空間大地測(cè)量新技術(shù)及應(yīng)用

1、空間大地測(cè)量新技術(shù)及應(yīng)用    摘要：本文簡(jiǎn)要介紹了甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量（VLBI）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 技術(shù)及應(yīng)用。 關(guān)鍵詞：空間定位技術(shù)；GPS技術(shù)； 中圖分類(lèi)號(hào)：P228.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)： 1GPS新技術(shù)及應(yīng)用 當(dāng)前的GPS是一種衛(wèi)星無(wú)線電定位、導(dǎo)航與授時(shí)系統(tǒng)，是通過(guò)發(fā)射電磁脈沖并且測(cè)量它們到達(dá)待定點(diǎn)的時(shí)延來(lái)實(shí)現(xiàn)定位的，這種方法的精度受到信號(hào)功率和帶

2、寬的限制。為了克服這些缺點(diǎn)，美國(guó)的研究人員正在研究一種基于量子的定位系統(tǒng)，稱(chēng)為量子定位系統(tǒng)(QPS)。QPS的特點(diǎn)之一是定位精度高，另一個(gè)是具有很高的安全性。這項(xiàng)研究采用具有量子特性的激光取代電磁脈沖，如取得成功，將使當(dāng)前GPS系統(tǒng)產(chǎn)生革命性的突破。提高GPS系統(tǒng)抗干擾能力可利用偽GPS星座、研發(fā)新型抗干擾GPS 接收機(jī)如GSTAR、用功率更大的軍碼（M碼）和用更先進(jìn)的加密技術(shù)對(duì)軍碼實(shí)施保護(hù)等。 由于常規(guī)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位技術(shù)（RTK）作用距離有限，為了拓展該技術(shù)的應(yīng)用，網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)便應(yīng)運(yùn)而生。網(wǎng)絡(luò)RTK又稱(chēng)多基準(zhǔn)站RTK, 與常規(guī)RTK相比，該技術(shù)具有覆蓋面廣、定位精度高，可實(shí)時(shí)提供cm級(jí)定位的

3、特點(diǎn)。由于GPS在實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位技術(shù)方面的進(jìn)展,其精度已可達(dá)cm級(jí), 因此使導(dǎo)航學(xué)發(fā)生了革命性的變化, 并已對(duì)地面、水域和空域交通的智能管理方面發(fā)揮重要作用。GPS動(dòng)態(tài)定位技術(shù)方面的進(jìn)展, 也使衛(wèi)星影像和INSAR技術(shù)在冰原和地表上的應(yīng)用開(kāi)創(chuàng)了一個(gè)新的篇章, 拓寬了冰川學(xué)中對(duì)冰面形變的定量、定性、定時(shí)的量測(cè)手段。常規(guī)的地面差分GPS也發(fā)展了, 首先是地面差分GPS發(fā)展為機(jī)載差分GPS；其次是進(jìn)一步發(fā)展為星載差分GPS，已用于支持T/P衛(wèi)星海洋測(cè)高任務(wù)和Micro-Lab-1任務(wù)。星載差分GPS把常規(guī)的差分GPS技術(shù)發(fā)展為全球差分GPS技術(shù)，它不僅成功地支持了T/P衛(wèi)星的精密定軌，也精化了全球重力

4、場(chǎng)模型。由于T/P衛(wèi)星軌道高度高約1300 km，GPS星座的高度為20000 km，所以T/P衛(wèi)星的差分GPS實(shí)際上是高低模式的衛(wèi)星跟蹤，這樣的跟蹤數(shù)據(jù)有助于改進(jìn)重力場(chǎng)模型。 MicroLab-1任務(wù)收集的大量數(shù)據(jù)， 證實(shí)了GPS掩蔽觀測(cè)技術(shù)是檢驗(yàn)全球氣候信號(hào)有價(jià)值的新方法，為GPS用于氣象學(xué)展示了極有希望的前景。此外，星載差分GPS還可提供高分辨率的三維電離層影像。 常規(guī)差分GPS差分改正數(shù)的有效范圍受到了限制，為了克服此缺點(diǎn)，提出了廣域差分 GPS。它把GPS觀測(cè)的主要誤差來(lái)源分開(kāi)了，并建立了它們的模型，所產(chǎn)生的各改正數(shù)對(duì)全球大部分都是有效的，可以通過(guò)地球同步衛(wèi)星傳播。為了提高系統(tǒng)可用性

