GNSS定位技術

1 GNSS技術概述

20世紀60年代，衛(wèi)星定位技術問世，至今已經(jīng)歷了三個發(fā)展階段，即衛(wèi)星三角測量，衛(wèi)星多普勒定位和全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS，Global Navigation Satellite System）定位。其中，GNSS是一種空基無線電導航定位系統(tǒng)，可以提供時間、空間基準和所有與位置相關的實時動態(tài)信息，已基本取代了地基無線電導航、傳統(tǒng)大地測量和天文測量導航定位技術。隨著我國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)投入使用，世界上已經(jīng)有4個GNSS系統(tǒng)進入實質(zhì)性運作階段，包括美國GPS、俄羅斯GLONASS、歐盟Galileo 和我國的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)。GNSS已成為國家重大的空間和信息化基礎設施，并成為體現(xiàn)現(xiàn)代化大國地位和國家綜合國力的重要標志，是經(jīng)濟安全、國防安全、國土安全和公共安全的重大技術支撐系統(tǒng)和戰(zhàn)略基礎資源，也是建設和諧社會、服務人民大眾、提升生活質(zhì)量的重要工具，并已廣泛應用于導航、天文地球動力學研究、地理信息獲取和工程建設等領域。

2 GNSS技術國內(nèi)外現(xiàn)狀及趨勢

美國第二代衛(wèi)星導航GPS系統(tǒng)作為GNSS中最成熟的系統(tǒng)，具有性能好、精度高、應用廣的特點，也是是目前世界上應用最為廣泛的GNSS系統(tǒng)。根據(jù)GPS現(xiàn)代化計劃，2011年美國推進了GPS現(xiàn)代化進程，GPS-ⅡF衛(wèi)星是第二代GPS衛(wèi)星向第三代GPS衛(wèi)星過渡的最后一種型號。第三代GPS的首顆衛(wèi)星SV1已經(jīng)通過了關鍵性電子系統(tǒng)測試，未來將全面取代現(xiàn)有的GPS定位系統(tǒng)衛(wèi)星，提供更高質(zhì)量的衛(wèi)星數(shù)據(jù)服務，其定位精度與抗干擾能力與現(xiàn)有的GPS系統(tǒng)相比都有較大提高。

俄羅斯的GLONASS系統(tǒng)是前蘇聯(lián)從80年代初開始建設的衛(wèi)星定位系統(tǒng)，現(xiàn)在由俄羅斯空間局管理。與美國的GPS系統(tǒng)不同，GLONASS系統(tǒng)采用頻分多址方式，根據(jù)載波頻率來區(qū)分不同衛(wèi)星（GPS是碼分多址，根據(jù)調(diào)制碼來區(qū)分衛(wèi)星）。俄羅斯對GLONASS系統(tǒng)采用了軍民合用、不加密的開放政策，為進一步提高GLONASS系統(tǒng)的定位能力，開拓廣大的民用市場奠定基礎。目前，俄政府正計劃對其進行改進，內(nèi)容包括：改進一些地面測控站設施，延長衛(wèi)星的在軌壽命到8年和提高系統(tǒng)的定位精度。

Galileo衛(wèi)星導航計劃是由歐共體發(fā)起，并與歐洲空間局一起合作開發(fā)的衛(wèi)星導航系統(tǒng)計劃。Galileo衛(wèi)星導航計劃是第一個全球民用衛(wèi)星導航系統(tǒng)項目，可提供高精度、高可靠性的定位服務，同時實現(xiàn)完全非軍方控制和管理。目前，Galileo系統(tǒng)已經(jīng)進入到系統(tǒng)驗證和微調(diào)階段，預計到2020年左右，將完成衛(wèi)星星座的發(fā)射和構(gòu)建，屆時將提供公開服務、公共特許服務、搜索與救援服務、高精度的授權(quán)商業(yè)服務和生命安全服務等。

