世纪之交的全球定位系统及其应用*
陈俊勇
摘 要 综合介绍了全球定位系统(GPS)，包括它的卫星系统和接收机，近期和今后的发展情况。评述了GPS在各方面的重要应用，包括地基GPS的动态和静态应用。重点介绍了当前GPS应用的前沿，即空基和星基GPS的应用。最后推荐了国际地球动力学GPS服务(IGS)的内容和产品，并对我国GPS综合服务系统提出了建议。
关键词 全球定位系统(GPS)
分类号 P228
Toward the twenty-first century Global Positioning System and its application Chen Junyong (National Bureau of Surveying and Mapping, Beijing,100830)
Abstract The future development and improvement of Global Positioning System (GPS), including its satellite system and receiver are introduced. The application in different fields, including the application of kinematic and static positioning of the earth based GPS is reviewed.
The most advanced application of the air-based and satellite-based GPS are specially introduced here. The contents and products of International GPS Service for Geodynamics (IGS) are recommended.
Besides the establishment for Chinese GPS comprehensive service system is proposed.
Keywords Global Positioning System (GPS)
1 全球定位系统
美国早已宣布将在2006年左右GPS卫星系统终止执行SA政策，并向用户继续免费提供标准定位服务(SPS)。这意味着届时用户GPS实时单点定位的精度将从在?00 m提高到30 m左右。最近美国军方透露，SA止时间有可能提前，这意味着在下一世纪初GPS定位工作的效率将有较大幅度的提高。
目前在天空中运动的GPS卫星大部分都是II型卫星中的第一代，即II和IIA型卫星。从1997年开始，发射了II型的第二代卫星中的第一颗IIR型卫星。今后IIR型卫星将逐渐取代现有的II和IIA型卫星。相对于II和IIA型卫星而言，IIR型卫星备有频率稳定性能要高一个量级的新的铷原子钟；用户所收到的L1、L2信号的功率比以前的要大；它能够发送和接收其他GPS卫星的导航数据，以形成GPS卫星间互相定位的能力，这将减少GPS卫星数据传输的时延。
目前美国正在开发II型GPS卫星的第三代，即IIF型卫星。第一颗IIF卫星将于2002年发射。IIF卫星在性能方面最主要的改善是增加了卫星的有效负载，特别是增大了太阳能电池板，因而能够支持卫星体系引进更多的功能和完成更多的任务，例如加载第二民用C/A码信号和增设第三民用频率等。估计到2007年，将有二分之一到三分之二的GPS卫星带有L2频率上加载C/A码的伪距信号。这样普通民用GPS接收机在伪距定位时，不仅能够较好地削弱电离层影响，其伪距的等效距离精度也将得到很大提高。这一措施不仅能较大地改善实时定位和导航精度，而且对今后提高单频RTK定位、单频GPS快速静态定位的精度和缩短初始化时间等方面都会有重要的作用［6］。GPS所采用的参考框架和计算常数在1994年有一次大的改进［1］，形成了WGS84(G730)。1996年又作了一些改进［2］，形成了WGS84(G873)。目前它的参考框架和ITRF94的一致性在±5 cm，与IGS的精密星历各分量的差别在±3 cm左右。WGS84目前所采用的计算常数为
旋转椭球长半轴(A)＝6 378 137.0 m
旋转椭球扁率倒数(1/f)＝298.257 223 563
引力常数(含大气)(GM)＝3 986 004.418×108m8 s-2
自转平均角速度(ω)＝7292115.0×10-11rad s-1
2 GPS接收机的改进
