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1、世纪之交的全球定位系统及其应用陈俊勇 摘要 综合介绍了全球定位系统 (GPS)，包括它的卫星系统和接收机，近期和今后的发展情况。评述了 GPS 在各方面的重要应用，包括地基 GPS 的动态和静态应用。重点介绍了当前 GPS 应用的前沿，即空基和星基 GPS 的应用。最后推荐了国际地球动力学 GPS 服务(IGS)的内容和产品，并对我国 GPS 综合服务系统提出了建议。 关键词全球定位系统(GPS) 分类号P228 Toward the twenty-first century Global Positioning System and its application Chen Junyong
2、(National Bureau of Surveying and Mapping, Beijing,100830) AbstractThe future development and improvement of Global Positioning System (GPS), including its satellite system and receiver are introduced. The application in different fields, including the application of kinematic and static positioning
3、 of the earth based GPS is reviewed. The most advanced application of the air-based and satellite-based GPS are specially introduced here. The contents and products of International GPS Service for Geodynamics (IGS) are recommended. Besides the establishment for Chinese GPS comprehensive service sys
4、tem is proposed. KeywordsGlobal Positioning System (GPS) 1全球定位系统 美国早已宣布将在 2006 年左右 GPS 卫星系统终止执行 SA 政策，并向用户继续免费提供标准定位服务(SPS)。这意味着届时用户 GPS 实时单点定位的精度将从在?00 m 提高到 30 m 左右。最近美国军方透露，SA 止时间有可能提前，这意味着在下一世纪初 GPS 定位工作的效率将有较大幅度的提高。 目前在天空中运动的 GPS 卫星大部分都是 II 型卫星中的第一代，即 II 和 IIA 型卫星。从 1997 年开始，发射了 II 型的第二代卫星中的第一颗
5、 IIR 型卫星。今后 IIR 型卫星将逐渐取代现有的 II 和 IIA 型卫星。相对于 II 和 IIA 型卫星而言，IIR 型卫星备有频率稳定性能要高一个量级的新的铷原子钟；用户所收到的 L1、L2 信号的功率比以前的要大；它能够发送和接收其他 GPS 卫星的导航数据，以形成 GPS 卫星间互相定位的能力，这将减少 GPS 卫星数据传输的时延。 目前美国正在开发 II 型 GPS 卫星的第三代，即 IIF 型卫星。第一颗 IIF 卫星将于 2002年发射。IIF 卫星在性能方面最主要的改善是增加了卫星的有效负载，特别是增大了太阳能电池板，因而能够支持卫星体系引进更多的功能和完成更多的任务，
6、例如加载第二民用 C/A 码信号和增设第三民用频率等。估计到2007 年，将有二分之一到三分之二的 GPS 卫星带有 L2 频率上加载 C/A 码的伪距信号。这样普通民用 GPS 接收机在伪距定位时，不仅能够较好地削弱电离层影响，其伪距的等效距离精度也将得到很大提高。这一措施不仅能较大地改善实时定位和导航精度，而且对今后提高单频 RTK 定位、单频 GPS 快速静态定位的精度和缩短初始化时间等方面都会有重要的作用6 。GPS 所采用的参考框架和计算常数在 1994 年有一次大的改进1 ，形成了 WGS84(G730)。1996 年又作了一些改进2 ，形成了 WGS84(G873)。目前它的参考
7、框架和 ITRF94 的一致性在5 cm，与 IGS 的精密星历各分量的差别在3 cm 左右。WGS84 目前所采用的计算常数为 旋转椭球长半轴(A)6 378 137.0 m 旋转椭球扁率倒数(1/f)298.257 223 563 引力常数(含大气)(GM) 3 986 004.418108m8 s-2 自转平均角速度()7292115.010-11rad s-1 2GPS 接收机的改进 在 GPS 接收机方面的改进主要是提出应用模块(GRAM) 的新概念。GRAM 不是一种硬件模块，而是满足确定任务和用途的 GPS 接收机必须遵循的一种标准。即未来的 GPS 接收机必须按照这个统一的标准
8、做成能适应多种用途的基础集成片。GRAM 提倡制成一种通用的 GPS 标准件，而不是制成一种随工厂不同，用途不同的专用器件，把接收机设计从非标准的专有技术型设计阶段带入到非专有技术型的标准化设计阶段。这是一次试图将 GPS 接收机生产方式规格化标准化的尝试。 GPS 接收机往往要在恶劣的工程环境中，如在高压线附近、高电磁干扰环境下和各种地形、地物环境下工作，这就要求 GPS 接收机必须具有良好的抗干扰，其中包括抗多路径效应的性能。因此接收机抗干扰技术是目前改善接收机性能研究中的主攻方向。 由于 GPS 信号固有的抗干扰性差的特性，因此发展 GPS 导航中的一个重要方向就是它与惯性系统(INS)
9、的组合。从 90 年代中期开始，嵌入式的 GPS/INS系统已逐步取代传统的导航，已开始走向广泛的应用阶段3 。 3“ 国际地球动力学的 GPS 服务” 的产品 “国际地球动力学的 GPS 服务”(International GPS Service for Geodynamics,IGS)的产品有四大类，即 GPS 星历、地球自转参数(EOP)、IGS 站的站坐标及其运动速率、 GPS 卫星钟差和上述 IGS 站的站钟差。以大家比较关心的星历为例，IGS 所提供的 GPS 卫星星历分三种：(1) 预报星历(IGP) IGS 提供 24 h 的预报星历；(2) 快速星历(IGR)IGS 提供 4
10、8 h 前较精密的星历；(3) 精密星历(IGS)IGS 提供二周前的精密星历。上述三种星历的精度分别为 50 cm,10 cm,5 cm 不等5,8 。IGS 所提供产品的详情参见表 18(截止日期为 1998 年 3 月)。 表 1 预报(IGP)快速(IGR)精密(IGS) 星 历时间实时 12 天后 1012 天后 精度 50 cm10 cm5 cm 星 钟时间实时 12 天后 1012 天后 精度 150 ns0.5 ns0.3 ns 极 移时间-12 天后 1012 天后 精度-0.2 mas0.1 mas 极速 移率时间-12 天后 1012 天后 精度-0.4 mas/天 0.
