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GPS定位在新世纪的发展

  进入21世纪,全球定位系统(GPS)在各方面的应用都将加强和发展。本文对GPS走向21世纪时的最新发展情况,特别是当前国际GPS服务(1GS)的产品内容、应用和服务等方面作重点介绍。

 

  一 、GPS连续运行站网和综合服务系统的发展

 

      在全球地基GPS连续运行站(约200个)的基础上所组成的IGS(International GPS Service),是GPS连续运行站网和综合服务系统的范例。它无偿向全球用户提供GPS各种信息,如GPS精密星历、快速星历、预报星历、IGS站坐标及其运动速率、IGS站所接收的GPS信号的相位和伪距数据、地球自转速率等。这些信息在大地测量和地球动力学方面支持了无数的科学项目,包括电离层、气象、参考框架、精密时间传递、高分辨的推算地球自转速率及其变化、地壳运动等。

 

  (1) IGS现在提供的轨道有三类:一是最终(精密)轨道,要在10—12天以后得到它,常用于精密定位;二是快报轨道,要在1天以后得到,它常用于大气的水汽含量、电离层计算等;还有一类是预报轨道。 关于对GPS星钟偏差方面的估计,目前只有两个IGS分析中心提供。IGS目前近200个永久连续运行的全球跟踪站中,使用的外部频率标准近70个,其中约30个使用氢钟,约20个使用铯原子钟,约20个使用铷原子钟,其余的使用GPS内部的晶体震荡器。

 

  (2) IGS还提供极移和世界时信息。IGS公布的最终的每日极坐标(x,y),其精度为±0.1mas,快报的相应精度为±0.2mas。GPS作为一种空间大地测量技术,本身并不具备测定世界时(UT)的功能,但由于一方面GPS卫星轨道参数和UT相关,另一方面,也和测定地球自转速率有关,而自转速率又是UT的时间导数,因此IGS仍能给出每天的日长(LOD)值。IGS现在还能进一步求定章动项和高分辨率的极移(达每2小时1次,而不是现在的1天1次),后者主要源于IGS各观测站观测质量的提高,数据传输迅速和及时,以及数据处理方法的改进,并没有本质的改变,而前者却是技术上的一个跨跃。

 

  (3) IGS提供的一个极为有用和重要的信息是IGS的那些连续运行站(跟踪站)的坐标、相应的框架、历元和站移动速度。前者精度好于1cm,后者精度好于1mm/y。IGS站坐标所采用的坐标参考框架是和IERS互相协调的。1993年末开始使用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日转而采用ITRF96,1999年8月1日开始IGS采用ITRF97。

 

  (4) IGS在测定短期章动方面的新贡献。众所周知,地球自转轴在地球表面上的移动称为极移,而它在惯性空间中的运动称为岁差和章动。

 

  GPS技术不能确定UT,而只能确定日长。同样这一原则也适用于章动,即GPS数据不能测定章动的经度和倾角,但能确定这些量的时间变率(对时间的导数)。基于这一原理,用了3年的每天的ψ和ε值的资料,估算短期章动项的章动振幅,并与VLBI结果作了比较。结论认为,就测定章动短周期项而言,GPS方法优于VLBI,而对超过1个月以上的长周期而言,VLBI较优。

 

  由于对GPS技术的IGS作出了如此大的成绩和贡献,因此1999年9月各国的VLBI站和SLR站决定也组织类似于IGS的相应的IVS和IVRS。法国的DORIS和德国的PRARE也正在考虑成立类似模式的国际组织。力求使这类空间大地测量观测系统组织起来,提高效率、提高精度和可靠性。

 

  就地区性的GPS连续运行站网和综合服务系统而言,发达国家也已做了很多这方面工作,取得了进展。在美国布设了GPS“连续运行参考站”(CORS)系统。它由美国大地测量局(NGS)负责,该系统的当前目标是(1)使美国各地的全部用户能更方便的利用它来达到厘米级水平的定位和导航;(2)促进用户利用CORS来发展GIS;(3)监测地壳形变;④求定大气中水汽分布;⑤监测电离层中自由电子浓度和分布。

 

  截止1999年9月CORS已有156个站,而美国NGS宣布为了强化CORS系统,从现在起,以每个月增加3个站的速度来改善该系统的空间覆盖率。此外,CORS的数据和信息包括接收的伪距和相位信息、站坐标、站移动速率矢量、GPS星气、站四周的气象数据等,用户可以通过信息网络,如Internet很容易下载而得到。

 

  英国建立的“连续运行GPS参考站”(COGPS)系统的功能和目标类似于上述CORS,但结合英国本土情况还多了一项监测英伦三岛周围的海平面相对和绝对变化的任务。英国的COGPS由测绘局、环保局、气象局、农业部、海洋实验室共同负责。目前已有近30个GPS连续运行站,今后的打算是扩建COGPS系统和建立一个中心,其主要任务是传输、提供、归档、处理和分析GPS各站数据。

 

