试析我国大地测量及卫星导航定位技术的新进展

田雪 赵琴音

摘 要：随着空间及卫星定位技术的飞速发展，各种空间定位技术及应用也愈来愈多。简要介绍了甚长基线干涉测量（VLBI）技术、激光测月（LLR）技术、卫星激光测距（SLR）技术、卫星雷达测高技术、多普勒定轨和无线电定位系统（DORIS）、精密测距及其变率测量系统（PRARE）以及合成孔径雷达干涉测量（INSAR）等空间定位测量技术，重点阐述了GPS新技术及应用。全球导航卫星系统是能在地球表面或近地空间的任何地点为用户提供全天候的三维坐标和速度以及时间信息的空基无线电导航定位系统。

关键词：大地测量；卫星导航定位；地壳运动监测；大地水准面

引言：大地测量学是以研究地球形状与大小为基本目的的地学领域中的基础性学科，是为人类的活动提供地球空间信息的学科。大地测量学与地球科学多个分支互相交叉渗透，为探索地球深层结构、动力学过程和力学机制提供技术支持。近几年，我国大地测量工作有了可喜的进展，在以下几个方面取得了重要成果：坐标系统的建立、维護和更新；卫星定位技术的发展应用；地壳运动监测与大地测量地球动力学研究进展；大地水准面精化研究进展。

一、我国新一代地心坐标系统的建立和维护

大地坐标系是一种固定在地球上，随地球一起转动的非惯性坐标系。大地坐标系依其坐标系原点的位置不同而分为地心坐标系和参心坐标系。地心坐标系的原点与地球质心（包括海洋、大气）重合，参心坐标系的原点与某一地区或某一国家采用的参考椭球的中心重合。由于航天、航空、航海事业的发展，以及现代测绘技术的普遍应用，传统的参心坐标系已不能满足需要。国际上几乎所有发达国家都已采用地心坐标系，我国周边国家大多也采用地心坐标系，我国大地坐标系同样也面临着由参心坐标系向地心坐标系的更新。我国建国以来分别建立了1954年北京坐标系和1980西安坐标系。建成了2000国家GPS大地控制网，完成了全国天文大地网与2000国家GPS大地控制网的联合平差工作，使2000国家大地坐标不仅有明确的定义，而且有高精度的坐标框架具体体现。

二、卫星导航系统发展现状

1.GPS

GPS是在美国海军导航卫星系统的基础上发展起来的无线电导航定位系统。具有全能性、全球性、全天候、连续性和实时性的导航、定位和定时功能，能为用户提供精密的三维坐标、速度和时间。现今，GPS共有在轨工作卫星31颗，其中GPS-2A卫星10颗，GPS-2R卫星12颗，经现代化改进的带M码信号的GPS-2R-M和GPS-2F卫星共9颗。根据GPS现代化计划，2011年美国推进了GPS更新换代进程。GPS-2F卫星是第二代GPS向第三代GPS过渡的最后一种型号，将进一步使GPS提供更高的定位精度。GPS现代化进程包括空间段、地面段和用户段的现代化升级改造，目标是极大地缓解当前GPS存在的脆弱性问题，为全球用户提供高抗干扰、高定位精度和高安全可靠的服务。目前第三代GPS研发工作正在顺利进行，按计划第一颗GPS-3卫星将于2014年发射，整个GPS-3星座计划将用近20年的时间完成，以此取代目前的GPS-2。

2.GALILFO

伽利略卫星导航系统（GALILFO）是由欧盟研制和建立的全球卫星导航定位系统，该计划于1999年2月由欧洲委员会公布，并和欧空局共同负责。系统由30颗卫星组成，其中27颗工作星，3颗备份星。卫星轨道高度为23616km，位于3个倾角为56°的轨道平面内。2012年10月，伽利略全球卫星导航系统第二批两颗卫星成功发射升空，太空中已有的4颗正式的伽利略卫星，可以组成网络，初步实现地面精确定位的功能。GALILFO系统是世界上第一个基于民用的全球导航卫星定位系统，投入运行后，全球的用户将使用多制式的接收机，获得更多的导航定位卫星的信号，这将无形中极大地提高导航定位的精度。

