試析我國(guó)大地測(cè)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(lái)愈多。簡(jiǎn)要介紹了甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量（VLBI）技術(shù)、激光測(cè)月（LLR）技術(shù)、衛(wèi)星激光測(cè)距（SLR）技術(shù)、衛(wèi)星雷達(dá)測(cè)高技術(shù)、多普勒定軌和無(wú)線電定位系統(tǒng)（DORIS）、精密測(cè)距及其變率測(cè)量系統(tǒng)（PRARE）以及合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量（INSAR）等空間定位測(cè)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(shí)間信息的空基無(wú)線電導(dǎo)航定位系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：大地測(cè)量；衛(wèi)星導(dǎo)航定位；地殼運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)；大地水準(zhǔn)面

引言：大地測(cè)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(dòng)提供地球空間信息的學(xué)科。大地測(cè)量學(xué)與地球科學(xué)多個(gè)分支互相交叉滲透，為探索地球深層結(jié)構(gòu)、動(dòng)力學(xué)過(guò)程和力學(xué)機(jī)制提供技術(shù)支持。近幾年，我國(guó)大地測(cè)量工作有了可喜的進(jìn)展，在以下幾個(gè)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(dòng)監(jiān)測(cè)與大地測(cè)量地球動(dòng)力學(xué)研究進(jìn)展；大地水準(zhǔn)面精化研究進(jìn)展。

一、我國(guó)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(dòng)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(guó)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(cè)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(guó)際上幾乎所有發(fā)達(dá)國(guó)家都已采用地心坐標(biāo)系，我國(guó)周邊國(guó)家大多也采用地心坐標(biāo)系，我國(guó)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(guó)建國(guó)以來(lái)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(guó)家GPS大地控制網(wǎng)，完成了全國(guó)天文大地網(wǎng)與2000國(guó)家GPS大地控制網(wǎng)的聯(lián)合平差工作，使2000國(guó)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(guó)海軍導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的無(wú)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(shí)時(shí)性的導(dǎo)航、定位和定時(shí)功能，能為用戶提供精密的三維坐標(biāo)、速度和時(shí)間。現(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(hào)的GPS-2R-M和GPS-2F衛(wèi)星共9顆。根據(jù)GPS現(xiàn)代化計(jì)劃，2011年美國(guó)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(guò)渡的最后一種型號(hào)，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(jí)改造，目標(biāo)是極大地緩解當(dāng)前GPS存在的脆弱性問(wèn)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(jì)劃第一顆GPS-3衛(wèi)星將于2014年發(fā)射，整個(gè)GPS-3星座計(jì)劃將用近20年的時(shí)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(jì)劃于1999年2月由歐洲委員會(huì)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(gè)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(shí)現(xiàn)地面精確定位的功能。GALILFO系統(tǒng)是世界上第一個(gè)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(hào)，這將無(wú)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(guó)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(guó)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(yàn)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(guó)境內(nèi)和臺(tái)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(gè)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(guó)內(nèi)及亞大地區(qū)的區(qū)域性無(wú)源衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，并計(jì)劃通過(guò)發(fā)射35顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星來(lái)實(shí)現(xiàn)全球性無(wú)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(cè)量新技術(shù)及應(yīng)用

1.合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量

通過(guò)裝有兩個(gè)側(cè)視天線或采用重復(fù)軌道法，對(duì)同一地區(qū)采用干涉法記錄相位和圖像的回波信號(hào)，通過(guò)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(cè)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(cè)地面形變、監(jiān)測(cè)冰川與河流的運(yùn)動(dòng)等。采用D-INSAR技術(shù)其形變監(jiān)測(cè)精度可達(dá)cm級(jí)甚至mm級(jí)因此被廣泛用于地震監(jiān)測(cè)、火山研究、冰川研究和地面沉降監(jiān)測(cè)等。隨著INSAR軟件的普及，其應(yīng)用將會(huì)更加廣泛。

2.精密測(cè)距及其變率測(cè)量系統(tǒng)

精密測(cè)距及其變率測(cè)量系統(tǒng)是德國(guó)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(cè)定時(shí)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(gè)全球跟蹤網(wǎng)，包括大約30個(gè)自動(dòng)地面站，其中一個(gè)主站、一個(gè)控制站和一個(gè)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(yàn)階段。

四、衛(wèi)星定位的發(fā)展應(yīng)用

目前中國(guó)的有關(guān)機(jī)構(gòu)已經(jīng)啟動(dòng)了歐盟的伽利略計(jì)劃的有關(guān)研發(fā)項(xiàng)目共14項(xiàng)，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(guó)在伽利略計(jì)劃中的合作地位，旨在加強(qiáng)歐盟國(guó)與國(guó)之間的科研合作而專門(mén)制訂的歐盟的第六框架計(jì)劃（FP6）也已向中國(guó)的科研機(jī)構(gòu)、大學(xué)和高技術(shù)企業(yè)開(kāi)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(shí)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(shí)時(shí)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(shí)時(shí)獲得厘米級(jí)定位結(jié)果，因而該技術(shù)迅速在我國(guó)得到較廣泛的推廣。

五、結(jié)束語(yǔ)

近年來(lái)我國(guó)的大地測(cè)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(cè)繪產(chǎn)品的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換問(wèn)題。同時(shí)，在今后如何維護(hù)國(guó)家的大地坐標(biāo)系，使大地參考框架得到及時(shí)有效的加密和更新，都需要測(cè)繪工作者的不懈努力；在大地測(cè)量手段日益豐富和增強(qiáng)的形勢(shì)下，大地測(cè)量與地學(xué)的其他學(xué)科進(jìn)行交叉和融合，將會(huì)更好地推動(dòng)地球科學(xué)的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

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（作者單位：1.沈陽(yáng)市政集團(tuán)有限公司2.；遼寧省地礦測(cè)繪院）