GNSS系统综述.doc

课程结课大报告报告标题： GNSS系统综述课程名称： 领航学指导老师： 耿增显组员姓名： 邓人博1503050 刘俊1503053 张定鹏1503060 宋晓羽1503056 高永胜1503051完成日期： 2016年4月7日 目录第一章31.1GNSS的前身31.2GNSS系统的演变41.3GNSS系统发展的背景5第二章82.1GNSS系统功能分析82.2GNSS系统定位原理分析82.3GNSS区域导航增强分析112.3.1机载增强系统ABAS112.3.2星基增强系统SBAS112.3.3地基增强系统GBAS12第三章133.1GNSS系统的观测与数据处理133.2GNSS技术的研究进展153.3GNSS全球参考框架17第四章204.1GNSS观测应用方向204.2GNSS观测实例21结束语22第一章GNSS系统组建与发展GNSS系统：GNSS是Global Navigation Satellite System的缩写。中文译名应为全球导航卫星系统。目前，GNSS包含了美国的GPS、俄罗斯的GLONASS（格洛纳斯）、欧盟的Galileo（伽利略）系统、中国的Compass(北斗)，全部建成后其可用的卫星数目达到100颗以上。GPS 已有完整的星座, 是目前应用最广、最主要的系统。随着科技飞速进步, GNSS 观测系统与数据处理技术的发展日新月异, 不断取得新的重大进展。1.1 GNSS的前身GPS的前身是美国军方研制的一种子午仪卫星定位系统(Transit)，1958年研制，1964年正式投入使用。该系统用5到6颗卫星组成的星网工作，每天最多绕过地球13次，并且无法给出高度信息，在定位精度方面也不尽如人意。然而，子午仪系统使得研发部门对卫星定位取得了初步的经验，并验证了由卫星系统进行定位的可行性，为GPS的研制埋下了铺垫。由于卫星定位显示出在导航方面的巨大优越性及子午仪系统存在对潜艇和舰船导航方面的巨大缺陷。美国海陆空三军及民用部门都感到迫切需要一种新的卫星导航系统。为此，美国海军研究实验室(NRL)提出了名为Tinmation的用12到18颗卫星组成10000km高度的全球定位网计划，并于1967年、1969年和1974年各发射了一颗试验卫星，在这些卫星上初步试验了原子钟计时系统，这是GPS精确定位的基础。而美国空军则提出了621-B的以每星群4到5颗卫星组成3至4个星群的计划，这些卫星中除1颗采用同步轨道外其余的都使用周期为24h的倾斜轨道，该计划以伪随机码(PRN)为基础传播卫星测距信号，其强大的功能，当信号密度低于环境噪声的1%时也能将其检测出来。伪随机码的成功运用是GPS得以取得成功的一个重要基础。海军的计划主要用于为舰船提供低动态的2维定位，空军的计划能供提供高动态服务，然而系统过于复杂。由于同时研制两个系统会造成巨大的费用而且这里两个计划都是为了提供全球定位而设计的，所以1973年美国国防部将2者合二为一，并由国防部牵头的卫星导航定位联合计划局(JPO)领导，还将办事机构设立在洛杉矶的空军航天处。该机构成员众多，包括美国陆军、海军、海军陆战队、交通部、国防制图局、北约和澳大利亚的代表。 最初的GPS计划在美国联合计划局的领导下诞生了，该方案将24颗卫星放置在互成120度的三个轨道上。每个轨道上有8颗卫星，地球上任何一点均能观测到6至9颗卫星。这样，粗码精度可达100m，精码精度为10m。由于预算压缩，GPS计划不得不减少卫星发射数量，改为将18颗卫星分布在互成60度的6个轨道上，然而这一方案使得卫星可靠性得不到保障。