新时期技术推动下的GNSS实验室

孔巧丽， 韩李涛， 阳凡林， 郭金运

(山东科技大学 a. 测绘科学与工程学院，b. 海岛(礁)测绘技术国家测绘局重点实验室，山东 青岛 266590)

0 引 言

随着中国自主研发的北斗导航卫星系统的逐步完善以及中国加盟的GALILEO卫星的相继发射，国家对卫星定位与导航创新教育更加重视，对GNSS(Global Navigation Satellite System)科技建设投入的逐年增加，GNSS科技水平已经提升到很高水平，卫星定位的技术已经从依靠单一美国GPS朝着多元化发展，统称的GNSS。此外，美国计划出台新的政策来限制GPS技术在其他国家的应用精度。在这新的时期，高校的GPS实验室大都朝着GNSS多元化的方向发展，即GNSS实验室。GNSS实验室体现了新时期工科高校测绘技术专业的教学质量、科研实力以及管理水平，同时为GNSS新知识、新技术、新方法、新成果的诞生和应用提供了平台[1]，是培养测绘专业学生的科技创新精神和提高综合实践能力的摇篮[2]。GNSS技术的快速发展已经成为世界共同关注的热点问题，其主要包括中国的北斗导航卫星(COMPASS)、美国GPS、俄罗斯GLONASS、欧盟GALILEO系统，四者并称全球四大卫星导航系统。在这新的时期，GNSS技术的实验教学内容和实验仪器设备远远落后于GNSS新理论、新仪器的发展速度，实验技术人员知识结构陈旧，缺乏工作热情。因此构建与相配套的实验教学体系需要一个循序渐进的过程，必须不断地进行探索、自我修正和优化。GNSS实验教学要想充分激发测绘专业学生创新精神和提高学生实践能力，为社会培养理论基础扎实、实践经验丰富的应用型工程技术人才[3]，必须紧随GNSS的发展趋势，根据培养测绘专业学生创新能力的需求，坚持进行GNSS实验室教学体系建设、改革和创新，增设特色实验项目，提高新时期GNSS实验室实验技术人员的专业素质和业务技术水平，改善其知识体系[4]，解决迫在眉睫的GNSS实验室现存的问题[5]。

1 新时期GNSS实验室实验项目建设与改革

GNSS技术主要应用在测绘、交通、规划、国土、水利水电等行业，通过测量、计算、绘图等技能来实现工作目标，属技能显现型专业技术。而GNSS实验课程能够有力地加深学生对卫星定位系统的理解和掌握，提高学生的实际动手能力。设置的GNSS实验教学项目要由简单到复杂，内容环环相扣，并结合GNSS技术实际应用情况，从而有利于加深和巩固课堂知识，提高测绘工程专业学生综合运用知识及分析和解决实际问题的能力[6]。由于GPS相对其他卫星定位系统，是一个比较成熟的系统，新时期GNSS实验室必须保留原有实验项目，以我校GNSS实验室为例，该实验室设置了6个基础实验项目，主要包括：①GPS接收机的认识和使用；②GPS静态测量；③GPS数据传输和格式转换；④电台模式GPS实时动态定位(RTK：Real Time Kinematic)；⑤GPS数据预处理；⑥GPS基线解算与网平差。其中实验①、②和④为验证性实验，为学生提供高精度GNSS仪器，锻炼其仪器操作能力，实验③为验证性实验，可以锻炼学生将测量数据传输到电脑，并将测量格式进行转换，实验⑤为设计性实验，对数据进行周跳探测和粗差处理，这是GPS数据处理中必不可少的重要环节，实验⑥为综合性实验，学生利用预处理后的数据进行基线解算和网平差计算，最终获得高精度的测站位置。

新时期GNSS实验室必须在原有实验项目的基础上，增加卫星定位与导航的新知识、新技术以及新方法的应用，开设特色实验项目，如网络RTK实验。如果美国关闭GPS在国内的应用或者在GPS卫星上做些手脚，国内主要由GPS进行定位和导航的仪器设备功能将会全部丢失。因此，在GPS相关实验项目的基础上，除了网络RTK实验外，还需增加国内自主卫星导航系统—北斗卫星导航系统的定位实验，以及多星系统兼容的综合卫星定位与导航实验等。新时期GNSS实验室实验项目设计如图1所示。

