GNSS定位技術

1 GNSS技術概述

20世紀60年代，衛星定位技術問世，至今已經歷了三個發展階段，即衛星三角測量，衛星多普勒定位和全球導航衛星系統（GNSS，Global Navigation Satellite System）定位。其中，GNSS是一種空基無線電導航定位系統，可以提供時間、空間基準和所有與位置相關的實時動態信息，已基本取代了地基無線電導航、傳統大地測量和天文測量導航定位技術。隨著我國北斗衛星導航系統投入使用，世界上已經有4個GNSS系統進入實質性運作階段，包括美國GPS、俄羅斯GLONASS、歐盟Galileo 和我國的北斗衛星導航系統。GNSS已成為國家重大的空間和信息化基礎設施，并成為體現現代化大國地位和國家綜合國力的重要標志，是經濟安全、國防安全、國土安全和公共安全的重大技術支撐系統和戰略基礎資源，也是建設和諧社會、服務人民大眾、提升生活質量的重要工具，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技術國內外現狀及趨勢

美國第二代衛星導航GPS系統作為GNSS中最成熟的系統，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。根據GPS現代化計劃，2011年美國推進了GPS現代化進程，GPS-ⅡF衛星是第二代GPS衛星向第三代GPS衛星過渡的最后一種型號。第三代GPS的首顆衛星SV1已經通過了關鍵性電子系統測試，未來將全面取代現有的GPS定位系統衛星，提供更高質量的衛星數據服務，其定位精度與抗干擾能力與現有的GPS系統相比都有較大提高。

俄羅斯的GLONASS系統是前蘇聯從80年代初開始建設的衛星定位系統，現在由俄羅斯空間局管理。與美國的GPS系統不同，GLONASS系統采用頻分多址方式，根據載波頻率來區分不同衛星（GPS是碼分多址，根據調制碼來區分衛星）。俄羅斯對GLONASS系統采用了軍民合用、不加密的開放政策，為進一步提高GLONASS系統的定位能力，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，內容包括：改進一些地面測控站設施，延長衛星的在軌壽命到8年和提高系統的定位精度。

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

北斗衛星導航系統是我國自主研發、獨立運行的全球導航衛星系統。北斗系統建設過程分為兩個階段，目前是第一階段即試驗系統階段，從2005年開始，我國實施北斗衛星導航系統的建設，到目前為止，已成功將16顆北斗導航衛星發射升空，初步建成覆蓋國內和亞太地區的區域性衛星導航系統。第二階段預計到2020年，將完成北斗系統的全面構建工作，在導航方式和覆蓋范圍等方面與其他導航系統類似，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域衛星系統，將來可用的在軌GNSS衛星數目達到100顆以上。GNSS系統正在經歷前所未有的大轉變：從GPS時代轉變為多星座并存兼容的GNSS時代，使衛星導航體系全球化和多樣化；從以衛星導航應用為主體轉變為定位、導航、授時以及移動通信和互聯網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、北斗系統和其他區域導航定位系統的投入運行，全球衛星導航定位系統將面臨多個系統共存的局面，導航定位技術的發展將迎來新一輪快速發展期。目前，GNSS定位技術的研究和發展主要在精密單點定位技術和網絡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解轉向非差模糊度的整數固定解；基于雙差模式的網絡RTK已經較為成熟，國內外已經建立了許多工程化應用的連續運行衛星定位服務綜合系統（CORS，Continuous Operational Reference System），非差模式的網絡RTK技術研究已經取得階段性成果。我國將建立覆蓋全國的CORS網，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系統的多元化，衛星資源將更加豐富，一些研究機構也正在開展地基、機載和星載的觀測實驗，GNSS-R在理論、技術和數據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星上安置GNSS接收機，接收因掩星事件產生的大氣折射信號，以此反演大氣參數。GNSS掩星技術的出現是空間探測史上的一次革命性變化，未來的掩星觀測系統將從單顆低軌衛星轉變為多顆低軌衛星，從僅對GPS衛星進行掩星觀測轉變為對多個GNSS系統的衛星進行掩星觀測，獲取的觀測數據更多、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的首選模式，地基無線電導航技術作為衛星導航服務的有效補充，隨著導航技術的不斷發展，其應用也將更加廣泛。

5.多頻多系統聯合定位技術

在復雜觀測條件下，依靠單系統雙頻導航定位往往面臨觀測到的衛星數量不多，定位精度不高和可靠性差等問題。多頻觀測值和多系統聯合定位的實現將為用戶提供更多的組合觀測值，增加可見衛星數和衛星的幾何強度，減少或消除單系統導航定位產生的系統誤差，從而提高定位精度和可靠性。隨著GPS、GLONASS現代化進程的推進，Galileo和我國北斗衛星導航系統的發展，多頻多系統聯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定位技術在數字城市中的應用

GNSS系統為數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定位技術已經成為實現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，也是各國實現測繪基準現代化的主要技術支撐。基礎地理信息數據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據生產和應用的基礎。我國現代測繪基準工程已經啟動，北京市測繪基準現代化建設工作也已經基本完成。構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測繪服務系統和高精度三維控制網，為地理信息數據采集、處理和應用提供了高精度三維空間框架基準。
2.輔助空間數據生產

GNSS定位技術可以提供全天候、三維、高精度定位信息，在基礎地理信息數據生產中發揮著非常重要的作用。通過GNSS靜態觀測可以實現毫米級定位，是建立國家和城市高等級控制點的主要技術手段；基于CORS系統可以實現快速、高精度GNSS動態測量，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，在地形圖測繪生產中應用廣泛。此外，在航測遙感領域，GNSS技術可以實現衛星姿態角測量、攝影測量內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合可以實現定性、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）產品等空間數據生產。

3.公共服務應用

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


 圖文摘錄于《走向大數據——從數字北京到智慧北京》一書

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