在GPS接收机方面的改进主要是提出应用模块(GRAM)的新概念。GRAM不是一种硬件模块，而是满足确定任务和用途的GPS接收机必须遵循的一种标准。即未来的GPS接收机必须按照这个统一的标准做成能适应多种用途的基础集成片。GRAM提倡制成一种通用的GPS标准件，而不是制成一种随工厂不同，用途不同的专用器件，把接收机设计从非标准的专有技术型设计阶段带入到非专有技术型的标准化设计阶段。这是一次试图将GPS接收机生产方式规格化标准化的尝试。
GPS接收机往往要在恶劣的工程环境中，如在高压线附近、高电磁干扰环境下和各种地形、地物环境下工作，这就要求GPS接收机必须具有良好的抗干扰，其中包括抗多路径效应的性能。因此接收机抗干扰技术是目前改善接收机性能研究中的主攻方向。
由于GPS信号固有的抗干扰性差的特性，因此发展GPS导航中的一个重要方向就是它与惯性系统(INS)的组合。从90年代中期开始，嵌入式的GPS/INS系统已逐步取代传统的导航，已开始走向广泛的应用阶段［3］。
3 “国际地球动力学的GPS服务”的产品
“国际地球动力学的GPS服务”(International GPS Service for Geodynamics,IGS)的产品有四大类，即GPS星历、地球自转参数(EOP)、IGS站的站坐标及其运动速率、GPS卫星钟差和上述IGS站的站钟差。以大家比较关心的星历为例，IGS所提供的GPS卫星星历分三种：(1) 预报星历(IGP)——IGS提供24 h的预报星历；(2) 快速星历(IGR)——IGS提供48 h前较精密的星历；(3) 精密星历(IGS)——IGS提供二周前的精密星历。上述三种星历的精度分别为50 cm,10 cm,5 cm不等［5,8］。IGS所提供产品的详情参见表1［8］(截止日期为1998年3月)。
表1
预报(IGP)快速(IGR)精密(IGS) 星
历时间实时1～2天后10～12天后 精度50 cm10 cm5 cm
星 钟时间实时1～2天后10～12天后 精度150 ns0.5 ns0.3 ns
极 移时间-1～2天后10～12天后 精度-0.2 mas0.1 mas
极速 移率时间-1～2天后10～12天后 精度-0.4 mas/天0.2 mas/天
世界 时时间-1～2天后10～12天后 精度-300 μs50 μs
周日 长时间-1～2天后10～12天后 精度-60 μs/天30 μs/天
将不同星历应用于GPS定位时，如施测对象为短基线，例如在20 km以内，则选用上述三种星历中任一种，其结果都相差不大，在坐标分量上的误差一般会小于±1 cm。因此这时选用哪一种星历可以只取决于数据处理的紧迫性而定。若施测对象是中长基线，例如800 km，则应用上述三种星历所得结果的精度很不一样，IGR和IGS处理结果的差别约在厘米量级，IGP和IGS处理结果的差别约在10～50 cm，甚至出现系统误差。因此选用IGP处理定位成果时要慎重［4］。
4 地基GPS站网的应用
根据地基GPS站网所传送的信息，它的应用一般可归结为以下9个方面：
(1) 在海、陆、空进行实时(含后处理)的静态和动态定位和导航(含各类差分技术)。
(2) 测定地壳形变，包括板块、板块边缘、板内地块的形变和运动，反演地球应力场等。由于板块间相对运动的速率很小，要精确地分辨有关板块运动的信息，要求相对定位精度应高于0.01×10-6。
(3) 用于守时和定时。GPS测时授时的精度高，用于远距离时间同步的精度可达15～30 ns。
(4) 地球自转参数测定。即对极移及其速率的周日长的测定。国际上从1988年1月起正式停止使用经典光学和多普勒观测来监测极移现象，目前除了采用VLBI、SLR及LLR(激光测月)数据外，GPS已成为监测极移的主要手段之一。
(5) 维持ITRF。
(6) 结合对验潮站的定位和位移速度测定，进行绝对海平面变化的监测。
(7) 以较好的平面分辨率测定大气中可降水分，有助于全球气候变化研究和中短期天气预报的改善。
(8) 测定电离层离子浓度，有助于无线电通讯管理和无线电测量。
(9) 地震、火山、土地滑坡等灾害的前、中、后期的监测，和为作出可能的灾害预报作贡献。
5 空基或星基GPS的应用
当前GPS应用方面的发展主要是有愈来愈多的空基和星基GPS进入实用阶段，例如有美法的T/P，美德的Microlab,丹麦的Orsted，南非的Sunsat，德国的CHAMP，阿根廷的SAC-C，法美的Jason-1，美德的GRACE和台湾的COSMIC等，从而大幅度扩大了GPS的应用范围，出现了各种新的应用领域。"
星基GPS提供了大地位、对流层顶层高度、平流层风场、离子浓度和大气湿度的垂直分布等方面信息。它的应用可以大致归结为以下五个方面：
(1) 星基GPS可以有助于卫星精确定轨，这对遥感卫星和测高卫星有重大意义。