图1 新时期GNSS实验室实验项目设计图

1.1 网络RTK实验

GPS实时动态定位(RTK)技术应用于测量领域已经是一项很成熟的技术，通过差分技术，可以消除对流层、电离层等误差项的影响，从而实现方便、快捷、高效且高精度的测量作业。RTK技术可分为两种：电台模式RTK和网络RTK，前者是通过无线电技术接收单基站广播改正数的常规RTK技术；后者是基于Internet数据通讯链获取虚拟参考站(VRS)技术播发改正数的网络RTK技术。电台模式RTK局限在较短距离范围内，随着流动站与基准间距离的延长，各类系统误差的残差快速增大，致使无法正确确定整周模糊度参数和取得固定解，为了实现大区域范围内高精度实时动态定位，网络RTK(CORS)技术应运而生，其中VRS(Virtual Reference Station)的虚拟参考站技术和FKP(Flat Plane Correction Parameter)的区域改正参数法技术比较具有代表性。流动站通过接收CORS系统管理中心对参考站网数据整体网解算的实时差分改正信息进行RTK作业。网络RTK工作示意图如图2所示。

如在我校，网络RTK实验可以在山东省全境的SDCORS网的基础上进行，该CORS网包括100多个个基准站。实验的主要内容和目标包括：加深对网络RTK测量的基本原理的理解；掌握中国移动GPRS(CMNET)或联通CDMA无线网络连接Internet的方法；能够建立拨号简表；对流动站建立任务；设置流动站的测量模式；新建VRS工作形式；对碎部点进行测量，最后将测量数据输出。

图2 网络RTK示意图

1.2 北斗卫星定位与导航实验

为了避免在军事和民用方面受制于美国，北斗卫星导航系统应运而生。北斗卫星导航系统是中国自主研发、独立运行的全球卫星定位与通信系统。系统由空间端、地面端和用户端组成，不仅可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度定位、导航、授时服务，而且在测绘、渔业、森林防火、水域及海洋信息监测、大气环境监测等方面也已经取得了广泛应用。截止2012年5月，北斗系统在轨卫星12颗，已经初步具备了区域导航、定位和授时能力，精密定位精度优达毫米级[7]。计划2020年左右，将建成覆盖全球的由30颗北斗卫星组成的导航系统[8]，从而中国北斗系统将有能力参与全球竞争。

图3 北斗卫星导航系统示意图

随着北斗导航系统的快速发展和应用领域的逐步扩大，充分利用我国的卫星导航地面基准站资源，建立北斗卫星导航系统的地基增强服务系统具有重要的战略意义。GNSS实验室未来建设的重要内容是引导测绘专业学生了解和掌握北斗导航系统的原理、仪器操作、数据处理以及该技术的应用，此举将对激励学生探索创新、推动中国卫星导航定位产业化发展具有重要意义。

目前，结合COMPASS的定位原理和方法，预设COMPASS定位的主要实验内容包括绝对定位法、差分定位法和时差图定位法[9]：

(1) 绝对定位法。定位方法主要包括高程代入法、相似椭球法、近似椭球法和三点交会法。四种定位方法均输入单点定位，精度较低，其中高程代入法不适合低纬度地区的定位，相对于其他三种定位方法，三点交会法定位精度较高。

(2) 差分定位法。差分定位法将用户测站与定位基准站同一时刻的距离观测值进行差分，从而消弱对流层和电离层等误差的影响，从而获得高精度的定位数据，根据改正方法的不同，差分定位法分为位置改正法和边长改正法。

(3) 时差图定位法。相隔一定距离的地面上任意两点对同一颗卫星的信号传播时间之差，以地面某个固定点为参考原点，以周围相对点位的坐标差为纵横轴，把对应相对定位的时差列出，形成时差图。参考点与其周围的测站点同步观测时，可得两个时差，各时差在对应卫星时差图上是一条曲线，两条曲线的交点便是用户测站位置。

1.3 多星兼容系统综合定位与导航实验

多星兼容系统综合定位与导航，是将各种导航系统进行技术融合，相对于单卫星定位系统的接收技术，卫星数量多、覆盖好、定位精度高、可靠性高等优点，且可更广泛地应用于海、陆、空交通运输，有线与无线通信，以及地质灾害森林火灾的救援、医疗急救、海上搜救、水坝桥梁等大型建筑工程等各项领域。目前，中国北斗星通公司已经研发出可以集成接收COMPASS、GLONASS、GPS和GALILEO等四个系统信号的产品，如OEM628、OEM615等系列产品。为了适应这种集成定位的发展趋势，高校开设多星系统综合定位与导航实验将十分必要。不仅可以培养学生的学习兴趣，拓宽学生的知识面，提高学生综合创新能力，更为将来学生适应全球卫星定位技术的迅猛发展和应用提供保障。针对多系统定位与导航技术的特点，实验室设计的相关实验内容主要包括如下几项：

(1) 多星兼容系统定位精度分析。由于采用多种导航系统，在设置一定的卫星截止高度角的情况下，可见星个数将比任何一种单一导航系统的可见星要多，从而降低DOP值，提高定位精度，DOP值的计算主要包括几何精度因子 GDOP、位置精度因子PDOP、水平精度因子HDOP、垂直精度因子VDOP 和时间精度因子TDOP[10]。

