孔巧麗, 韓李濤, 陽凡林, 郭金運(yùn)
(山東科技大學(xué) a. 測繪科學(xué)與工程學(xué)院,b. 海島(礁)測繪技術(shù)國家測繪局重點實驗室,山東 青島 266590)
隨著中國自主研發(fā)的北斗導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)的逐步完善以及中國加盟的GALILEO衛(wèi)星的相繼發(fā)射,國家對衛(wèi)星定位與導(dǎo)航創(chuàng)新教育更加重視,對GNSS(Global Navigation Satellite System)科技建設(shè)投入的逐年增加,GNSS科技水平已經(jīng)提升到很高水平,衛(wèi)星定位的技術(shù)已經(jīng)從依靠單一美國GPS朝著多元化發(fā)展,統(tǒng)稱的GNSS。此外,美國計劃出臺新的政策來限制GPS技術(shù)在其他國家的應(yīng)用精度。在這新的時期,高校的GPS實驗室大都朝著GNSS多元化的方向發(fā)展,即GNSS實驗室。GNSS實驗室體現(xiàn)了新時期工科高校測繪技術(shù)專業(yè)的教學(xué)質(zhì)量、科研實力以及管理水平,同時為GNSS新知識、新技術(shù)、新方法、新成果的誕生和應(yīng)用提供了平臺[1],是培養(yǎng)測繪專業(yè)學(xué)生的科技創(chuàng)新精神和提高綜合實踐能力的搖籃[2]。GNSS技術(shù)的快速發(fā)展已經(jīng)成為世界共同關(guān)注的熱點問題,其主要包括中國的北斗導(dǎo)航衛(wèi)星(COMPASS)、美國GPS、俄羅斯GLONASS、歐盟GALILEO系統(tǒng),四者并稱全球四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。在這新的時期,GNSS技術(shù)的實驗教學(xué)內(nèi)容和實驗儀器設(shè)備遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于GNSS新理論、新儀器的發(fā)展速度,實驗技術(shù)人員知識結(jié)構(gòu)陳舊,缺乏工作熱情。因此構(gòu)建與相配套的實驗教學(xué)體系需要一個循序漸進(jìn)的過程,必須不斷地進(jìn)行探索、自我修正和優(yōu)化。GNSS實驗教學(xué)要想充分激發(fā)測繪專業(yè)學(xué)生創(chuàng)新精神和提高學(xué)生實踐能力,為社會培養(yǎng)理論基礎(chǔ)扎實、實踐經(jīng)驗豐富的應(yīng)用型工程技術(shù)人才[3],必須緊隨GNSS的發(fā)展趨勢,根據(jù)培養(yǎng)測繪專業(yè)學(xué)生創(chuàng)新能力的需求,堅持進(jìn)行GNSS實驗室教學(xué)體系建設(shè)、改革和創(chuàng)新,增設(shè)特色實驗項目,提高新時期GNSS實驗室實驗技術(shù)人員的專業(yè)素質(zhì)和業(yè)務(wù)技術(shù)水平,改善其知識體系[4],解決迫在眉睫的GNSS實驗室現(xiàn)存的問題[5]。
GNSS技術(shù)主要應(yīng)用在測繪、交通、規(guī)劃、國土、水利水電等行業(yè),通過測量、計算、繪圖等技能來實現(xiàn)工作目標(biāo),屬技能顯現(xiàn)型專業(yè)技術(shù)。而GNSS實驗課程能夠有力地加深學(xué)生對衛(wèi)星定位系統(tǒng)的理解和掌握,提高學(xué)生的實際動手能力。設(shè)置的GNSS實驗教學(xué)項目要由簡單到復(fù)雜,內(nèi)容環(huán)環(huán)相扣,并結(jié)合GNSS技術(shù)實際應(yīng)用情況,從而有利于加深和鞏固課堂知識,提高測繪工程專業(yè)學(xué)生綜合運(yùn)用知識及分析和解決實際問題的能力[6]。由于GPS相對其他衛(wèi)星定位系統(tǒng),是一個比較成熟的系統(tǒng),新時期GNSS實驗室必須保留原有實驗項目,以我校GNSS實驗室為例,該實驗室設(shè)置了6個基礎(chǔ)實驗項目,主要包括:①GPS接收機(jī)的認(rèn)識和使用;②GPS靜態(tài)測量;③GPS數(shù)據(jù)傳輸和格式轉(zhuǎn)換;④電臺模式GPS實時動態(tài)定位(RTK:Real Time Kinematic);⑤GPS數(shù)據(jù)預(yù)處理;⑥GPS基線解算與網(wǎng)平差。