(2) 星基GPS用(无线电波)掩星法，对电离层离子浓度和大气可降水份提供连续的水平截面的信息，结合地基GPS的垂直截面信息，可生成三维层析成像资料，由此可以作出其相应的静态和动态模型。
(3) 星基GPS提供和改善有关卫星所获取的地球重力场的信息。
(4) GPS对大气科学又提供了两种新的信息，即无线电波在大气中的连续的折射角(bending angle)和折射率，现在美国的气象和天气模型中已加进了这两个参数。它们和湿度，温度有紧密联系，经试验，加进这两个参数和天气模型显著改善了中短期天气预报。
(5) 研究表明，GPS信号在洋面上的反射信号可以相当于测定海面地形和洋流状态的卫星(海洋)测高仪，因此在即将发射的CHAMP和SAC-C上决定设置仪器获取这一信号。
6 GPS高精度静态定位
高精度GPS静态定位主要用于建立各种规模和级别的大地控制网，地球动力学监测网和精密工程测量。用GPS技术测定上述这些点网的特点是：
(1) 高精度三维定位。GPS点是直接从GPS卫星讯号中获取三维定位信息，因此各点之间不存在逐点推算和误差积累。GPS点位不仅比常规大地测量的精度高(达0.1×10-6～0.01×10-6)，而且精度均匀。在这个精度水平上主要是两种误差源，天线相位中心的绝对变化和多路径效应所导致的测站点位误差。
(2) 设计和布点方便灵活。GPS定位精度同GPS点的几何图形基本无关，而且和经典大地网不同，它不受地面点间必须相互通视的限制，从而使控制网图形设计和点间距离不受限制，选点比较方便灵活。
(3) 对地理条件和作业条件要求低。在沙漠、高山，在孤岛、礁滩，都可以进行GPS定位观测。
(4) 作业费用低。GPS点位无需建造觇标，因此整个GPS测量所用经费往往仅相当于常规大地测量所需经费的三分之一。
(5) 工作效率高。GPS观测基本上不受气象条件的影响，这是常规手段难以比拟的。
目前国际上著名的GPS静态定位数据处理软件有：瑞士伯尔尼大学研制的BERNESE、美国麻省理工学院的GAMIT、美国NASA的GEODYN、美国JPL的GIPSY、美国德克萨斯大学的TEXGAL、德国GFZ的GEPHARD、以及欧洲空间局(ESA)研制的GPSOBS等。
下面介绍这一方面的二个例子。我国利用这一技术建成了国家A级和B级GPS大地控制网，它们分别由均匀地分布在中国大陆的30个点和760余点构成。平均边长相应为650 km和150 km。对A级GPS网来说，水平方向的重复精度好于2×10-8，垂直方向不低于7×10-8,对B级GPS网来说，则分别好于4×10-7和8×10-7。它不仅在精度方面比已往的全国性大地控制网大体提高了2个量级，而且其三维坐标体系是建立在有严格动态定义的先进的国际公认的ITRF框架之内。这标志着我国具有分米级绝对精度的三维参照系已基本建立。此外，中国国家A级和B级GPS大地控制网中大部分点位，均用水准进行了联测，同时不少网点也和原有的用经典方法测定的大地点和沿海的验潮站等进行了联测。所有这些将为我国地壳运动监测、为中国局部大地水准面的求定、推算地心坐标转换参数、新老大地网的拼接和转换、以及全球变化中海平面上升的监测提供基础数据，为21世纪前期的中国经济和社会持续发展做出贡献。
第二个例子是我国正在进行建设的地壳运动监测网络的“科学工程”。它由25个永久性GPS跟踪站、千余个作定期GPS观测的点网组成。在这个网络中还采用其他各种先进和常规的测量手段进行观测。此外还拟建成相应的大容量、高速度的数据传输、通讯和处理网络。这一工程将为地基GPS站网的各项应用创建了基础。
7 GPS高精度动态定位
高精度GPS动态定位，特别是对动态实时定位(导航)，主要包括两方面内容。一是运载器的导航，GPS能对它所在的空中、地面或海洋上处于运动状态的载体的点位、速度、加速度、姿态等等一一加以实时确定，这些构成GPS导航的主要内容。二是运载器的测控，GPS将这些空中、地面和海洋上载体的点位、速度、加速度、姿态等信息反馈给载体的控制中心，则构成对载体的测控。GPS技术在导航和测控方面的作用若与GIS进行集成，则将发挥更大作用。
国际上对导航的策略观点综合起来有三个方面。一是尽可能采用星基或空基导航系统取代陆基导航系统，以达到最大的成本效益比；二是不能依靠由他国军方控制的卫星系统来实现本国的导航；三是稳妥切实。因此欧洲各国计划分两阶段实现这一目标。目前正处于第一阶段(GNSS-1)，即发展各国国内的或区域性的导航系统，如俄罗斯的GLONASS，欧洲的EGNOS，美国的WASS和日本的MTSAS系统等。其主要内容是利用现有系统(如GPS或GLONASS)进行区域增强，这是过渡为最终目标(GNSS-2)的第一阶段。第二阶段(GNSS-2)是建立一个在国际控制下的民间卫星导航系统(GNSS)，它能应用于飞行的所有阶段，其中包括各类近进及降落着地。这样GNSS就可以从区域性渐进地扩展成全球系统。这在策略上、组织和集资上均较有利。