1988年又进行了最后一次修改：21颗工作星和3颗备用星工作在互成60度的6条轨道上。这也是GPS卫星所使用的工作方式。GPS导航系统是以全球24颗定位人造卫星为基础，向全球各地全天候地提供三维位置、三维速度等信息的一种无线电导航定位系统。它由三部分构成，一是地面控制部分，由主控站、地面天线、监测站及通讯辅助系统组成。二是空间部分，由24颗卫星组成，分布在6个轨道平面。三是用户装置部分，由GPS接收机和卫星天线组成。民用的定位精度可达10米内。1.2 GNSS系统的演变说起卫星定位导航系统，人们就会想到GPS，但是现在，伴随着众多卫星定位导航系统的兴起，全球卫星定位导航系统有了一个全新的称呼：GNSS。当前，在这一领域最吸引人眼球的除了GPS外，就是欧盟和我国合作的“伽利略”导航卫星系统。“伽利略”计划是一种中高度圆轨道卫星定位方案。“伽利略”卫星导航定位系统的建立将于2007年底之前完成，2008年投入使用，总共发射30颗卫星，其中27颗卫星为工作卫星，3颗为候补卫星。卫星高度为24126公里，位于3个倾角为56度的轨道平面内。该系统除了30颗中高度圆轨道卫星外，还有2个地面控制中心。“伽利略”系统将为欧盟成员国和中国的公路、铁路、空中和海洋运输甚至徒步旅行者有保障地提供精度为1米的定位导航服务，从而也将打破美国独霸全球卫星导航系统的格局。按计划，首批两枚实验卫星将于2005年末和2006年发射升空。1.3 GNSS系统发展的背景2003年的欧洲，处处弥漫着反美反战情绪。美国执意执行单边主义外交政策，不顾国际社会反对，悍然发动伊拉克战争，欧洲人感受到了“单极世界”引起的潜在危险。时任法国总统希拉克，主张建立“多极化世界”，他的呼声得到时任德国总理施罗德的坚决支持。在这样的背景下，欧盟决定把中国纳入欧盟2002年就已启动的“伽利略”计划中，中国成为第一个非欧盟的参与国。消息传开，震惊美国。 一直以来，美国的全球卫星定位系统GPS在民用导航领域独步天下，即便同时代有俄罗斯的“格洛纳斯”系统与之竞争，但“格洛纳斯”年久失修，导航卫星残缺不全，早已淡出国际市场，根本不具备与GPS一比高下的能力。欧盟发起的“伽利略”全球卫星导航计划，被认为是结束美国“独霸”局面的最有力挑战。按设计，“伽利略”将一共由30颗“中轨道”和“静轨道”导航卫星覆盖全球，其定位精度超过了GPS，在兼容性和精确度等设计方面也优于GPS。为了打破GPS的垄断地位，“伽利略”的“公共管理服务”系统拟使用的频率故意选择了与美国GPS相近的频率，这样的安排有可能冲淡GPS的频道效果，令美国人坐立不安。 早在几年前，中国在区域卫星导航和定位系统上已有长足发展，2000年相继发射了两颗静地轨道的导航实验卫星，2003年4月又发射了第三颗“静轨道”卫星，基本形成了覆盖全中国的区域导航和定位系统，这一系统被称为“北斗”一号。 当时的“北斗”系统尚属实验开发阶段，其技术参数落后于GPS，也落后于2002年欧盟决定启动的“伽利略”系统，而且更重要的一点是，“北斗”一号只属于区域性，其商用价值并不高。在这样背景下，欧洲人主动“邀请”中方加入全球卫星导航系统，中方欣然受之，双方一拍即合。 欧洲把中国纳入，不仅使欧洲一些国家的领导人赚足了政治资本，也使“伽利略”计划捉襟见肘的财政状况得到极大缓解，更给“伽利略”进入中国诱人的市场打下了基础。2003年底，在中方实际完成了区域导航系统“北斗”一号之后，中欧草签合作协议。2004年中欧正式签署技术合作协议，中方承诺投入2.3亿欧元的巨额资金，第一笔7000万欧元的款项很快就打到欧方账户上。 中国与欧盟合作，既有战略利益也有实际的好处。