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)是我國自主研發(fā)、獨立運行的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)。北斗系統(tǒng)建設過程分為兩個階段，目前是第一階段即試驗系統(tǒng)階段，從2005年開始，我國實施北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的建設，到目前為止，已成功將16顆北斗導航衛(wèi)星發(fā)射升空，初步建成覆蓋國內(nèi)和亞太地區(qū)的區(qū)域性衛(wèi)星導航系統(tǒng)。第二階段預計到2020年，將完成北斗系統(tǒng)的全面構(gòu)建工作，在導航方式和覆蓋范圍等方面與其他導航系統(tǒng)類似，同時保留了北斗第一階段的雙向位置報告和短報文通信功能。
此外，印度和日本也在積極建設和完善各自的區(qū)域衛(wèi)星系統(tǒng)，將來可用的在軌GNSS衛(wèi)星數(shù)目達到100顆以上。GNSS系統(tǒng)正在經(jīng)歷前所未有的大轉(zhuǎn)變：從GPS時代轉(zhuǎn)變?yōu)槎嘈亲⒋婕嫒莸腉NSS時代，使衛(wèi)星導航體系全球化和多樣化；從以衛(wèi)星導航應用為主體轉(zhuǎn)變?yōu)槎ㄎ弧Ш?、授時以及移動通信和互聯(lián)網(wǎng)等信息載體融合的新階段，使信息融合化和一體化。

當前GNSS應用技術發(fā)展主要包括以下幾個方面:

1.GNSS定位技術

隨著GPS、GLONASS、北斗系統(tǒng)和其他區(qū)域?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)的投入運行，全球衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)將面臨多個系統(tǒng)共存的局面，導航定位技術的發(fā)展將迎來新一輪快速發(fā)展期。目前，GNSS定位技術的研究和發(fā)展主要在精密單點定位技術和網(wǎng)絡RTK技術（Network  RTK）兩個方面。精密單點定位技術研究的重點已從過去的非差模糊度的實數(shù)解轉(zhuǎn)向非差模糊度的整數(shù)固定解；基于雙差模式的網(wǎng)絡RTK已經(jīng)較為成熟，國內(nèi)外已經(jīng)建立了許多工程化應用的連續(xù)運行衛(wèi)星定位服務綜合系統(tǒng)（CORS，Continuous Operational Reference System），非差模式的網(wǎng)絡RTK技術研究已經(jīng)取得階段性成果。我國將建立覆蓋全國的CORS網(wǎng)，從而向各類用戶提供高精度、三維、實時導航定位服務。

2.GNSS-R技術

GNSS-R技術是利用GNSS反射信號獲取目標信息的一種方法，其作為一種全新的遙感手段，備受關注。GNSS-R技術在海洋和陸地遙感領域均可以應用，國內(nèi)在這方面也開展了一些算法和應用方面的研究。隨著GNSS系統(tǒng)的多元化，衛(wèi)星資源將更加豐富，一些研究機構(gòu)也正在開展地基、機載和星載的觀測實驗，GNSS-R在理論、技術和數(shù)據(jù)反演等方面將日趨完善。

3.GNSS掩星技術

GNSS掩星觀測技術是通過在低軌衛(wèi)星上安置GNSS接收機，接收因掩星事件產(chǎn)生的大氣折射信號，以此反演大氣參數(shù)。GNSS掩星技術的出現(xiàn)是空間探測史上的一次革命性變化，未來的掩星觀測系統(tǒng)將從單顆低軌衛(wèi)星轉(zhuǎn)變?yōu)槎囝w低軌衛(wèi)星，從僅對GPS衛(wèi)星進行掩星觀測轉(zhuǎn)變?yōu)閷Χ鄠€GNSS系統(tǒng)的衛(wèi)星進行掩星觀測，獲取的觀測數(shù)據(jù)更多、分布也更加均勻。

4.組合導航技術

隨著GNSS時代的到來，組合導航系統(tǒng)形式將更加多樣化、集成化和智能化，INS/GNSS組合導航仍將是導航系統(tǒng)的首選模式，地基無線電導航技術作為衛(wèi)星導航服務的有效補充，隨著導航技術的不斷發(fā)展，其應用也將更加廣泛。

