地理信息數(shù)據(jù)獲取與處理關(guān)鍵技術(shù)——GNSS定位技術(shù)

GNSS定位技術(shù)

1 GNSS技術(shù)概述

20世紀(jì)60年代，衛(wèi)星定位技術(shù)問世，至今已經(jīng)歷了三個(gè)發(fā)展階段，即衛(wèi)星三角測(cè)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(dǎo)航定位系統(tǒng)，可以提供時(shí)間、空間基準(zhǔn)和所有與位置相關(guān)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)信息，已基本取代了地基無線電導(dǎo)航、傳統(tǒng)大地測(cè)量和天文測(cè)量導(dǎo)航定位技術(shù)。隨著我國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)投入使用，世界上已經(jīng)有4個(gè)GNSS系統(tǒng)進(jìn)入實(shí)質(zhì)性運(yùn)作階段，包括美國(guó)GPS、俄羅斯GLONASS、歐盟Galileo 和我國(guó)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。GNSS已成為國(guó)家重大的空間和信息化基礎(chǔ)設(shè)施，并成為體現(xiàn)現(xiàn)代化大國(guó)地位和國(guó)家綜合國(guó)力的重要標(biāo)志，是經(jīng)濟(jì)安全、國(guó)防安全、國(guó)土安全和公共安全的重大技術(shù)支撐系統(tǒng)和戰(zhàn)略基礎(chǔ)資源，也是建設(shè)和諧社會(huì)、服務(wù)人民大眾、提升生活質(zhì)量的重要工具，并已廣泛應(yīng)用于導(dǎo)航、天文地球動(dòng)力學(xué)研究、地理信息獲取和工程建設(shè)等領(lǐng)域。

2 GNSS技術(shù)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀及趨勢(shì)

美國(guó)第二代衛(wèi)星導(dǎo)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(yīng)用廣的特點(diǎn)，也是是目前世界上應(yīng)用最為廣泛的GNSS系統(tǒng)。根據(jù)GPS現(xiàn)代化計(jì)劃，2011年美國(guó)推進(jìn)了GPS現(xiàn)代化進(jìn)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(hào)。第三代GPS的首顆衛(wèi)星SV1已經(jīng)通過了關(guān)鍵性電子系統(tǒng)測(cè)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(wù)，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(shè)的衛(wèi)星定位系統(tǒng)，現(xiàn)在由俄羅斯空間局管理。與美國(guó)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(duì)GLONASS系統(tǒng)采用了軍民合用、不加密的開放政策，為進(jìn)一步提高GLONASS系統(tǒng)的定位能力，開拓廣大的民用市場(chǎng)奠定基礎(chǔ)。目前，俄政府正計(jì)劃對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，內(nèi)容包括：改進(jìn)一些地面測(cè)控站設(shè)施，延長(zhǎng)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(dǎo)航計(jì)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(dǎo)航系統(tǒng)計(jì)劃。Galileo衛(wèi)星導(dǎo)航計(jì)劃是第一個(gè)全球民用衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)項(xiàng)目，可提供高精度、高可靠性的定位服務(wù)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)完全非軍方控制和管理。目前，Galileo系統(tǒng)已經(jīng)進(jìn)入到系統(tǒng)驗(yàn)證和微調(diào)階段，預(yù)計(jì)到2020年左右，將完成衛(wèi)星星座的發(fā)射和構(gòu)建，屆時(shí)將提供公開服務(wù)、公共特許服務(wù)、搜索與救援服務(wù)、高精度的授權(quán)商業(yè)服務(wù)和生命安全服務(wù)等。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國(guó)自主研發(fā)、獨(dú)立運(yùn)行的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)。北斗系統(tǒng)建設(shè)過程分為兩個(gè)階段，目前是第一階段即試驗(yàn)系統(tǒng)階段，從2005年開始，我國(guó)實(shí)施北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)，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)和亞太地區(qū)的區(qū)域性衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。第二階段預(yù)計(jì)到2020年，將完成北斗系統(tǒng)的全面構(gòu)建工作，在導(dǎo)航方式和覆蓋范圍等方面與其他導(dǎo)航系統(tǒng)類似，同時(shí)保留了北斗第一階段的雙向位置報(bào)告和短報(bào)文通信功能。
此外，印度和日本也在積極建設(shè)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(dá)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(shí)代轉(zhuǎn)變?yōu)槎嘈亲⒋婕嫒莸腉NSS時(shí)代，使衛(wèi)星導(dǎo)航體系全球化和多樣化；從以衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用為主體轉(zhuǎn)變?yōu)槎ㄎ?、?dǎo)航、授時(shí)以及移動(dòng)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(dāng)前GNSS應(yīng)用技術(shù)發(fā)展主要包括以下幾個(gè)方面:

1.GNSS定位技術(shù)

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(yùn)行，全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)將面臨多個(gè)系統(tǒng)共存的局面，導(dǎo)航定位技術(shù)的發(fā)展將迎來新一輪快速發(fā)展期。目前，GNSS定位技術(shù)的研究和發(fā)展主要在精密單點(diǎn)定位技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)（Network  RTK）兩個(gè)方面。精密單點(diǎn)定位技術(shù)研究的重點(diǎn)已從過去的非差模糊度的實(shí)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(luò)RTK已經(jīng)較為成熟，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)建立了許多工程化應(yīng)用的連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位服務(wù)綜合系統(tǒng)（CORS，Continuous Operational Reference System），非差模式的網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)研究已經(jīng)取得階段性成果。我國(guó)將建立覆蓋全國(guó)的CORS網(wǎng)，從而向各類用戶提供高精度、三維、實(shí)時(shí)導(dǎo)航定位服務(wù)。