有人评论，中欧在高端技术上的合作，实质上打破了美国主导的欧洲对华武器禁运，也相当于废弃了针对中国这样特定国家的欧美武器贸易条例（ITAR），为最终从法律层面解除对华武器禁运撕开了一个口子。由于卫星导航在现代战争中扮演越来越重大的角色，美国甚至扬言，美国如感觉受到威胁，则有权击毁“伽利略”卫星。 2005年，“伽利略”首颗“中轨道”实验卫星“GLOVE-A”搭乘俄罗斯“联盟”号运载火箭顺利升空。虽然这只是一颗实验性卫星，并非是要最终布置的30颗导航卫星之一，但“GLOVE-A”的发射，标志着欧盟“伽利略”计划从设计向运转方向转变。 然而，进入2005年，欧洲政治开始转向，之前“亲华”的德国总理施罗德黯然退隐，由来自右翼政党的亲美政治家默克尔担任德国新总理，而法国也进入了领导人交替的时代，希拉克的影响力逐渐下降，亲美政治人物尼古拉萨科齐于2007年开始担任法国总统。 亲美政治人物纷纷上台，给欧盟致力于建立“多极世界”的愿望变得暗淡，欧洲迅速向美国靠拢。在这样的背景下，欧洲航天局与美国“修好”，同意修正之前拟定的与美国GPS相近的发射频率，以便投入使用后产生信号冲突的可能性降至最低限度。但这样的技术重新修正，却花掉了预算之外的一大笔钱。作为回报，美国同意在技术上支持“伽利略”的开发。 恰恰在这个时候开始，欧盟为“伽利略”计划的财政和利益分配吵成一团。也是从这个时候开始，欧盟开始排挤中国。 眼看着投入巨额资金，却得不到与之相称的对待，甚至待遇还低于没有投入一分一厘的其他非欧盟国家，如印度等国，令中国大为不满。中国不但进不到“伽利略”计划的决策机构，甚至在技术合作开发上也被欧洲航天局故意设置的障碍所阻挡，中方除了挂得一个参与人的“好名声”之外，其他一无所得，反而要担负巨额资金投入，这样的“结局”令中方十分不满。 在此背景下，中国开始把注意力转移到沉寂数年的“北斗”系统上。2007年发射的第四颗“北斗”一号导航卫星，替换了退役的卫星，“北斗”系统开始激活。到2007年底，中国成功发射了第一颗“中轨道”导航系统，标志着“北斗”系统在技术和规划上的重大突破。 本来中国诚心与欧盟合作，一开始就定位“北斗”为区域导航系统，给“伽利略”计划留下了毫无保留的施展空间。但是，事与愿违，欧方“骨子里”并没有放弃轻视中国、压制中国的心态，合作不到几年，短暂的“蜜月期”一过，中欧双方就合作开发问题常生冲突，中国抽身离去，留下为经费吵成一团的欧盟各国。 由于实质参与欧洲“伽利略”卫星导航系统受挫，中国决定“单干”。2006年11月，中国对外宣布，将在今后几年内发射导航卫星，开发自己的全球卫星导航和定位系统，到2007年底，有关覆盖全球的“北斗”二号系统计划已经浮出水面。 此时，欧盟还在内耗中没有脱开身。直到2008年4月27日，“伽利略”系统的第二颗实验卫星才升空，此时距上次发射已经有差不多四年时间，这样的进度，比最初的计划推迟了整整五年。 “北斗”二号横空出世，不仅使欧洲“伽利略”系统准备与美国GPS一争高下的愿望大打折扣，也冲淡了“伽利略”未来的市场前景。“北斗”二号在技术上比“伽利略”更先进，定位精度甚至达到0.5米级，令欧洲人深受震撼。另一方面，之前“伽利略”计划的推出，刺激了美国和俄罗斯加快技术更新，新一代GPS和新一代“格洛纳斯”的定位精度等技术指标均很快反超“伽利略”，“伽利略”逐渐丧失了技术相对领先的优势。为转变被动局面，欧洲人别无他法，只有增加财政投入，而此时欧洲航天局为了排挤中国，已经以法律形式规定所有开发资金均来源于欧盟公共资金，这就意味着，要想增大投入，还得在内部无休止地“吵”下去。 