其中實驗①、②和④為驗證性實驗,為學(xué)生提供高精度GNSS儀器,鍛煉其儀器操作能力,實驗③為驗證性實驗,可以鍛煉學(xué)生將測量數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娔X,并將測量格式進(jìn)行轉(zhuǎn)換,實驗⑤為設(shè)計性實驗,對數(shù)據(jù)進(jìn)行周跳探測和粗差處理,這是GPS數(shù)據(jù)處理中必不可少的重要環(huán)節(jié),實驗⑥為綜合性實驗,學(xué)生利用預(yù)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行基線解算和網(wǎng)平差計算,最終獲得高精度的測站位置。
新時期GNSS實驗室必須在原有實驗項目的基礎(chǔ)上,增加衛(wèi)星定位與導(dǎo)航的新知識、新技術(shù)以及新方法的應(yīng)用,開設(shè)特色實驗項目,如網(wǎng)絡(luò)RTK實驗。如果美國關(guān)閉GPS在國內(nèi)的應(yīng)用或者在GPS衛(wèi)星上做些手腳,國內(nèi)主要由GPS進(jìn)行定位和導(dǎo)航的儀器設(shè)備功能將會全部丟失。因此,在GPS相關(guān)實驗項目的基礎(chǔ)上,除了網(wǎng)絡(luò)RTK實驗外,還需增加國內(nèi)自主衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)—北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的定位實驗,以及多星系統(tǒng)兼容的綜合衛(wèi)星定位與導(dǎo)航實驗等。新時期GNSS實驗室實驗項目設(shè)計如圖1所示。

圖1 新時期GNSS實驗室實驗項目設(shè)計圖
GPS實時動態(tài)定位(RTK)技術(shù)應(yīng)用于測量領(lǐng)域已經(jīng)是一項很成熟的技術(shù),通過差分技術(shù),可以消除對流層、電離層等誤差項的影響,從而實現(xiàn)方便、快捷、高效且高精度的測量作業(yè)。RTK技術(shù)可分為兩種:電臺模式RTK和網(wǎng)絡(luò)RTK,前者是通過無線電技術(shù)接收單基站廣播改正數(shù)的常規(guī)RTK技術(shù);后者是基于Internet數(shù)據(jù)通訊鏈獲取虛擬參考站(VRS)技術(shù)播發(fā)改正數(shù)的網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)。電臺模式RTK局限在較短距離范圍內(nèi),隨著流動站與基準(zhǔn)間距離的延長,各類系統(tǒng)誤差的殘差快速增大,致使無法正確確定整周模糊度參數(shù)和取得固定解,為了實現(xiàn)大區(qū)域范圍內(nèi)高精度實時動態(tài)定位,網(wǎng)絡(luò)RTK(CORS)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生,其中VRS(Virtual Reference Station)的虛擬參考站技術(shù)和FKP(Flat Plane Correction Parameter)的區(qū)域改正參數(shù)法技術(shù)比較具有代表性。流動站通過接收CORS系統(tǒng)管理中心對參考站網(wǎng)數(shù)據(jù)整體網(wǎng)解算的實時差分改正信息進(jìn)行RTK作業(yè)。網(wǎng)絡(luò)RTK工作示意圖如圖2所示。
如在我校,網(wǎng)絡(luò)RTK實驗可以在山東省全境的SDCORS網(wǎng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行,該CORS網(wǎng)包括100多個個基準(zhǔn)站。實驗的主要內(nèi)容和目標(biāo)包括:加深對網(wǎng)絡(luò)RTK測量的基本原理的理解;掌握中國移動GPRS(CMNET)或聯(lián)通CDMA無線網(wǎng)絡(luò)連接Internet的方法;能夠建立撥號簡表;對流動站建立任務(wù);設(shè)置流動站的測量模式;新建VRS工作形式;對碎部點進(jìn)行測量,最后將測量數(shù)據(jù)輸出。

