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)用都將加強和發(fā)展。本文對GPS走向21世紀(jì)時的最新發(fā)展情況，特別是當(dāng)前國際GPS服務(wù)(1GS)的產(chǎn)品內(nèi)容、應(yīng)用和服務(wù)等方面作重點介紹。
一 、GPS連續(xù)運行站網(wǎng)和綜合服務(wù)系統(tǒng)的發(fā)展
在全球地基GPS連續(xù)運行站(約200個)的基礎(chǔ)上所組成的IGS(International GPS Service)，是GPS連續(xù)運行站網(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)報星歷、IGS站坐標(biāo)及其運動速率、IGS站所接收的GPS信號的相位和偽距數(shù)據(jù)、地球自轉(zhuǎn)速率等。這些信息在大地測量和地球動力學(xué)方面支持了無數(shù)的科學(xué)項目，包括電離層、氣象、參考框架、精密時間傳遞、高分辨的推算地球自轉(zhuǎn)速率及其變化、地殼運動等。
(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、電離層計算等；還有一類是預(yù)報軌道。 關(guān)于對GPS星鐘偏差方面的估計，目前只有兩個IGS分析中心提供。IGS目前近200個永久連續(xù)運行的全球跟蹤站中，使用的外部頻率標(biāo)準(zhǔn)近70個，其中約30個使用氫鐘，約20個使用銫原子鐘，約20個使用銣原子鐘，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，快報的相應(yīng)精度為±0.2mas。GPS作為一種空間大地測量技術(shù)，本身并不具備測定世界時(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，也和測定地球自轉(zhuǎn)速率有關(guān)，而自轉(zhuǎn)速率又是UT的時間導(dǎo)數(shù)，因此IGS仍能給出每天的日長(LOD)值。IGS現(xiàn)在還能進(jìn)一步求定章動項和高分辨率的極移(達(dá)每2小時1次，而不是現(xiàn)在的1天1次)，后者主要源于IGS各觀測站觀測質(zhì)量的提高，數(shù)據(jù)傳輸迅速和及時，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)上的一個跨躍。
(3) IGS提供的一個極為有用和重要的信息是IGS的那些連續(xù)運行站(跟蹤站)的坐標(biāo)、相應(yīng)的框架、歷元和站移動速度。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在測定短期章動方面的新貢獻(xiàn)。眾所周知，地球自轉(zhuǎn)軸在地球表面上的移動稱為極移，而它在慣性空間中的運動稱為歲差和章動。
GPS技術(shù)不能確定UT，而只能確定日長。同樣這一原則也適用于章動，即GPS數(shù)據(jù)不能測定章動的經(jīng)度和傾角，但能確定這些量的時間變率(對時間的導(dǎo)數(shù))。基于這一原理，用了3年的每天的ψ和ε值的資料，估算短期章動項的章動振幅，并與VLBI結(jié)果作了比較。結(jié)論認(rèn)為，就測定章動短周期項而言，GPS方法優(yōu)于VLBI，而對超過1個月以上的長周期而言，VLBI較優(yōu)。
由于對GPS技術(shù)的IGS作出了如此大的成績和貢獻(xiàn)，因此1999年9月各國的VLBI站和SLR站決定也組織類似于IGS的相應(yīng)的IVS和IVRS。法國的DORIS和德國的PRARE也正在考慮成立類似模式的國際組織。力求使這類空間大地測量觀測系統(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)運行站網(wǎng)和綜合服務(wù)系統(tǒng)而言，發(fā)達(dá)國家也已做了很多這方面工作，取得了進(jìn)展。在美國布設(shè)了GPS“連續(xù)運行參考站”(CORS)系統(tǒng)。它由美國大地測量局(NGS)負(fù)責(zé)，該系統(tǒng)的當(dāng)前目標(biāo)是（1）使美國各地的全部用戶能更方便的利用它來達(dá)到厘米級水平的定位和導(dǎo)航；（2）促進(jìn)用戶利用CORS來發(fā)展GIS；（3）監(jiān)測地殼形變；④求定大氣中水汽分布；⑤監(jiān)測電離層中自由電子濃度和分布。
截止1999年9月CORS已有156個站，而美國NGS宣布為了強化CORS系統(tǒng)，從現(xiàn)在起，以每個月增加3個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。 英國建立的“連續(xù)運行GPS參考站”(COGPS)系統(tǒng)的功能和目標(biāo)類似于上述CORS，但結(jié)合英國本土情況還多了一項監(jiān)測英倫三島周圍的海平面相對和絕對變化的任務(wù)。英國的COGPS由測繪局、環(huán)保局、氣象局、農(nóng)業(yè)部、海洋實驗室共同負(fù)責(zé)。目前已有近30個GPS連續(xù)運行站，今后的打算是擴建COGPS系統(tǒng)和建立一個中心，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)。