欧洲人开始酸溜溜地说，中国“北斗”二号的技术“偷窃”自欧盟“伽利略”计划，这样的无聊之辞已经成为欧洲人自大自负又一例证。出于战略的需要，中国并没有完全放弃与欧盟“伽利略”计划的合作，但这已经不能阻挡中国推出自主全球导航系统的步伐。 按照国际电信联盟通用的程序，中国已经向该组织通报了准备使用的卫星发射频率，这一频率正好是欧洲“伽利略”系统准备用于“公共管理服务”的频率。频道是稀有资源。占得先机的美国和俄罗斯分别拥有最好的使用频率，中国所看中的频率被认为是美国和俄罗斯之后的“次优”频率。按照“谁先使用谁先得”的国际法原则，中国和欧盟成了此频率的竞争者。然而，中国将在2009年发射三颗“北斗”二代卫星，正式启用该频率，而欧盟连预定的三颗实验卫星都没有射齐，注定要在这场“出乎意料”的竞赛中败下阵来，从而失去对频率的所有权。 第二章GNSS系统优势分析第2章2.1 GNSS系统功能分析GNSS代表了导航系统的未来发展趋势，已经作为标准导航设备被纳入到民用航空的范畴。对GNSS的导航性能要求，在航空电信（ICAO ANNEX10）中有明确规定。国际民航组织规定的GNSS作为PBN运行的一种重要导航系统，主要包括美国的GPS和俄罗斯的GLONASS的核心和增强系统。正在建设当中的欧洲的Galileo和中国“北斗（COMPASS）”，国际民航组织计划加入到GNSS系统中，使之得到相应的改进。全球卫星导航系统依靠卫星高效稳定的工作特点，能够实现在航空器的飞行过程中提供进行不间断的高精度定位信息，由于该系统能够提供更好的精度，能有效的缩小航空器运行间隔，最大化利用空域。如果基于GNSS系统建立起RNAV航路则可以允许飞机在任意确定的两点之间以最短的路径飞行，有利于节能减排，提高航班运行效率，增加航路设计的灵活性。GNSS系统将逐步淘汰陆基导航设备，在节省资金的同时，摆脱了陆基设备受地形限制的缺点。目前为止，能够为国际民航提供长期稳定运行支持的星座只有GPS星座。2.2 GNSS系统定位原理分析根据几何理论，通过精确测量地球上的一个站点到三颗卫星之间的距离，就可以依照点到这个三角形的位置来确定。GNSS是根据这个原理对GNSS卫星和用户接收机天线观测之间的距离为基准，根据已知的卫星瞬时坐标，来确定用户接受天线的位置。GNSS定位方法可用于测距定位方法，它是根据无线电波的传播速度是恒定的，传播路径的线性性质，通过测量空间中的电波的传播时间来确定距离差的卫星和用户接收机天线之间的距离差、距离和测量值，再以这些距离差为半径进行三球交汇，根据联立方程求解用户位置。因为卫星时钟难以与用户接收时钟维持严格的同步，受卫星时钟和接收时钟同步误差影响，实际距离观测不是真正的卫星和观测站之间的距离，而是包含距离误差，称此距离为伪距。为了计算实时解算3点坐标分量和1个差分GNSS接收机时钟误差，需要至少四颗卫星的同步观测，下面是根据卫星i(i=1、2、3、4)瞬时位置(Xi，Yi，Zi)、卫星钟差t及四个伪距i来确定用户位置和接收机钟差参数的联立方程表达式：上式有四个未知量，四个未知方程，通过解算即可得用户的位置。GPS的首要任务是精确定位。该系统的定位过程可以描述为：人造卫星在绕地球运行的地表时不断发射编码调制的连续波无线电信号，该信号被包含在准确的发射卫星信号当中，以及不同的时刻卫星在空间的精确位置。卫星导航接收机接收卫星发出的无线电信号，测量信号的到达时刻，计算卫星和用户之间的距离；用导航定位算法解算到用户的位置。1. 伪距法是由接收机产生与接收码相同的本地码，当相关处理使输出最大时，接收码和本地码对齐，测定本地码相对于基准的延迟，可以求出用户到卫星的距离。