圖2 網(wǎng)絡(luò)RTK示意圖
為了避免在軍事和民用方面受制于美國,北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是中國自主研發(fā)、獨立運(yùn)行的全球衛(wèi)星定位與通信系統(tǒng)。系統(tǒng)由空間端、地面端和用戶端組成,不僅可在全球范圍內(nèi)全天候、全天時為各類用戶提供高精度定位、導(dǎo)航、授時服務(wù),而且在測繪、漁業(yè)、森林防火、水域及海洋信息監(jiān)測、大氣環(huán)境監(jiān)測等方面也已經(jīng)取得了廣泛應(yīng)用。截止2012年5月,北斗系統(tǒng)在軌衛(wèi)星12顆,已經(jīng)初步具備了區(qū)域?qū)Ш健⒍ㄎ缓褪跁r能力,精密定位精度優(yōu)達(dá)毫米級[7]。計劃2020年左右,將建成覆蓋全球的由30顆北斗衛(wèi)星組成的導(dǎo)航系統(tǒng)[8],從而中國北斗系統(tǒng)將有能力參與全球競爭。

圖3 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)示意圖
隨著北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的快速發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的逐步擴(kuò)大,充分利用我國的衛(wèi)星導(dǎo)航地面基準(zhǔn)站資源,建立北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的地基增強(qiáng)服務(wù)系統(tǒng)具有重要的戰(zhàn)略意義。GNSS實驗室未來建設(shè)的重要內(nèi)容是引導(dǎo)測繪專業(yè)學(xué)生了解和掌握北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的原理、儀器操作、數(shù)據(jù)處理以及該技術(shù)的應(yīng)用,此舉將對激勵學(xué)生探索創(chuàng)新、推動中國衛(wèi)星導(dǎo)航定位產(chǎn)業(yè)化發(fā)展具有重要意義。
目前,結(jié)合COMPASS的定位原理和方法,預(yù)設(shè)COMPASS定位的主要實驗內(nèi)容包括絕對定位法、差分定位法和時差圖定位法[9]:
(1) 絕對定位法。定位方法主要包括高程代入法、相似橢球法、近似橢球法和三點交會法。四種定位方法均輸入單點定位,精度較低,其中高程代入法不適合低緯度地區(qū)的定位,相對于其他三種定位方法,三點交會法定位精度較高。
(2) 差分定位法。差分定位法將用戶測站與定位基準(zhǔn)站同一時刻的距離觀測值進(jìn)行差分,從而消弱對流層和電離層等誤差的影響,從而獲得高精度的定位數(shù)據(jù),根據(jù)改正方法的不同,差分定位法分為位置改正法和邊長改正法。
(3) 時差圖定位法。相隔一定距離的地面上任意兩點對同一顆衛(wèi)星的信號傳播時間之差,以地面某個固定點為參考原點,以周圍相對點位的坐標(biāo)差為縱橫軸,把對應(yīng)相對定位的時差列出,形成時差圖。參考點與其周圍的測站點同步觀測時,可得兩個時差,各時差在對應(yīng)衛(wèi)星時差圖上是一條曲線,兩條曲線的交點便是用戶測站位置。
多星兼容系統(tǒng)綜合定位與導(dǎo)航,是將各種導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)融合,相對于單衛(wèi)星定位系統(tǒng)的接收技術(shù),衛(wèi)星數(shù)量多、覆蓋好、定位精度高、可靠性高等優(yōu)點,且可更廣泛地應(yīng)用于海、陸、空交通運(yùn)輸,有線與無線通信,以及地質(zhì)災(zāi)害森林火災(zāi)的救援、醫(yī)療急救、海上搜救、水壩橋梁等大型建筑工程等各項領(lǐng)域。目前,中國北斗星通公司已經(jīng)研發(fā)出可以集成接收COMPASS、GLONASS、GPS和GALILEO等四個系統(tǒng)信號的產(chǎn)品,如OEM628、OEM615等系列產(chǎn)品。