2.GNSS-R技術(shù)

GNSS-R技術(shù)是利用GNSS反射信號(hào)獲取目標(biāo)信息的一種方法，其作為一種全新的遙感手段，備受關(guān)注。GNSS-R技術(shù)在海洋和陸地遙感領(lǐng)域均可以應(yīng)用，國(guó)內(nèi)在這方面也開展了一些算法和應(yīng)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(jī)構(gòu)也正在開展地基、機(jī)載和星載的觀測(cè)實(shí)驗(yàn)，GNSS-R在理論、技術(shù)和數(shù)據(jù)反演等方面將日趨完善。

3.GNSS掩星技術(shù)

GNSS掩星觀測(cè)技術(shù)是通過在低軌衛(wèi)星上安置GNSS接收機(jī)，接收因掩星事件產(chǎn)生的大氣折射信號(hào)，以此反演大氣參數(shù)。GNSS掩星技術(shù)的出現(xiàn)是空間探測(cè)史上的一次革命性變化，未來的掩星觀測(cè)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(duì)GPS衛(wèi)星進(jìn)行掩星觀測(cè)轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)多個(gè)GNSS系統(tǒng)的衛(wèi)星進(jìn)行掩星觀測(cè)，獲取的觀測(cè)數(shù)據(jù)更多、分布也更加均勻。

4.組合導(dǎo)航技術(shù)

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

5.多頻多系統(tǒng)聯(lián)合定位技術(shù)

在復(fù)雜觀測(cè)條件下，依靠單系統(tǒng)雙頻導(dǎo)航定位往往面臨觀測(cè)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(cè)值和多系統(tǒng)聯(lián)合定位的實(shí)現(xiàn)將為用戶提供更多的組合觀測(cè)值，增加可見衛(wèi)星數(shù)和衛(wèi)星的幾何強(qiáng)度，減少或消除單系統(tǒng)導(dǎo)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(jìn)程的推進(jìn)，Galileo和我國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)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(dǎo)航定位方式。

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3 GNSS定位技術(shù)在數(shù)字城市中的應(yīng)用

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

目前，GNSS定位技術(shù)已經(jīng)成為實(shí)現(xiàn)和維持國(guó)際地球參考框架（ITRF，International Terrestrial Reference frame）的主要技術(shù)手段之一，也是各國(guó)實(shí)現(xiàn)測(cè)繪基準(zhǔn)現(xiàn)代化的主要技術(shù)支撐?；A(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)體系是地理空間框架的核心，測(cè)繪基準(zhǔn)則是各類基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)生產(chǎn)和應(yīng)用的基礎(chǔ)。我國(guó)現(xiàn)代測(cè)繪基準(zhǔn)工程已經(jīng)啟動(dòng)，北京市測(cè)繪基準(zhǔn)現(xiàn)代化建設(shè)工作也已經(jīng)基本完成。構(gòu)建北京市基礎(chǔ)地理空間框架基準(zhǔn)體系，應(yīng)用GNSS技術(shù)建立北京市GNSS測(cè)繪服務(wù)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(yīng)用提供了高精度三維空間框架基準(zhǔn)。
2.輔助空間數(shù)據(jù)生產(chǎn)

GNSS定位技術(shù)可以提供全天候、三維、高精度定位信息，在基礎(chǔ)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(cè)可以實(shí)現(xiàn)毫米級(jí)定位，是建立國(guó)家和城市高等級(jí)控制點(diǎn)的主要技術(shù)手段；基于CORS系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)快速、高精度GNSS動(dòng)態(tài)測(cè)量，為低等級(jí)控制測(cè)量和碎部測(cè)量提供了一種快捷、高效的測(cè)量方式，在地形圖測(cè)繪生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛。此外，在航測(cè)遙感領(lǐng)域，GNSS技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星姿態(tài)角測(cè)量、攝影測(cè)量?jī)?nèi)外方位元素測(cè)定和航測(cè)控制點(diǎn)定位等，將GNSS技術(shù)與航測(cè)遙感技術(shù)結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)定性、定位、定量的對(duì)地觀測(cè)（王天倉(cāng)，2009），從而輔助控制點(diǎn)、測(cè)繪4D（DEM、DOM、DLG、DRG）產(chǎn)品等空間數(shù)據(jù)生產(chǎn)。

3.公共服務(wù)應(yīng)用

數(shù)字城市的廣泛應(yīng)用對(duì)城市的繁榮穩(wěn)定和可持續(xù)發(fā)展起著重要的推動(dòng)作用，數(shù)字城市的應(yīng)用離不開動(dòng)態(tài)空間信息，GNSS定位技術(shù)還可以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航服務(wù)，因此可以為數(shù)字城市應(yīng)用提供動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，在數(shù)字城市應(yīng)用中，城市交通的智能管理與控制、城市建設(shè)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(luò)化、智能化等領(lǐng)域都與時(shí)空信息緊密相關(guān)，GNSS定位技術(shù)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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