通常空间某点的位置，可以通过测量它到空中的一些已知位置的距离来得到。假如确定用户的二维位置，就需要三颗卫星和三个距离。在二维的情况下，和一个固定点有恒定距离的点的轨迹是圆，两个卫星和距离能够确定两个点，这时就需要第三颗卫星和距离来确定用户的唯一位置。同理，在三维情况下就需要四颗卫星确定用户的位置。三维情况下，卫星确定的等距离点的轨迹是球体，两球体相交为一个圆。这个圆圈和另一个球体相交于两点。为了确定用户在这一点上，还需要一颗卫星。在GPS系统中，用户可以获取GPS卫星数据的卫星星历数据，用户还可以测量卫星到接收机的距离，并根据卫星的空间布局，用户接收机可以接收四个或更多的卫星，因此可以确定用户的位置。图21伪距定位2. 载波相位法是将载波相位作为观测量，用信号载波波长作为单位进行解算，即由GPS信号二次调制得到。如果射频作为载波，伪码为副载波，其原理是载波相位测量的同时，还要获得伪钟频的相位观测值。3. 多普勒法是利用卫星绕地球运动时待测位置与卫星之间由于相对运动，在待测位置接收卫星信号的多普勒频仪，并据此确定待测位置与卫星距离，最后计算待测位置。载波相位测量方法和多普勒法虽然具有误差小、精度高的特点，但在高动态情况下，特别是航空器运行上，存在实时快速解算整周模糊和周跳问题。要实施动态载波相位技术应用于民用航空仍然有一定的困难。2.3 GNSS区域导航增强分析GNSS星座在实际运行的过程中由于受到多种因素的影响，因此不可避免的会产生运行误差。为了满足空中交通安全的需要，我们必须改善卫星导航的完整性和可用性、精度、连续性，通过空气和服务，卫星地面设施，采用有限差分技术、卫星技术、检测手段等，提高卫星导航系统的整体性能，卫星增强系统已经形成。按GNSS增强系统的组成，可以分为机载增强系统（ABAS）、星基增强系统（SBAS）和地基增强系统（GBAS）。2.3.1 机载增强系统ABASABAS机载增强系统也被称为接收机自主完好性监测系统，结合GNSS信息和机载设备信息和机载设备优化系统，保证导航信号完整性要求。该技术是最常见的接收机自主完整性监测（RAIM）。RAIM用卫星测量范围的冗余探测故障信号（故障检测（FD）并告警飞行员。冗余信号的要求意味着导航的完好性不可能在所需时间内达到100%有效。ABAS的应用还包括飞机自主完好性监视（AAIM）、全球定位系统/惯性导航系统（GPS/INS）等。RAIM算法需要最少有5颗可见卫星，用来检测在给定模式飞行下非常大的位置误差的出现。故障监测与排除（FDE）需要至少6颗星，它不仅用于发现故障卫星，还能将它从导航问题中排除，从而保障导航功能不中断，继续工作。机载增强技术特别有助于改善导航功能的可用性。当没有其他可用的增强系统时，用于航空的GNSS接收机必须具备ABAS功能，以提供完好性监视和告警。ABAS的主要形式为由RAIM算法提供的失效探测。ABAS系统的宗旨是保证定位精度，实现对卫星状态的监控，确保使用健康的卫星进行定位。2.3.2 星基增强系统SBAS在SBAS的覆盖区域内，可以提供一种或多种服务，主要服务功能包括：（1）测距。SBAS和其他增强系统（ABAS、GBAS或其他SBAS）提供测距源，以供使用。（2）卫星状态和基本差分校正。SBAS提供航路、终端和非精密进近服务。不同的服务区域支持不同的运行（如RNP类型）。（3）精密差分校正。SBAS提供APV和精密进近服务（即可能在不同的服务区内支持APV-、APV-和精密进近）。SBAS可以在规定的服务区外提供精确可靠的服务。卫星状态和基本差分校正功能都可用。