3.北斗卫星导航系统

北斗卫星导航系统是中国自主研发、独立运行的全球卫星导航系统。该系统分为两代，即北斗一代和北斗二代系统。我国上世纪80年代决定建设北斗系统，2003年，北斗卫星导航验证系统建成。该系统由4颗地球同步轨道卫星、地面控制部分和用户终端三部分组成。北斗一代形成的双星定位系统，可向中国境内和台海周边地区提供有源定位服务。为进一步提高北斗卫星导航系统的能力，目前正在进行北斗二代系统的建设。北斗二代系统由5颗同步地球卫星，30颗中轨道卫星组成，其中中轨卫星分布在3个倾角为55°的轨道面上，轨道半径为21500km。到目前为止，已成功将16颗北斗导航卫星发射升空，初步建成覆盖国内及亚大地区的区域性无源卫星导航系统，并计划通过发射35颗北斗导航卫星来实现全球性无源卫星导航系统，拟于2020年前建成这一庞大星座。

三、空间大地测量新技术及应用

1.合成孔径雷达干涉测量

通过装有两个侧视天线或采用重复轨道法，对同一地区采用干涉法记录相位和图像的回波信号，通过一系列必要的后处理，可获得地面三维几何和物理特征的合成孔径雷达。该技术是新出现的卫星大地测量技术，在地学中有多方面的应用，如建立数字高程模型、监测地面形变、监测冰川与河流的运动等。采用D-INSAR技术其形变监测精度可达cm级甚至mm级因此被广泛用于地震监测、火山研究、冰川研究和地面沉降监测等。随着INSAR软件的普及，其应用将会更加广泛。

2.精密测距及其变率测量系统

精密测距及其变率测量系统是德国研制的一种精密、双向（s/x带）卫星跟踪系统。它也是多功能系统，可以测定时钟参数、轨道根数、站坐标和地球自转参数。这一系统也有一个全球跟踪网，包括大约30个自动地面站，其中一个主站、一个控制站和一个校准站。PRARE安置在ERS-1和ERS-2卫星上，用于与SLR定轨结果进行比较，目前还处于试验阶段。

四、卫星定位的发展应用

目前中国的有关机构已经启动了欧盟的伽利略计划的有关研发项目共14项，内容涉及空间段、地面段和用户接收机等。为体现中国在伽利略计划中的合作地位，旨在加强欧盟国与国之间的科研合作而专门制订的欧盟的第六框架计划（FP6）也已向中国的科研机构、大学和高技术企业开放。目前的网络RTK技术主要包括VRS，FKP和CBI三种。不管采用什么方法，其实质都是利用基准站网的数据尽可能准确地模拟或消除用户站处的定位误差，从而提高用户的实时定位精度。由于网络RTK技术使用户不必为作业而独立设置参考站即可实时获得厘米级定位结果，因而该技术迅速在我国得到较广泛的推广。

五、结束语

近年来我国的大地测量工作取得了重要进展，采用新一代大地坐标系已成为刻不容缓的工作，在技术条件成熟的今天，采用新的坐标系仍然要解决大量测绘产品的坐标转换问题。同时，在今后如何维护国家的大地坐标系，使大地参考框架得到及时有效的加密和更新，都需要测绘工作者的不懈努力；在大地测量手段日益丰富和增强的形势下，大地测量与地学的其他学科进行交叉和融合，将会更好地推动地球科学的发展。

参考文献

[1]董鸿闻，武文忠，王晓国，等.论新一代国家大地测量控制网的建立[J].测绘通报，2001，（9）.

[2]魏子卿.我国大地坐标系的换代问题[J].武汉大学学报，2003，28（2）：138-143

[3]杨元喜.中国大地坐标系建设主要进展[J].测绘通报，2005，（1）：6-9.52.

（作者单位：1.沈阳市政集团有限公司2.；辽宁省地矿测绘院）