dá)干涉測量（INSAR）等空間定位測量技術(shù)，重點(diǎn)闡述了GPS新技術(shù)及應(yīng)用。全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)是能在地球表面或近地空間的任何地點(diǎn)為用戶提供全天候的三維坐標(biāo)和速度以及時間信息的空基無線電導(dǎo)航定位系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：大地測量；衛(wèi)星導(dǎo)航定位；地殼運(yùn)動監(jiān)測；大地水準(zhǔn)面

引言：大地測量學(xué)是以研究地球形狀與大小為基本目的的地學(xué)領(lǐng)域中的基礎(chǔ)性學(xué)科，是為人類的活動提供地球空間信息的學(xué)科。大地測量學(xué)與地球科學(xué)多個分支互相交叉滲透，為探索地球深層結(jié)構(gòu)、動力學(xué)過程和力學(xué)機(jī)制提供技術(shù)支持。近幾年，我國大地測量工作有了可喜的進(jìn)展，在以下幾個方面取得了重要成果：坐標(biāo)系統(tǒng)的建立、維護(hù)和更新；衛(wèi)星定位技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用；地殼運(yùn)動監(jiān)測與大地測量地球動力學(xué)研究進(jìn)展；大地水準(zhǔn)面精化研究進(jìn)展。

一、我國新一代地心坐標(biāo)系統(tǒng)的建立和維護(hù)

大地坐標(biāo)系是一種固定在地球上，隨地球一起轉(zhuǎn)動的非慣性坐標(biāo)系。大地坐標(biāo)系依其坐標(biāo)系原點(diǎn)的位置不同而分為地心坐標(biāo)系和參心坐標(biāo)系。地心坐標(biāo)系的原點(diǎn)與地球質(zhì)心（包括海洋、大氣）重合，參心坐標(biāo)系的原點(diǎn)與某一地區(qū)或某一國家采用的參考橢球的中心重合。由于航天、航空、航海事業(yè)的發(fā)展，以及現(xiàn)代測繪技術(shù)的普遍應(yīng)用，傳統(tǒng)的參心坐標(biāo)系已不能滿足需要。國際上幾乎所有發(fā)達(dá)國家都已采用地心坐標(biāo)系，我國周邊國家大多也采用地心坐標(biāo)系，我國大地坐標(biāo)系同樣也面臨著由參心坐標(biāo)系向地心坐標(biāo)系的更新。我國建國以來分別建立了1954年北京坐標(biāo)系和1980西安坐標(biāo)系。建成了2000國家GPS大地控制網(wǎng)，完成了全國天文大地網(wǎng)與2000國家GPS大地控制網(wǎng)的聯(lián)合平差工作，使2000國家大地坐標(biāo)不僅有明確的定義，而且有高精度的坐標(biāo)框架具體體現(xiàn)。

二、衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

1.GPS

GPS是在美國海軍導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的無線電導(dǎo)航定位系統(tǒng)。具有全能性、全球性、全天候、連續(xù)性和實時性的導(dǎo)航、定位和定時功能，能為用戶提供精密的三維坐標(biāo)、速度和時間?，F(xiàn)今，GPS共有在軌工作衛(wèi)星31顆，其中GPS-2A衛(wèi)星10顆，GPS-2R衛(wèi)星12顆，經(jīng)現(xiàn)代化改進(jìn)的帶M碼信號的GPS-2R-M和GPS-2F衛(wèi)星共9顆。根據(jù)GPS現(xiàn)代化計劃，2011年美國推進(jìn)了GPS更新?lián)Q代進(jìn)程。GPS-2F衛(wèi)星是第二代GPS向第三代GPS過渡的最后一種型號，將進(jìn)一步使GPS提供更高的定位精度。GPS現(xiàn)代化進(jìn)程包括空間段、地面段和用戶段的現(xiàn)代化升級改造，目標(biāo)是極大地緩解當(dāng)前GPS存在的脆弱性問題，為全球用戶提供高抗干擾、高定位精度和高安全可靠的服務(wù)。目前第三代GPS研發(fā)工作正在順利進(jìn)行，按計劃第一顆GPS-3衛(wèi)星將于2014年發(fā)射，整個GPS-3星座計劃將用近20年的時間完成，以此取代目前的GPS-2。

2.GALILFO

伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GALILFO）是由歐盟研制和建立的全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，該計劃于1999年2月由歐洲委員會公布，并和歐空局共同負(fù)責(zé)。系統(tǒng)由30顆衛(wèi)星組成，其中27顆工作星，3顆備份星。衛(wèi)星軌道高度為23616km，位于3個傾角為56°的軌道平面內(nèi)。2012年10月，伽利略全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)第二批兩顆衛(wèi)星成功發(fā)射升空，太空中已有的4顆正式的伽利略衛(wèi)星，可以組成網(wǎng)絡(luò)，初步實現(xiàn)地面精確定位的功能。GALILFO系統(tǒng)是世界上第一個基于民用的全球?qū)Ш叫l(wèi)星定位系統(tǒng)，投入運(yùn)行后，全球的用戶將使用多制式的接收機(jī)，獲得更多的導(dǎo)航定位衛(wèi)星的信號，這將無形中極大地提高導(dǎo)航定位的精度。