通过给核心卫星星座和/或SBAS卫星提供坚实和完整性数据，这些功能的性能在技术上足以支持航路、终端区和非精密进近运行。图22 SABS运行效果图2.3.3 地基增强系统GBASGBAS称为地基增强系统，也称局域增强，在机场或其附近本地增强GNSS定位信号的精度和完好性。GBAS可以支持进近和着陆运行，类似于当前ILS支持的进近和着陆，该进近称为GLS系统。GBAS还能增强或支持终端区运行，支持非常精确的飞机定位，该定位不是在规定的进近航路或跑道特有的。典型的GBAS包括地面，机载和空间部分。空间部分包含核心星座（GPS和GLONASS）的GNSS卫星和SBAS提供的可以选择的测距源。GBAS能单独提供基于GPS的增强信号，或许还包括GLONASS和SBAS的增强信息。GBAS也能支持机场场面的多种未来定位和运动意识应用。这些应用和预期的效益包括：数字飞行面板地图显示当前的机场场面，提高机组地面运行的情景意识。在非常低能见度条件下提供机场场面飞机和车辆引导，提高安全性和更迅速、可靠的地面运行。机场场面飞机位置的监视（使用自动相关监视或ADS-B），在任何天气和照明条件下提高空中交通服务供应商情景意识。跑道侵入检测系统，提高运行安全性。最佳跑道出口（ORE）应用，减小跑道占用时间。第三章GNSS系统、观测与数据处理研究第3章3.1 GNSS系统的观测与数据处理近年来正在发展形成多个GNSS系统,这将大大增加观测量,扩大应用领域,更有助于提高各种观测结果的精度。 GPS现代化计划在逐步实施。GPS的地面控 制部分已扩充。为改善民用信号的获取,提高定位精度,2006年9月发射的GPS卫星已在发送新的 L2C信号目前生产的GNSS接收机主要可接收GPS与GLONASS的数据。接收机的观测数据采样率有很大的提高,有的可达50Hz。全球GNSS连续观测站数量不断增加,已有40多个数据采样率为1Hz,且实时传输观测数据的GPS地面连续观测站,可获得近实时观测结果。GNSS观测已由地面扩展到星载观测,特别是低轨卫星观测,为卫星重力测量、对流层和电离层研究提供了新的更有效途径。尽管星载GNSS观测不会直接提高观测结果精度,但会有助于改善一些改正模型(如对流层延迟模型和电离层延迟模型等),间接提高观测结果的精度。 GNSS数据格式标准化是GNSS数据交换和处理中的问题之一。近几年来不仅已有的数据格式,如RINEX推出了新的版本,以适应GNSS观测数据内容的变化与发展,同时还推出一些新的数据格式,如电离层数据、对流层数据、地球自转参数、钟差数据、卫星与接收机天线等数据的格式。从GNSS数据格式标准化及其发展,可以看出,采用(压缩)数据文件是GNSS数据存储,并加以管理的主要方式。GSAC(无缝文档中心)则实现许多数据的网上一站共享。 GNSS数据处理软件在自动化、高精度、快速甚至实时处理多系统观测数据方面取得重大进展。GNSS数据处理软件一般都包括两个基本部分,第一部分为原始观测数据处理,第二部分为利用前一部分的计算结果作综合解算。两部分既有不可分割的联系又有较大的相对独立性,像QOCA软件就只作综合解算。第一部分主要体现GNSS原始观测数据处理技术水平,而第二部分则主要体现空间大地测量理论和综合数据处理水平。两部分软件的发展和改进是齐头并进的。通过SINEX格式的文件,一些软件可以综合处理其他软件的计算结果。对于精度要求最高的地壳运动或其他研究,一直采用相位观测值为基本观测值,通过后处理求解高精度计算结果。