為了適應(yīng)這種集成定位的發(fā)展趨勢,高校開設(shè)多星系統(tǒng)綜合定位與導(dǎo)航實驗將十分必要。不僅可以培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,拓寬學(xué)生的知識面,提高學(xué)生綜合創(chuàng)新能力,更為將來學(xué)生適應(yīng)全球衛(wèi)星定位技術(shù)的迅猛發(fā)展和應(yīng)用提供保障。針對多系統(tǒng)定位與導(dǎo)航技術(shù)的特點,實驗室設(shè)計的相關(guān)實驗內(nèi)容主要包括如下幾項:
(1) 多星兼容系統(tǒng)定位精度分析。由于采用多種導(dǎo)航系統(tǒng),在設(shè)置一定的衛(wèi)星截止高度角的情況下,可見星個數(shù)將比任何一種單一導(dǎo)航系統(tǒng)的可見星要多,從而降低DOP值,提高定位精度,DOP值的計算主要包括幾何精度因子 GDOP、位置精度因子PDOP、水平精度因子HDOP、垂直精度因子VDOP 和時間精度因子TDOP[10]。
(2) 空間基準(zhǔn)的轉(zhuǎn)換。由于各種衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)采用的空間基準(zhǔn)不同,如GPS采用WGS-84坐標(biāo)系,而COMPASS采用CGCS2000坐標(biāo)系,因此,如果要將多種定位導(dǎo)航系統(tǒng)兼容進(jìn)行定位和導(dǎo)航,必須統(tǒng)一到同一個坐標(biāo)系統(tǒng)下。
(3) 時間基準(zhǔn)的統(tǒng)一。與空間基準(zhǔn)一樣,不同的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)采用的時間基準(zhǔn)也不相同,必須弄清楚各種系統(tǒng)之間的時間偏差,從而歸算到同一個時間基準(zhǔn)下,方便各系統(tǒng)的兼容和聯(lián)合定位。
(4) 多系統(tǒng)綜合定位。根據(jù)接收到的各導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)航電文信息計算衛(wèi)星在空間的瞬時位置坐標(biāo),然后結(jié)合測量獲得的用戶到衛(wèi)星的相對距離,利用多球定位原理計算出用戶在空間的位置。
隨著衛(wèi)星定位與導(dǎo)航技術(shù)的迅猛發(fā)展,如COMPASS和GALILEO的逐步完善,以及美國GPS有可能出臺新的限制政策影響GPS在國內(nèi)的正常使用,因此,在這新的時期,實驗技術(shù)人員作為GNSS實驗室重要支撐力量,必須緊跟時代步伐,及時汲取新知識,新方法,更新陳舊知識體系,為培養(yǎng)創(chuàng)新型測繪人才提供保障。學(xué)校必須如同GNSS理論教學(xué)師資建設(shè)一樣重視實驗教學(xué)師資隊伍建設(shè),提高GNSS實驗技術(shù)人員的業(yè)務(wù)技術(shù)水平[11]、從而為實驗教學(xué)和科研提供保證,努力建設(shè)一支數(shù)量充足、結(jié)構(gòu)合理、骨干穩(wěn)定,緊跟時代步伐的高水平實驗技術(shù)隊伍,為培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新型測繪科技人才提供師資條件。實驗教學(xué)師資隊伍建設(shè)主要建議如下:
(1) 不斷加強(qiáng)自身素質(zhì)建設(shè)。在掌握專業(yè)基礎(chǔ)理論和技術(shù)的基礎(chǔ)上,關(guān)注GNSS學(xué)科理論的進(jìn)展,更新自己的知識體系,將最新的信息和方法、進(jìn)展和成果應(yīng)用于實踐[11],提高國家自主研發(fā)的COMPASS應(yīng)用能力,鼓勵學(xué)生發(fā)展國內(nèi)的衛(wèi)星定位事業(yè)。
(2) 政策傾斜。高校應(yīng)在師資培養(yǎng)、工作條件、職稱評聘等方面給予GNSS實驗室適當(dāng)?shù)恼邇A斜,保證實驗室技術(shù)人員的穩(wěn)定持續(xù)發(fā)展[12],轉(zhuǎn)變實驗室工作就是教輔的觀念,鼓勵實驗技術(shù)人員加入GNSS的科學(xué)研究,打破教學(xué)實驗室與科研實驗室界線[2],從而調(diào)動實驗室技術(shù)人員的積極性。使他們在實驗教學(xué)中樹立既重視理論教學(xué),也注重實踐教學(xué)的理念,從而確保實驗教學(xué)質(zhì)量。