(2) 空间基准的转换。由于各种卫星导航系统采用的空间基准不同，如GPS采用WGS-84坐标系，而COMPASS采用CGCS2000坐标系，因此，如果要将多种定位导航系统兼容进行定位和导航，必须统一到同一个坐标系统下。

(3) 时间基准的统一。与空间基准一样，不同的卫星导航系统采用的时间基准也不相同，必须弄清楚各种系统之间的时间偏差，从而归算到同一个时间基准下，方便各系统的兼容和联合定位。

(4) 多系统综合定位。根据接收到的各导航系统的导航电文信息计算卫星在空间的瞬时位置坐标，然后结合测量获得的用户到卫星的相对距离，利用多球定位原理计算出用户在空间的位置。

2 加强GNSS实验室实验教学队伍建设

随着卫星定位与导航技术的迅猛发展，如COMPASS和GALILEO的逐步完善，以及美国GPS有可能出台新的限制政策影响GPS在国内的正常使用，因此，在这新的时期，实验技术人员作为GNSS实验室重要支撑力量，必须紧跟时代步伐，及时汲取新知识，新方法，更新陈旧知识体系，为培养创新型测绘人才提供保障。学校必须如同GNSS理论教学师资建设一样重视实验教学师资队伍建设，提高GNSS实验技术人员的业务技术水平[11]、从而为实验教学和科研提供保证，努力建设一支数量充足、结构合理、骨干稳定，紧跟时代步伐的高水平实验技术队伍，为培养高素质创新型测绘科技人才提供师资条件。实验教学师资队伍建设主要建议如下：

(1) 不断加强自身素质建设。在掌握专业基础理论和技术的基础上，关注GNSS学科理论的进展，更新自己的知识体系，将最新的信息和方法、进展和成果应用于实践[11]，提高国家自主研发的COMPASS应用能力，鼓励学生发展国内的卫星定位事业。

(2) 政策倾斜。高校应在师资培养、工作条件、职称评聘等方面给予GNSS实验室适当的政策倾斜，保证实验室技术人员的稳定持续发展[12]，转变实验室工作就是教辅的观念，鼓励实验技术人员加入GNSS的科学研究，打破教学实验室与科研实验室界线[2]，从而调动实验室技术人员的积极性。使他们在实验教学中树立既重视理论教学，也注重实践教学的理念，从而确保实验教学质量。

(3) 加强激励。高校要采取奖励和考评措施。每年评选先进工作者，进行物资和精神奖励，树立先进标杆，提高实验技术人员工作积极性。建立绩效考评制度，可以提高实验技术人员工作质量和管理绩效，促进实验室建设和发展[13]。

(4) 交流与考察。高校要组织实验室骨干技术人员到武汉大学、同济大学、中国矿业大学等一流院校测绘专业进行交流、考察，并鼓励参加国内外相关工作或学术会议。

(5) 在职攻读学位。高校应鼓励青年实验技术人员在职攻读学位，并为其创造条件，提高其专业素质，更新其知识体系，从而提高实验教学水平，为高校培养创新型人才打好基础。

我校自2008年开始实施实验教学项目“群星计划”，研究时间为2年，同时，鼓励GNSS实验技术人员参加技术培训，如2010年派技术人员参加了武汉大学刘经南院士举办的CORS系统培训班，学习了网络CORS的发展现状，并学会如何进行网络RTK测量，在同年参加了上海CPGPS卫星定位与导航论坛，了解了GNSS技术国内外的研究热点和发展动态。此外，GNSS实验室与国内外数家知名GPS生产厂家如南方测绘、中海达、合众思壮、北斗星通等仪器公司保持着密切联系，不定期进行技术交流，讨论GNSS仪器的发展动态和方向，了解顶尖端GNSS测绘仪器发展状况。通过这些措施，为GNSS实验室专业技术人员的培养提供了优越条件，大大提高了专业技术水平。

3 结 语

随着GNSS的快速发展，传统的单一依赖美国GPS技术的全球导航卫星系统已经朝着多元化方向发展，实验教学和实验专业人员必须紧跟时代脉搏，才能培养出创新型测绘技术人才[14]，因此针对全球卫星定位与导航技术发展趋势，提出了新时期高校GNSS实验室方建设和发展方向，详细设计了新形势下的GNSS实验室实验项目改革和建设的内容，特别强调了网络RTK实验，COMPASS定位实验和多星兼容系统综合定位实验。由于GNSS实验队伍建设对高素质创新人才的培养担负着重要的使命[15]，提出了GNSS实验室专业技术人员的相应技术水平和专业素质的几种途径，为GNSS实验室的建设和发展、GNSS 实践教学与科学研究提供了师资力量[16]，并为提高学生的动手能力、创新意识和创新能力，培养懂技术、能吃苦、善合作、敢负责的新型测绘人才提供实验基地。

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