5.多頻多系統(tǒng)聯(lián)合定位技術

在復雜觀測條件下，依靠單系統(tǒng)雙頻導航定位往往面臨觀測到的衛(wèi)星數(shù)量不多，定位精度不高和可靠性差等問題。多頻觀測值和多系統(tǒng)聯(lián)合定位的實現(xiàn)將為用戶提供更多的組合觀測值，增加可見衛(wèi)星數(shù)和衛(wèi)星的幾何強度，減少或消除單系統(tǒng)導航定位產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差，從而提高定位精度和可靠性。隨著GPS、GLONASS現(xiàn)代化進程的推進，Galileo和我國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的發(fā)展，多頻多系統(tǒng)聯(lián)合定位的方式將逐漸成為主流的導航定位方式。

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3 GNSS定位技術在數(shù)字城市中的應用

GNSS系統(tǒng)為數(shù)字城市提供了高精度空間定位、授時、導航信息，其中以GNSS定位技術為主，在數(shù)字城市中的應用具體包括：
1.三維空間框架基準

目前，GNSS定位技術已經(jīng)成為實現(xiàn)和維持國際地球參考框架（ITRF，International Terrestrial Reference frame）的主要技術手段之一，也是各國實現(xiàn)測繪基準現(xiàn)代化的主要技術支撐。基礎地理信息數(shù)據(jù)體系是地理空間框架的核心，測繪基準則是各類基礎地理信息數(shù)據(jù)生產(chǎn)和應用的基礎。我國現(xiàn)代測繪基準工程已經(jīng)啟動，北京市測繪基準現(xiàn)代化建設工作也已經(jīng)基本完成。構(gòu)建北京市基礎地理空間框架基準體系，應用GNSS技術建立北京市GNSS測繪服務系統(tǒng)和高精度三維控制網(wǎng)，為地理信息數(shù)據(jù)采集、處理和應用提供了高精度三維空間框架基準。
2.輔助空間數(shù)據(jù)生產(chǎn)

GNSS定位技術可以提供全天候、三維、高精度定位信息，在基礎地理信息數(shù)據(jù)生產(chǎn)中發(fā)揮著非常重要的作用。通過GNSS靜態(tài)觀測可以實現(xiàn)毫米級定位，是建立國家和城市高等級控制點的主要技術手段；基于CORS系統(tǒng)可以實現(xiàn)快速、高精度GNSS動態(tài)測量，為低等級控制測量和碎部測量提供了一種快捷、高效的測量方式，在地形圖測繪生產(chǎn)中應用廣泛。此外，在航測遙感領域，GNSS技術可以實現(xiàn)衛(wèi)星姿態(tài)角測量、攝影測量內(nèi)外方位元素測定和航測控制點定位等，將GNSS技術與航測遙感技術結(jié)合可以實現(xiàn)定性、定位、定量的對地觀測（王天倉，2009），從而輔助控制點、測繪4D（DEM、DOM、DLG、DRG）產(chǎn)品等空間數(shù)據(jù)生產(chǎn)。

3.公共服務應用

數(shù)字城市的廣泛應用對城市的繁榮穩(wěn)定和可持續(xù)發(fā)展起著重要的推動作用，數(shù)字城市的應用離不開動態(tài)空間信息，GNSS定位技術還可以實現(xiàn)導航服務，因此可以為數(shù)字城市應用提供動態(tài)數(shù)據(jù)，在數(shù)字城市應用中，城市交通的智能管理與控制、城市建設與公共安全、資源的調(diào)查與可持續(xù)利用和城市生活的網(wǎng)絡化、智能化等領域都與時空信息緊密相關，GNSS定位技術正發(fā)揮越來越重要的作用（曹蕾，2009）。


 圖文摘錄于《走向大數(shù)據(jù)——從數(shù)字北京到智慧北京》一書

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