作为GNSS-1的一个例子就是上面提到的欧洲静止卫星导航服务(EGNOS)。EGNOS是对现有的GPS和GLONASS的星基增强。即利用静止卫星主要面向欧洲范围内的航空、海上和陆地导航提供服务。EGNOS已于1995年启动，它具有三种功能的服务，即测距服务、完善性广播和差分修正服务。EGNOS计划在1999年实现初始运行能力，2002年实现全运行能力。
能和美国GPS匹敌的就是俄罗斯发展的卫星定位和导航系统GLONASS。它有24颗卫星分布在轨道倾角为64.8°高度为19 100 km的三个轨道面上，卫星运行周期约为11 h。卫星依不同发射频率来区分，GLONASS已经建成和投入使用。但在实际应用中，如它的单点定位和多站差分定位，仍面临着一些问题：例如它和GPS的时间框架的不同；与GPS的坐标基准的不同；GLONASS采用不同频率所导致的载波相位模糊度确定的困难。尽管在1996年已通过观测确定了GPS与GLONASS之间的坐标转换参数，但仍有不可忽略的误差。因此在和GPS联合单点定位的成果处理时不仅复杂，而且定位精度受到影响。目前(1998年9月开始)国际上正在组织全球的IGEMX会战，以期对这两个定位系统整合一致起来，真正达到两者互相补充和兼容。
此外还有如我国的双星导航定位系统。该系统采用两颗地球静止轨道卫星，以双向测距结合数字地形模型(DEM)确定地面点位置。
8 发展我国GPS综合服务系统
在“九五”期间应结合我国地震监测网络的科学工程，联合我国其他系统已有的永久性GPS跟踪站，完善扩大全国的永久性GPS跟踪网和相应的数据传输、通讯和处理的网络设施，并由此发展成为我国GPS的综合性服务体系。这一体系的任务基本有4个方面：
(1) 建立、维护、协调永久性GPS跟踪站网数据的采集、通讯和处理。
(2) 提供与GPS自身有关的信息服务，如星历、钟差、站坐标以及它们的变化等。
(3) 提供与精确定位和导航有关的标准(RTCM和RTCA)差分信号，可以是局域伪距或相位差分，也可以是广域差分信息。从大地测量来说，这一系统的建成将使我国的大地测量进入精确、动态、实时定位的现代化体系。
(4) 提供与其他学科有关的信息，如地壳形变、电离层离子浓度、大气水汽含量及其改正参数。
这种集GPS数据采集、数据通讯、数据处理和提供GPS各类信息服务于一体的网络体系，是一种集成式的系统工程，它应是向国家和社会作全方位开放性的服务。它的生命力在两个方面：一是GPS和GIS、RS的集成。GPS信息服务若仅限于大地测量的应用，它的作用是有限的。二是GPS信息服务若只限于提供定位和导航信息，则其潜在能量没有发挥出去。因此GPS若和GIS结合起来，和RS结合起来，并为相关其他领域和学科所需的信息提供服务，则它必将对我国的资源和环境的保护和管理，对资源的合理利用，对减灾防灾，对经济建设，国防建设和社会的持续发展作出更大贡献!
作者简介：陈俊勇，男，63岁，中国科学院院士。
作者单位：国家测绘局，北京，100830
7 参考文献
［1］ Malys S and Stater J. Maintenance and Enhancement of the World Geodetic System 1984. In: Proc. ION GPS-94, Salt Lake City: Utah,1994.19～24
［2］ Slater J and Malys S. WGS-84 Past, Present and Future. In:Advances in Positioning and Reference Frame. Springer,1998
［3］ 许国祯.GPS最新态势及嵌入式GPS/INS系统.卫星应用，1997(3)：38～44
［4］ 张嘉强，陈鸿智，蔡明违.IGS系列卫星星历应用于GPS定位之成果分析.见：第二届两岸测绘学术研讨会论文集.1998.177～183
［5］ Neilan R E, Beutler G and Kouba J. The International GPS Service in 1997:
［6］ 周良，刘经南，张全德.2000年前后GPS进展状况.测绘软科学研究，1998(3)：23～27
［7］ 周其焕，陈惠萍，薛文安等.欧洲民用GNSS策略和方案.测绘软科学研究，1998(3)：39～44
［8］ IGS Annually Report,1998
［9］ 陈俊勇，胡建国，晁定波等.国际大地测量技术的新进展.测绘通报，1998(1)：2～4;1998(2):2～5
［10］ 陈俊勇.地球空间信息的实时获取及其应用.测绘通报，1998(9)：3～4
