GPS全球定位系統(tǒng)在新世紀(jì)的發(fā)展
進(jìn)入21世紀(jì)，全球定位系統(tǒng)(GPS)在各方面的應(yīng)用都將加強(qiáng)和發(fā)展。本文對(duì)GPS走向21世紀(jì)時(shí)的最新發(fā)展情況，特別是當(dāng)前國(guó)際GPS服務(wù)(1GS)的產(chǎn)品內(nèi)容、應(yīng)用和服務(wù)等方面作重點(diǎn)介紹。
一 、GPS連續(xù)運(yùn)行站網(wǎng)和綜合服務(wù)系統(tǒng)的發(fā)展
在全球地基GPS連續(xù)運(yùn)行站(約200個(gè))的基礎(chǔ)上所組成的IGS(International GPS Service)，是GPS連續(xù)運(yùn)行站網(wǎng)和綜合服務(wù)系統(tǒng)的范例。它無償向全球用戶提供GPS各種信息，如GPS精密星歷、快速星歷、預(yù)報(bào)星歷、IGS站坐標(biāo)及其運(yùn)動(dòng)速率、IGS站所接收的GPS信號(hào)的相位和偽距數(shù)據(jù)、地球自轉(zhuǎn)速率等。這些信息在大地測(cè)量和地球動(dòng)力學(xué)方面支持了無數(shù)的科學(xué)項(xiàng)目，包括電離層、氣象、參考框架、精密時(shí)間傳遞、高分辨的推算地球自轉(zhuǎn)速率及其變化、地殼運(yùn)動(dòng)等。
(1) IGS現(xiàn)在提供的軌道有三類：一是最終(精密)軌道，要在10—12天以后得到它，常用于精密定位；二是快報(bào)軌道，要在1天以后得到，它常用于大氣的水汽含量、電離層計(jì)算等；還有一類是預(yù)報(bào)軌道。 關(guān)于對(duì)GPS星鐘偏差方面的估計(jì)，目前只有兩個(gè)IGS分析中心提供。IGS目前近200個(gè)永久連續(xù)運(yùn)行的全球跟蹤站中，使用的外部頻率標(biāo)準(zhǔn)近70個(gè)，其中約30個(gè)使用氫鐘，約20個(gè)使用銫原子鐘，約20個(gè)使用銣原子鐘，其余的使用GPS內(nèi)部的晶體震蕩器。
(2) IGS還提供極移和世界時(shí)信息。IGS公布的最終的每日極坐標(biāo)(x，y)，其精度為±0.1mas，快報(bào)的相應(yīng)精度為±0.2mas。GPS作為一種空間大地測(cè)量技術(shù)，本身并不具備測(cè)定世界時(shí)(UT)的功能，但由于一方面GPS衛(wèi)星軌道參數(shù)和UT相關(guān)，另一方面，也和測(cè)定地球自轉(zhuǎn)速率有關(guān)，而自轉(zhuǎn)速率又是UT的時(shí)間導(dǎo)數(shù)，因此IGS仍能給出每天的日長(zhǎng)(LOD)值。IGS現(xiàn)在還能進(jìn)一步求定章動(dòng)項(xiàng)和高分辨率的極移(達(dá)每2小時(shí)1次，而不是現(xiàn)在的1天1次)，后者主要源于IGS各觀測(cè)站觀測(cè)質(zhì)量的提高，數(shù)據(jù)傳輸迅速和及時(shí)，以及數(shù)據(jù)處理方法的改進(jìn)，并沒有本質(zhì)的改變，而前者卻是技術(shù)上的一個(gè)跨躍。
(3) IGS提供的一個(gè)極為有用和重要的信息是IGS的那些連續(xù)運(yùn)行站(跟蹤站)的坐標(biāo)、相應(yīng)的框架、歷元和站移動(dòng)速度。前者精度好于1cm，后者精度好于1mm/y。IGS站坐標(biāo)所采用的坐標(biāo)參考框架是和IERS互相協(xié)調(diào)的。1993年末開始使用ITRF91，1994年使用ITRF92，1995年到1996年中期使用ITRF93，1996年中期到1998年4月一直使用ITRF94，1998年3月1日轉(zhuǎn)而采用ITRF96，1999年8月1日開始IGS采用ITRF97。
(4) IGS在測(cè)定短期章動(dòng)方面的新貢獻(xiàn)。眾所周知，地球自轉(zhuǎn)軸在地球表面上的移動(dòng)稱為極移，而它在慣性空間中的運(yùn)動(dòng)稱為歲差和章動(dòng)。
GPS技術(shù)不能確定UT，而只能確定日長(zhǎng)。同樣這一原則也適用于章動(dòng)，即GPS數(shù)據(jù)不能測(cè)定章動(dòng)的經(jīng)度和傾角，但能確定這些量的時(shí)間變率(對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù))�；谶@一原理，用了3年的每天的ψ和ε值的資料，估算短期章動(dòng)項(xiàng)的章動(dòng)振幅，并與VLBI結(jié)果作了比較。結(jié)論認(rèn)為，就測(cè)定章動(dòng)短周期項(xiàng)而言，GPS方法優(yōu)于VLBI，而對(duì)超過1個(gè)月以上的長(zhǎng)周期而言，VLBI較優(yōu)。