5、和可靠性，可以利用地球同步衛(wèi)星來(lái)增強(qiáng)廣域差分系統(tǒng)，即地球同步衛(wèi)星在發(fā)播廣域差分三類(lèi)改正數(shù)的同時(shí)，還能發(fā)播新增的C/A碼偽距信號(hào)，以增加天空中GPS衛(wèi)星測(cè)距信號(hào)源，稱(chēng)為WAAS。我國(guó)近年來(lái)不斷加強(qiáng)衛(wèi)星技術(shù)與應(yīng)用方面的科學(xué)研究并取得重大進(jìn)展，可以充分利用現(xiàn)有的同步通信衛(wèi)星播發(fā)類(lèi)似 GPS 測(cè)距信號(hào)達(dá)到增強(qiáng) WADGPS的目的。 為了實(shí)現(xiàn)GPS的科學(xué)期望，成立了國(guó)際GPS服務(wù)機(jī)構(gòu)IGS, 它的主要目標(biāo)是：同VLBI和SLR一道建立國(guó)際地球參考標(biāo)價(jià)（ITRF）；以高時(shí)間分辨率精密而持久地監(jiān)測(cè)地球參數(shù) （與國(guó)際地球自轉(zhuǎn)局IERS合作）；通過(guò)GPS衛(wèi)星精密定軌支持區(qū)域和局部地球動(dòng)力學(xué)研究；支持GPS科學(xué)任

6、務(wù)。美國(guó)大地測(cè)量局（NGS）已建立了國(guó)家連續(xù)運(yùn)作的基準(zhǔn)CORS），其目的在于提高人們利用GPS數(shù)據(jù)，以cm級(jí)精度在整個(gè)美國(guó)及其領(lǐng)地測(cè)定點(diǎn)位的能力。 2000年, 我國(guó)建成了由2顆衛(wèi)星組成的區(qū)域性“北斗”導(dǎo)航試驗(yàn)衛(wèi)星系統(tǒng)。該系統(tǒng)是我國(guó)自行研制的第一代區(qū)域性有源3維雙向衛(wèi)星導(dǎo)航定位通信系統(tǒng)。它能夠在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)為用戶(hù)確定所在的地理經(jīng)緯度, 全天候、全天時(shí)提供衛(wèi)星導(dǎo)航信息服務(wù)。衛(wèi)星定位技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于測(cè)繪的各個(gè)方面, 并已完全取代常規(guī)測(cè)距、測(cè)角技術(shù)建立大地控制網(wǎng)。我國(guó)于2000年建成中國(guó)地殼運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)工程，通過(guò)該工程對(duì)地殼位移的監(jiān)測(cè), 科學(xué)地判定地震活動(dòng)趨勢(shì)，該網(wǎng)絡(luò)已在國(guó)家年度地震會(huì)商、

7、國(guó)務(wù)院抗震救災(zāi)指揮、預(yù)測(cè)21世紀(jì)我國(guó)可能發(fā)生的地震等業(yè)務(wù)中得到實(shí)際應(yīng)用。 我國(guó)地震科學(xué)家應(yīng)用衛(wèi)星定位技術(shù),精確測(cè)定出了我國(guó)大陸地殼81個(gè)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方向和速度：相對(duì)于歐亞板塊, 中國(guó)大陸板塊每年以5mm的速度向東運(yùn)動(dòng)。應(yīng)用衛(wèi)星定位技術(shù), 我國(guó)學(xué)者獲得了國(guó)內(nèi)第一張大尺度、高精度、高分辨率的現(xiàn)今地殼運(yùn)動(dòng)速率圖。衛(wèi)星定位觀測(cè)研究成果, 為板塊構(gòu)造理論、地震預(yù)報(bào)等提供了最為寶貴的基礎(chǔ)資料,有利于提高我國(guó)地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)水平,并將在國(guó)防建設(shè)以及國(guó)家基礎(chǔ)測(cè)繪工作中發(fā)揮作用。衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于移動(dòng)目標(biāo)的定位、監(jiān)控、指揮、調(diào)度系統(tǒng), 在汽車(chē)導(dǎo)航和交通管理中, 可以實(shí)現(xiàn)車(chē)輛跟蹤、提供出行路線規(guī)劃和導(dǎo)航、信息

8、查詢(xún)、話務(wù)指揮、緊急援助等許多功能。 全球GPS網(wǎng)的一項(xiàng)重要應(yīng)用，是支持低軌道衛(wèi)星（LEO）的科學(xué)任務(wù)。在這些LEO上安裝GPS接收機(jī)，就可以測(cè)定它們的精確軌道，不必采用通常的地面站跟蹤方法。這些LEO可以是海洋測(cè)高衛(wèi)星，還可以是研究高層大氣物理的衛(wèi)星，或者是大氣層探測(cè)衛(wèi)星。這些觀測(cè)結(jié)果不僅提高了軌道精度，而且提供了地球重力場(chǎng)短波成分；高層大氣物理研究提供的高分辨率三維電離層影像是對(duì)地球物理學(xué)的貢獻(xiàn)；大氣層探測(cè)可以得出大氣層密度、氣壓、溫度和水汽分布的精密剖面，使GPS的應(yīng)用進(jìn)入了氣象學(xué)領(lǐng)域。2002年上海開(kāi)始采用GPS技術(shù)進(jìn)行天氣預(yù)報(bào)，整個(gè)上海市和長(zhǎng)江三角洲共布設(shè)了19個(gè)GPS觀測(cè)站，上海市