3.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是中國自主研發(fā)、獨(dú)立運(yùn)行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。該系統(tǒng)分為兩代，即北斗一代和北斗二代系統(tǒng)。我國上世紀(jì)80年代決定建設(shè)北斗系統(tǒng)，2003年，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航驗證系統(tǒng)建成。該系統(tǒng)由4顆地球同步軌道衛(wèi)星、地面控制部分和用戶終端三部分組成。北斗一代形成的雙星定位系統(tǒng)，可向中國境內(nèi)和臺海周邊地區(qū)提供有源定位服務(wù)。為進(jìn)一步提高北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的能力，目前正在進(jìn)行北斗二代系統(tǒng)的建設(shè)。北斗二代系統(tǒng)由5顆同步地球衛(wèi)星，30顆中軌道衛(wèi)星組成，其中中軌衛(wèi)星分布在3個傾角為55°的軌道面上，軌道半徑為21500km。到目前為止，已成功將16顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)射升空，初步建成覆蓋國內(nèi)及亞大地區(qū)的區(qū)域性無源衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，并計劃通過發(fā)射35顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星來實現(xiàn)全球性無源衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，擬于2020年前建成這一龐大星座。

三、空間大地測量新技術(shù)及應(yīng)用

1.合成孔徑雷達(dá)干涉測量

通過裝有兩個側(cè)視天線或采用重復(fù)軌道法，對同一地區(qū)采用干涉法記錄相位和圖像的回波信號，通過一系列必要的后處理，可獲得地面三維幾何和物理特征的合成孔徑雷達(dá)。該技術(shù)是新出現(xiàn)的衛(wèi)星大地測量技術(shù)，在地學(xué)中有多方面的應(yīng)用，如建立數(shù)字高程模型、監(jiān)測地面形變、監(jiān)測冰川與河流的運(yùn)動等。采用D-INSAR技術(shù)其形變監(jiān)測精度可達(dá)cm級甚至mm級因此被廣泛用于地震監(jiān)測、火山研究、冰川研究和地面沉降監(jiān)測等。隨著INSAR軟件的普及，其應(yīng)用將會更加廣泛。

2.精密測距及其變率測量系統(tǒng)

精密測距及其變率測量系統(tǒng)是德國研制的一種精密、雙向（s/x帶）衛(wèi)星跟蹤系統(tǒng)。它也是多功能系統(tǒng)，可以測定時鐘參數(shù)、軌道根數(shù)、站坐標(biāo)和地球自轉(zhuǎn)參數(shù)。這一系統(tǒng)也有一個全球跟蹤網(wǎng)，包括大約30個自動地面站，其中一個主站、一個控制站和一個校準(zhǔn)站。PRARE安置在ERS-1和ERS-2衛(wèi)星上，用于與SLR定軌結(jié)果進(jìn)行比較，目前還處于試驗階段。

四、衛(wèi)星定位的發(fā)展應(yīng)用

目前中國的有關(guān)機(jī)構(gòu)已經(jīng)啟動了歐盟的伽利略計劃的有關(guān)研發(fā)項目共14項，內(nèi)容涉及空間段、地面段和用戶接收機(jī)等。為體現(xiàn)中國在伽利略計劃中的合作地位，旨在加強(qiáng)歐盟國與國之間的科研合作而專門制訂的歐盟的第六框架計劃（FP6）也已向中國的科研機(jī)構(gòu)、大學(xué)和高技術(shù)企業(yè)開放。目前的網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)主要包括VRS，F(xiàn)KP和CBI三種。不管采用什么方法，其實質(zhì)都是利用基準(zhǔn)站網(wǎng)的數(shù)據(jù)盡可能準(zhǔn)確地模擬或消除用戶站處的定位誤差，從而提高用戶的實時定位精度。由于網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)使用戶不必為作業(yè)而獨(dú)立設(shè)置參考站即可實時獲得厘米級定位結(jié)果，因而該技術(shù)迅速在我國得到較廣泛的推廣。

五、結(jié)束語

近年來我國的大地測量工作取得了重要進(jìn)展，采用新一代大地坐標(biāo)系已成為刻不容緩的工作，在技術(shù)條件成熟的今天，采用新的坐標(biāo)系仍然要解決大量測繪產(chǎn)品的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換問題。同時，在今后如何維護(hù)國家的大地坐標(biāo)系，使大地參考框架得到及時有效的加密和更新，都需要測繪工作者的不懈努力；在大地測量手段日益豐富和增強(qiáng)的形勢下，大地測量與地學(xué)的其他學(xué)科進(jìn)行交叉和融合，將會更好地推動地球科學(xué)的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

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[3]楊元喜.中國大地坐標(biāo)系建設(shè)主要進(jìn)展[J].測繪通報，2005，（1）：6-9.52.

（作者單位：1.沈陽市政集團(tuán)有限公司2.；遼寧省地礦測繪院）