  日本已建成全国近1200个GPS连续运行站网的综合服务系统。目前它在以监测地壳形变、预报地震为主功能的基础上,结合气象和大气部门开展GPS大气学的服务。

 

  二、 GPS应用于电离层监测

 

  GPS在监测电离层方面的应用,也是GPS空间气象学的开端。太空中充满了等离子体、宇宙线粒子、各种波段的电磁辐射,由于太阳常在1秒钟内抛出百万吨量级的带电物,电离层由此而受到强烈干扰,这是空间气象学研究的一个对象。通过测定电离层对GPS讯号的延迟来确定在单位体积内总自由电子含量(TEC),以建立全球的电离层数字模型。

 

  GPS卫星发射L1和L2。两个载波。由这两个载波可以削弱电离层对GPS定位的影响,或者说可以求定电离层折射。因为这一折射和载波频率有关。

 

  当人们建立地区或全球电离层数字模型时,总是作简化的假定,所有自由电子含量都表示在一个单层面上,该面离地面高为H。这样的话,电子含量正可以用在接收机和卫星连线与此单层面交点(刺入点)处的电子含量Es表示,它可以视为E与刺入点处天顶距Z'的函数Ecos Z'=Es。可以将在球面上的电子浓度Es加以模型化,例如写成经纬度的球谐函数等,这方面有很多专家提出了各种模型。IGS提出了一种电离层地图的交换格式(10nosphere Map Exchange Format,IONEX—Format),它的作用是使基于各种理论和技术所获得的电离层地图能在统一规格的基础上进行综合和比较。电离层模型有各不相同的理论基础,而取得的数据来源的技术也不同,数据覆盖面也不完整,所以目前只能将IGS和全球各种TEC的图和GPS卫星讯号的差分码偏差(differential code biases—DCBS)用IONEX形式向全世界用户提供,下一步将通过比较,逐步联合起来。

 

  三、GPS应用于对流层监测

 

  在GPS应用中,早期主要是轨道误差影响定位精度,而且早期的GPS基线相对来说比较短,高差不大,因此对对流层的研究没有给予很大的重视。直到近期由于GPS轨道精度大大提高后,对流层折射已成为限制GPS定位精度提高的一个重要障碍。假设一个高程基本为零的地区,接收机所接收的GPS讯号从天顶方向传来的话,其延迟可以达到2.2—2.6m这一量级,而2小时内这一延迟变化可达10cm不是少见的(所以IGS分析中心提供的对流层参数是用2小时间隔一次)。也由于这个实际情况,对流层折射要顾及其随机过程的变化来加以模型化。

 

  在GPS应用于对流层研究中,IGS的快速轨道和预报轨道信息对于天气预报会起重大作用。此外,IGS通过德国GFZ的“IGS对流层比较和协调中心”提供的每2小时的对流层天顶延迟系列就象是控制点,对于区域性或局部性的对流层研究来说,可以起到对流层延迟绝对值的标定作用。

 

  与地基GPS大气监测不同,星基或空基GPS掩星法测定气象的技术有覆盖面广,垂直分辨好,数据获取速度快的优点。这一技术的原理是将GPS接收机放在某一低轨卫星(LEO)或飞行器的平台上,该GPS接收机一方面起到对该卫星(或飞行器)精确定轨的作用,同时又应用GPS掩星技术起到大气探测器的作用。在1997年进行的GPS/MET研究项目,证实了这个设想是可行的。预定于2000年4月发射的CHAMP卫星要利用GPS掩星法进行全球对流层折射(包括大气可降水分)的测定。

 

  在今后几年中,还有阿根廷的SAC—C,我国台湾的COS—MIC,这些LEO卫星都要用星载GPS来定轨和利用掩星法测大气。

 

  今后利用星载GPS的气象和电子浓度截面数值,结合地面GPS站数据,作成层折图像提供使用。今后3年中GPS/MET项目研究还要进行6次,预计它将在天气预报、空间天气预报、气象监测方面做出巨大贡献。

 

  四 、GPS作为卫星测高仪的应用

 

  多路径效应是GPS定位中的一种噪音,至今仍是高精度GPS定位中一个很不容易解决的“干扰”。过去几年利用大气对GPS信号延迟的噪声发展了GPS大气学,目前也正在利用GPS定位中的多路径效应发展GPS测高技术,即利用空载GPS作为测高仪进行测高。它是通过利用海面或冰面所反射的GPS信号,求定海面或冰面地形,测定波浪形态,洋流速度和方向。通常卫星测高或空载测高测的是一个点,连续测量结果在反向面上是一个截面,而GPS测高则是测量有一定宽度的带,因此可以测定反射表面的起伏(地形)。据报告,试验时在空载平面安装2台GPS接收机,1台天线向上用于对载体的定位,1台天线向下,用于接收GPS在反射面上的讯号。美国在海上作了测定洋流和波浪的试验。丹麦在格凌兰作了测定冰面地形及其变化的试验。标车辆采取必要措施。