11、2 mas/天 世界 时时间-1 2 天后 1012 天后 精度-300 s50 s 周日 长时间-12 天后 1012 天后 精度-60 s/天 30 s/天 将不同星历应用于 GPS 定位时，如施测对象为短基线，例如在 20 km 以内，则选用上述三种星历中任一种，其结果都相差不大，在坐标分量上的误差一般会小于1 cm。因此这时选用哪一种星历可以只取决于数据处理的紧迫性而定。若施测对象是中长基线，例如800 km，则应用上述三种星历所得结果的精度很不一样，IGR 和 IGS 处理结果的差别约在厘米量级， IGP 和 IGS处理结果的差别约在 1050 cm，甚至出现系统误差。因此选用 IG
12、P 处理定位成果时要慎重 4 。 4地基GPS 站网的应用 根据地基 GPS 站网所传送的信息，它的应用一般可归结为以下 9 个方面： (1) 在海、陆、空进行实时(含后处理)的静态和动态定位和导航(含各类差分技术)。 (2) 测定地壳形变，包括板块、板块边缘、板内地块的形变和运动，反演地球应力场等。由于板块间相对运动的速率很小，要精确地分辨有关板块运动的信息，要求相对定位精度应高于 0.0110-6。 (3) 用于守时和定时。GPS 测时授时的精度高，用于远距离时间同步的精度可达 1530 ns。 (4) 地球自转参数测定。即对极移及其速率的周日长的测定。国际上从 1988 年 1 月起正式
13、停止使用经典光学和多普勒观测来监测极移现象，目前除了采用 VLBI、SLR 及 LLR(激光测月)数据外，GPS 已成为监测极移的主要手段之一。 (5) 维持 ITRF。 (6) 结合对验潮站的定位和位移速度测定，进行绝对海平面变化的监测。 (7) 以较好的平面分辨率测定大气中可降水分，有助于全球气候变化研究和中短期天气预报的改善。 (8) 测定电离层离子浓度，有助于无线电通讯管理和无线电测量。(9) 地震、火山、土地滑坡等灾害的前、中、后期的监测，和为作出可能的灾害预报作贡献。 5空基或星基 GPS 的应用 当前 GPS 应用方面的发展主要是有愈来愈多的空基和星基 GPS 进入实用阶段，例如
14、有美法的 T/P，美德的 Microlab,丹麦的 Orsted，南非的 Sunsat，德国的 CHAMP，阿根廷的 SAC-C，法美的Jason-1，美德的 GRACE 和台湾的 COSMIC 等，从而大幅度扩大了 GPS 的应用范围，出现了各种新的应用领域。 星基 GPS 提供了大地位、对流层顶层高度、平流层风场、离子浓度和大气湿度的垂直分布等方面信息。它的应用可以大致归结为以下五个方面： (1) 星基 GPS 可以有助于卫星精确定轨，这对遥感卫星和测高卫星有重大意义。 (2) 星基 GPS 用(无线电波) 掩星法，对电离层离子浓度和大气可降水份提供连续的水平截面的信息，结合地基 GPS
15、的垂直截面信息，可生成三维层析成像资料，由此可以作出其相应的静态和动态模型。(3) 星基 GPS 提供和改善有关卫星所获取的地球重力场的信息。 (4) GPS 对大气科学又提供了两种新的信息，即无线电波在大气中的连续的折射角(bending angle)和折射率，现在美国的气象和天气模型中已加进了这两个参数。它们和湿度，温度有紧密联系，经试验，加进这两个参数和天气模型显著改善了中短期天气预报。(5) 研究表明，GPS 信号在洋面上的反射信号可以相当于测定海面地形和洋流状态的卫星(海洋)测高仪，因此在即将发射的 CHAMP 和 SAC-C 上决定设置仪器获取这一信号。 6GPS 高精度静态定位
16、高精度GPS 静态定位主要用于建立各种规模和级别的大地控制网，地球动力学监测网和精密工程测量。用 GPS 技术测定上述这些点网的特点是： (1) 高精度三维定位。GPS 点是直接从 GPS 卫星讯号中获取三维定位信息，因此各点之间不存在逐点推算和误差积累。GPS 点位不仅比常规大地测量的精度高 (达 0.110-60.0110-6)，而且精度均匀。在这个精度水平上主要是两种误差源，天线相位中心的绝对变化和多路径效应所导致的测站点位误差。 (2) 设计和布点方便灵活。GPS 定位精度同 GPS 点的几何图形基本无关，而且和经典大地网不同，它不受地面点间必须相互通视的限制，从而使控制网图形设计和点间距离不受限制，选点比较方便灵活。 (3) 对地理条件和作业条件要求低。在沙漠、高山