(3) 加強(qiáng)激勵。高校要采取獎勵和考評措施。每年評選先進(jìn)工作者,進(jìn)行物資和精神獎勵,樹立先進(jìn)標(biāo)桿,提高實驗技術(shù)人員工作積極性。建立績效考評制度,可以提高實驗技術(shù)人員工作質(zhì)量和管理績效,促進(jìn)實驗室建設(shè)和發(fā)展[13]。
(4) 交流與考察。高校要組織實驗室骨干技術(shù)人員到武漢大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、中國礦業(yè)大學(xué)等一流院校測繪專業(yè)進(jìn)行交流、考察,并鼓勵參加國內(nèi)外相關(guān)工作或?qū)W術(shù)會議。
(5) 在職攻讀學(xué)位。高校應(yīng)鼓勵青年實驗技術(shù)人員在職攻讀學(xué)位,并為其創(chuàng)造條件,提高其專業(yè)素質(zhì),更新其知識體系,從而提高實驗教學(xué)水平,為高校培養(yǎng)創(chuàng)新型人才打好基礎(chǔ)。
我校自2008年開始實施實驗教學(xué)項目“群星計劃”,研究時間為2年,同時,鼓勵GNSS實驗技術(shù)人員參加技術(shù)培訓(xùn),如2010年派技術(shù)人員參加了武漢大學(xué)劉經(jīng)南院士舉辦的CORS系統(tǒng)培訓(xùn)班,學(xué)習(xí)了網(wǎng)絡(luò)CORS的發(fā)展現(xiàn)狀,并學(xué)會如何進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)RTK測量,在同年參加了上海CPGPS衛(wèi)星定位與導(dǎo)航論壇,了解了GNSS技術(shù)國內(nèi)外的研究熱點和發(fā)展動態(tài)。此外,GNSS實驗室與國內(nèi)外數(shù)家知名GPS生產(chǎn)廠家如南方測繪、中海達(dá)、合眾思壯、北斗星通等儀器公司保持著密切聯(lián)系,不定期進(jìn)行技術(shù)交流,討論GNSS儀器的發(fā)展動態(tài)和方向,了解頂尖端GNSS測繪儀器發(fā)展?fàn)顩r。通過這些措施,為GNSS實驗室專業(yè)技術(shù)人員的培養(yǎng)提供了優(yōu)越條件,大大提高了專業(yè)技術(shù)水平。
隨著GNSS的快速發(fā)展,傳統(tǒng)的單一依賴美國GPS技術(shù)的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)已經(jīng)朝著多元化方向發(fā)展,實驗教學(xué)和實驗專業(yè)人員必須緊跟時代脈搏,才能培養(yǎng)出創(chuàng)新型測繪技術(shù)人才[14],因此針對全球衛(wèi)星定位與導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展趨勢,提出了新時期高校GNSS實驗室方建設(shè)和發(fā)展方向,詳細(xì)設(shè)計了新形勢下的GNSS實驗室實驗項目改革和建設(shè)的內(nèi)容,特別強(qiáng)調(diào)了網(wǎng)絡(luò)RTK實驗,COMPASS定位實驗和多星兼容系統(tǒng)綜合定位實驗。由于GNSS實驗隊伍建設(shè)對高素質(zhì)創(chuàng)新人才的培養(yǎng)擔(dān)負(fù)著重要的使命[15],提出了GNSS實驗室專業(yè)技術(shù)人員的相應(yīng)技術(shù)水平和專業(yè)素質(zhì)的幾種途徑,為GNSS實驗室的建設(shè)和發(fā)展、GNSS 實踐教學(xué)與科學(xué)研究提供了師資力量[16],并為提高學(xué)生的動手能力、創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力,培養(yǎng)懂技術(shù)、能吃苦、善合作、敢負(fù)責(zé)的新型測繪人才提供實驗基地。
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