由于對(duì)GPS技術(shù)的IGS作出了如此大的成績(jī)和貢獻(xiàn)，因此1999年9月各國(guó)的VLBI站和SLR站決定也組織類似于IGS的相應(yīng)的IVS和IVRS。法國(guó)的DORIS和德國(guó)的PRARE也正在考慮成立類似模式的國(guó)際組織。力求使這類空間大地測(cè)量觀測(cè)系統(tǒng)組織起來，提高效率、提高精度和可靠性。
就地區(qū)性的GPS連續(xù)運(yùn)行站網(wǎng)和綜合服務(wù)系統(tǒng)而言，發(fā)達(dá)國(guó)家也已做了很多這方面工作，取得了進(jìn)展。在美國(guó)布設(shè)了GPS“連續(xù)運(yùn)行參考站”(CORS)系統(tǒng)。它由美國(guó)大地測(cè)量局(NGS)負(fù)責(zé)，該系統(tǒng)的當(dāng)前目標(biāo)是（1）使美國(guó)各地的全部用戶能更方便的利用它來達(dá)到厘米級(jí)水平的定位和導(dǎo)航；（2）促進(jìn)用戶利用CORS來發(fā)展GIS；（3）監(jiān)測(cè)地殼形變；④求定大氣中水汽分布；⑤監(jiān)測(cè)電離層中自由電子濃度和分布。
截止1999年9月CORS已有156個(gè)站，而美國(guó)NGS宣布為了強(qiáng)化CORS系統(tǒng)，從現(xiàn)在起，以每個(gè)月增加3個(gè)站的速度來改善該系統(tǒng)的空間覆蓋率。此外，CORS的數(shù)據(jù)和信息包括接收的偽距和相位信息、站坐標(biāo)、站移動(dòng)速率矢量、GPS星氣、站四周的氣象數(shù)據(jù)等，用戶可以通過信息網(wǎng)絡(luò)，如Internet很容易下載而得到。 英國(guó)建立的“連續(xù)運(yùn)行GPS參考站”(COGPS)系統(tǒng)的功能和目標(biāo)類似于上述CORS，但結(jié)合英國(guó)本土情況還多了一項(xiàng)監(jiān)測(cè)英倫三島周圍的海平面相對(duì)和絕對(duì)變化的任務(wù)。英國(guó)的COGPS由測(cè)繪局、環(huán)保局、氣象局、農(nóng)業(yè)部、海洋實(shí)驗(yàn)室共同負(fù)責(zé)。目前已有近30個(gè)GPS連續(xù)運(yùn)行站，今后的打算是擴(kuò)建COGPS系統(tǒng)和建立一個(gè)中心，其主要任務(wù)是傳輸、提供、歸檔、處理和分析GPS各站數(shù)據(jù)。
日本已建成全國(guó)近1200個(gè)GPS連續(xù)運(yùn)行站網(wǎng)的綜合服務(wù)系統(tǒng)。目前它在以監(jiān)測(cè)地殼形變、預(yù)報(bào)地震為主功能的基礎(chǔ)上，結(jié)合氣象和大氣部門開展GPS大氣學(xué)的服務(wù)。
二、 GPS應(yīng)用于電離層監(jiān)測(cè)
GPS在監(jiān)測(cè)電離層方面的應(yīng)用，也是GPS空間氣象學(xué)的開端。太空中充滿了等離子體、宇宙線粒子、各種波段的電磁輻射，由于太陽常在1秒鐘內(nèi)拋出百萬噸量級(jí)的帶電物，電離層由此而受到強(qiáng)烈干擾，這是空間氣象學(xué)研究的一個(gè)對(duì)象。通過測(cè)定電離層對(duì)GPS訊號(hào)的延遲來確定在單位體積內(nèi)總自由電子含量(TEC)，以建立全球的電離層數(shù)字模型。
GPS衛(wèi)星發(fā)射L1和L2。兩個(gè)載波。由這兩個(gè)載波可以削弱電離層對(duì)GPS定位的影響，或者說可以求定電離層折射。因?yàn)檫@一折射和載波頻率有關(guān)。
當(dāng)人們建立地區(qū)或全球電離層數(shù)字模型時(shí)，總是作簡(jiǎn)化的假定，所有自由電子含量都表示在一個(gè)單層面上，該面離地面高為H。這樣的話，電子含量正可以用在接收機(jī)和衛(wèi)星連線與此單層面交點(diǎn)(刺入點(diǎn))處的電子含量Es表示，它可以視為E與刺入點(diǎn)處天頂距Z'的函數(shù)Ecos Z'＝Es。可以將在球面上的電子濃度Es加以模型化，例如寫成經(jīng)緯度的球諧函數(shù)等，這方面有很多專家提出了各種模型。IGS提出了一種電離層地圖的交換格式(10nosphere Map Exchange Format，IONEX—Format)，它的作用是使基于各種理論和技術(shù)所獲得的電離層地圖能在統(tǒng)一規(guī)格的基礎(chǔ)上進(jìn)行綜合和比較。電離層模型有各不相同的理論基礎(chǔ)，而取得的數(shù)據(jù)來源的技術(shù)也不同，數(shù)據(jù)覆蓋面也不完整，所以目前只能將IGS和全球各種TEC的圖和GPS衛(wèi)星訊號(hào)的差分碼偏差(differential code biases—DCBS)用IONEX形式向全世界用戶提供，下一步將通過比較，逐步聯(lián)合起來。