日本已建成全國近1200個GPS連續(xù)運行站網(wǎng)的綜合服務(wù)系統(tǒng)。目前它在以監(jiān)測地殼形變、預(yù)報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
GPS在監(jiān)測電離層方面的應(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)拋出百萬噸量級的帶電物，電離層由此而受到強烈干擾，這是空間氣象學(xué)研究的一個對象。通過測定電離層對GPS訊號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。兩個載波。由這兩個載波可以削弱電離層對GPS定位的影響，或者說可以求定電離層折射。因為這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，總是作簡化的假定，所有自由電子含量都表示在一個單層面上，該面離地面高為H。這樣的話，電子含量正可以用在接收機和衛(wèi)星連線與此單層面交點(刺入點)處的電子含量Es表示，它可以視為E與刺入點處天頂距Z'的函數(shù)Ecos Z'＝Es�？梢詫⒃谇蛎嫔系碾娮訚舛菶s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)用于對流層監(jiān)測
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基線相對來說比較短，高差不大，因此對對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，對流層折射已成為限制GPS定位精度提高的一個重要障礙。假設(shè)一個高程基本為零的地區(qū)，接收機所接收的GPS訊號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，而2小時內(nèi)這一延遲變化可達(dá)10cm不是少見的(所以IGS分析中心提供的對流層參數(shù)是用2小時間隔一次)。也由于這個實際情況，對流層折射要顧及其隨機過程的變化來加以模型化。
在GPS應(yīng)用于對流層研究中，IGS的快速軌道和預(yù)報軌道信息對于天氣預(yù)報會起重大作用。此外，IGS通過德國GFZ的“IGS對流層比較和協(xié)調(diào)中心”提供的每2小時的對流層天頂延遲系列就象是控制點，對于區(qū)域性或局部性的對流層研究來說，可以起到對流層延遲絕對值的標(biāo)定作用。
與地基GPS大氣監(jiān)測不同，星基或空基GPS掩星法測定氣象的技術(shù)有覆蓋面廣，垂直分辨好，數(shù)據(jù)獲取速度快的優(yōu)點。這一技術(shù)的原理是將GPS接收機放在某一低軌衛(wèi)星(LEO)或飛行器的平臺上，該GPS接收機一方面起到對該衛(wèi)星(或飛行器)精確定軌的作用，同時又應(yīng)用GPS掩星技術(shù)起到大氣探測器的作用。在1997年進(jìn)行的GPS/MET研究項目，證實了這個設(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)的測定。
在今后幾年中，還有阿根廷的SAC—C，我國臺灣的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項目研究還要進(jìn)行6次，預(yù)計它將在天氣預(yù)報、空間天氣預(yù)報、氣象監(jiān)測方面做出巨大貢獻(xiàn)。
四 、GPS作為衛(wèi)星測高儀的應(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定位中一個很不容易解決的“干擾”。過去幾年利用大氣對GPS信號延遲的噪聲發(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測高技術(shù)，即利用空載GPS作為測高儀進(jìn)行測高。它是通過利用海面或冰面所反射的GPS信號，求定海面或冰面地形，測定波浪形態(tài)，洋流速度和方向。通常衛(wèi)星測高或空載測高測的是一個點，連續(xù)測量結(jié)果在反向面上是一個截面，而GPS測高則是測量有一定寬度的帶，因此可以測定反射表面的起伏(地形)。據(jù)報告，試驗時在空載平面安裝2臺GPS接收機，1臺天線向上用于對載體的定位，1臺天線向下，用于接收GPS在反射面上的訊號。美國在海上作了測定洋流和波浪的試驗。丹麥在格凌蘭作了測定冰面地形及其變化的試驗。
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