9、區(qū)實(shí)現(xiàn)了半小時(shí)天氣預(yù)報(bào)。 2其他空間大地測(cè)量技術(shù)及應(yīng)用 （1）甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量（VLBI），是利用電磁波干涉測(cè)量在多個(gè)測(cè)站上同步接收河外射電源發(fā)射的無(wú)線電信號(hào)進(jìn)行測(cè)站間時(shí)間延遲干涉處理以測(cè)定測(cè)站間相對(duì)位置以及從測(cè)站到射電源的方向的技術(shù)與方法。最近10年來(lái)，VLBI觀測(cè)結(jié)果的可靠性和重要性得到了愈來(lái)愈廣泛的承認(rèn)。該技術(shù)在大地測(cè)量和天體測(cè)量中，主要用于建立和維持天體參考系和地球參考系，監(jiān)測(cè)地球自轉(zhuǎn)變化和極移，監(jiān)測(cè)全球板塊運(yùn)動(dòng)和區(qū)域性地殼形變，并為其他大地測(cè)量技術(shù)提供高精度標(biāo)準(zhǔn)。目前，該技術(shù)被認(rèn)為是全球尺度相對(duì)定位、確定日長(zhǎng)、極移以及連接天體參考框架最精密可靠的技術(shù)手段。 （2）衛(wèi)星激光測(cè)距或激光測(cè)

10、衛(wèi)（SLR）, 利用激光測(cè)距儀在地面上跟蹤觀測(cè)裝有激光反射棱鏡的衛(wèi)星，測(cè)定測(cè)站到衛(wèi)星距離的技術(shù)和方法。如今已達(dá)到12 cm的測(cè)距精度，它已成為當(dāng)前衛(wèi)星精密定軌定位中觀測(cè)精度最高的觀測(cè)技術(shù)。它除了可以用于地球自轉(zhuǎn)研究外，還用于一些緩慢變化的地球動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象，如板塊運(yùn)動(dòng)、由于地球慣性張量變化引起的重力時(shí)變、地球質(zhì)心變化以及地球動(dòng)力扁率J2的長(zhǎng)期變化的研究。 （3）衛(wèi)星測(cè)高（satellite altimetry），是通過(guò)SLR、GPS和DORIS等手段精確確定測(cè)高衛(wèi)星的運(yùn)行軌道，同時(shí)利用安置在衛(wèi)星上的測(cè)高儀測(cè)定衛(wèi)星到瞬時(shí)海面（或平坦地面）的垂直距離來(lái)測(cè)定地球重力場(chǎng)，研究海洋學(xué)、地球物理學(xué)中各種物理現(xiàn)

11、象的技術(shù)和方法。該技術(shù)是目前研究和監(jiān)測(cè)海面地形與中尺度海洋現(xiàn)象及其動(dòng)力學(xué)的重要手段之一。其應(yīng)用領(lǐng)域還包括利用衛(wèi)星測(cè)高數(shù)據(jù)反演海潮模型，推算大洋環(huán)流和中尺度海洋現(xiàn)象，測(cè)定有效的波高和海面風(fēng)速，用于監(jiān)測(cè)冰面的變遷，建立全球數(shù)字高程模型和統(tǒng)一的全球高程基準(zhǔn)等。 （4）合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量（InSAR）,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

12、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。 （5）由衛(wèi)星集成的多普勒定軌和無(wú)線電定位系統(tǒng)（DORIS），是由法國(guó)研制的多功能系統(tǒng)，主要用于美法合作的T/P 海洋學(xué)計(jì)劃的精密定軌，也用于絕對(duì)定位和相對(duì)定位以及地殼運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)。該技術(shù)可提供三類(lèi)數(shù)據(jù)：DORIS地面站的精密絕對(duì)單點(diǎn)定位、SPOT-2和T/P衛(wèi)星的精密定軌、地球自轉(zhuǎn)參數(shù)。根據(jù)已處理的數(shù)據(jù)結(jié)果表明，絕對(duì)單點(diǎn)定位內(nèi)符合中誤差為：緯度10cm, 經(jīng)度20cm, 高程20 cm。定軌精度為亞分米級(jí)，極移的每周日估值的中誤差為1-2''×10³。 （6）精密測(cè)距及其變率測(cè)量系統(tǒng)（PRARE），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。 結(jié)語(yǔ) 通過(guò)對(duì)GPS新技術(shù)及應(yīng)用的介紹和對(duì)其他空間大地測(cè)量新技術(shù)的說(shuō)明，體現(xiàn)了空間大地測(cè)量的