三、 GPS應(yīng)用于對(duì)流層監(jiān)測(cè)
在GPS應(yīng)用中，早期主要是軌道誤差影響定位精度，而且早期的GPS基線相對(duì)來說比較短，高差不大，因此對(duì)對(duì)流層的研究沒有給予很大的重視。直到近期由于GPS軌道精度大大提高后，對(duì)流層折射已成為限制GPS定位精度提高的一個(gè)重要障礙。假設(shè)一個(gè)高程基本為零的地區(qū)，接收機(jī)所接收的GPS訊號(hào)從天頂方向傳來的話，其延遲可以達(dá)到2．2—2．6m這一量級(jí)，而2小時(shí)內(nèi)這一延遲變化可達(dá)10cm不是少見的(所以IGS分析中心提供的對(duì)流層參數(shù)是用2小時(shí)間隔一次)。也由于這個(gè)實(shí)際情況，對(duì)流層折射要顧及其隨機(jī)過程的變化來加以模型化。
在GPS應(yīng)用于對(duì)流層研究中，IGS的快速軌道和預(yù)報(bào)軌道信息對(duì)于天氣預(yù)報(bào)會(huì)起重大作用。此外，IGS通過德國(guó)GFZ的“IGS對(duì)流層比較和協(xié)調(diào)中心”提供的每2小時(shí)的對(duì)流層天頂延遲系列就象是控制點(diǎn)，對(duì)于區(qū)域性或局部性的對(duì)流層研究來說，可以起到對(duì)流層延遲絕對(duì)值的標(biāo)定作用。
與地基GPS大氣監(jiān)測(cè)不同，星基或空基GPS掩星法測(cè)定氣象的技術(shù)有覆蓋面廣，垂直分辨好，數(shù)據(jù)獲取速度快的優(yōu)點(diǎn)。這一技術(shù)的原理是將GPS接收機(jī)放在某一低軌衛(wèi)星(LEO)或飛行器的平臺(tái)上，該GPS接收機(jī)一方面起到對(duì)該衛(wèi)星(或飛行器)精確定軌的作用，同時(shí)又應(yīng)用GPS掩星技術(shù)起到大氣探測(cè)器的作用。在1997年進(jìn)行的GPS/MET研究項(xiàng)目，證實(shí)了這個(gè)設(shè)想是可行的。預(yù)定于2000年4月發(fā)射的CHAMP衛(wèi)星要利用GPS掩星法進(jìn)行全球?qū)α鲗诱凵?包括大氣可降水分)的測(cè)定。
在今后幾年中，還有阿根廷的SAC—C，我國(guó)臺(tái)灣的COS—MIC，這些LEO衛(wèi)星都要用星載GPS來定軌和利用掩星法測(cè)大氣。
今后利用星載GPS的氣象和電子濃度截面數(shù)值，結(jié)合地面GPS站數(shù)據(jù)，作成層折圖像提供使用。今后3年中GPS／MET項(xiàng)目研究還要進(jìn)行6次，預(yù)計(jì)它將在天氣預(yù)報(bào)、空間天氣預(yù)報(bào)、氣象監(jiān)測(cè)方面做出巨大貢獻(xiàn)。
四 、GPS作為衛(wèi)星測(cè)高儀的應(yīng)用
多路徑效應(yīng)是GPS定位中的一種噪音，至今仍是高精度GPS定位中一個(gè)很不容易解決的“干擾”。過去幾年利用大氣對(duì)GPS信號(hào)延遲的噪聲發(fā)展了GPS大氣學(xué)，目前也正在利用GPS定位中的多路徑效應(yīng)發(fā)展GPS測(cè)高技術(shù)，即利用空載GPS作為測(cè)高儀進(jìn)行測(cè)高。它是通過利用海面或冰面所反射的GPS信號(hào)，求定海面或冰面地形，測(cè)定波浪形態(tài)，洋流速度和方向。通常衛(wèi)星測(cè)高或空載測(cè)高測(cè)的是一個(gè)點(diǎn)，連續(xù)測(cè)量結(jié)果在反向面上是一個(gè)截面，而GPS測(cè)高則是測(cè)量有一定寬度的帶，因此可以測(cè)定反射表面的起伏(地形)。據(jù)報(bào)告，試驗(yàn)時(shí)在空載平面安裝2臺(tái)GPS接收機(jī)，1臺(tái)天線向上用于對(duì)載體的定位，1臺(tái)天線向下，用于接收GPS在反射面上的訊號(hào)。美國(guó)在海上作了測(cè)定洋流和波浪的試驗(yàn)。丹麥在格凌蘭作了測(cè)定冰面地形及其變化的試驗(yàn)。
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