一般说来,根据定位计算的方法,GNSS数据处理软件分为:精密单点定位(PPP)软件(如GIPSY软件4.02版),双差定位(DD)软件(如GAMIT软件10.3版)和同时具有这两种功能的软件(如BERNESE软件5.0版)。 长期以来初始相位模糊整周数的解算制约了GPS数据处理的速度与精度。美国内华达雷諾大学GeoffBlewitt教授提出了PPP算法中快速解算初始相位模糊整周数的方法,研制了AMBIZAP解算软件,此软件与GIPSY软件相结合大大地提高了GPS数据处理的速度,并在一定程度上提高了计算结果的精度。例如,此方法用一个CPU处理98个连续观测站的数据只需7min(而常规的GIPSY处理需约22h),用40个CPU时仅需15s,用40个CPU处理1000个连续观测站只需7min。雷诺大学用40个CPU,只花了7天时间就处理了包括IGS全球网及多个区域GPS网自1994年以来的海量观测数据。处理测站坐标的日重复精度约3mm。此方法可用来处理3000个站的GPS巨型网(MegaNetwork)。新一版的GIPSY软件将融合AMBI2ZAP。这是近几年来GPS数据处理技术的一大进展。实际上在用PPP方法处理时已无需所谓网0的概念。AMBIZAP解算初始相位模糊整周数的方法也可用于双差处理软件,也会大大提高数据处理速度。 不同的软件各有所长。上述软件都不仅仅得到地壳运动结果,还可得到有关对流层和电离层等的信息。对于观测研究地壳运动而言,双差定位软件仍有明显的优势,即处理得到的点位精度高,但同时处理的站数受限。精密单点定位软件可逐站分别处理,计算工作量只随测站数线性增加,可直接得到最为丰富的信息,对于不少应用有其优势。精密单点定位软件可以方便地得到所采用的参考框架中cm量级的近似坐标,这对进一步的精化计算地壳运动结果十分有利。因此,同时具有精密单点定位和双差定位功能的软件又有其优点。已有软件可以作单历元相位观测值计算,用于观测研究大地震震中附近的较长周期的地震波,并得到了实际观测结果。利用星载GNSS观测确定卫星轨道,特别是低轨卫星轨道,是GNSS数据处理软件功能的重大扩展之一,因此,一些GPS分析中心正在拓展卫星重力研究。 3.2 GNSS技术的研究进展在GNSS数据处理软件中一些误差源改正模型一直在不断地得到精化,取得一些新的进展。如采用新的海洋负荷改正、大气负荷改正、大气延迟改正模型,其中大气延迟改正模型是通过对全球数字化气象信息分析得到的映射函数(如VMF(维也纳映射函数)、GMF(全球映射函数)等),采用绝对标定的卫星与接收机天线相位中心改正,对有接收机天线罩的接收机采用专门的改正模型,即使是同样的接收机其天线罩不同,改正也可能不同。对不同软件计算结果的比较说明,同以前的改正相比,这些精化的改正量值一般为mm量级。这些精度更高的改正模型是多学科研究融合的结果。 随着GNSS数据处理技术的发展,IGS(国际GNSS服务)分析中心产品的种类增加,精度不断提高,提供数据的滞后时间逐步缩短。IGS分析中心可提供GPS精密星历,包括可在17h后提供快速星历(rapidorbit),在3h后提供超快速星历(ultrarapidorbit)和在2周后提供精度最高的最终星历(finalorbit)。前2种快速星历中都有预报星历,可用于实时定位等实时数据处理。最终星历的精度可达4cm以内,2种快速星历的精度已可达5cm,而预报星历精度也可达10cm。IGS数据处理中心提供每周、每日各站的点位坐标,利用积累到此前的计算结果,每周更新各站各坐标分量的线性速率。每日各站的点位坐标水平分量精度可达1mm,垂直分量精度达3mm,而由于很多站观测时间较长,各坐标分量的线性速率均非常高。此外,IGS分析中心还提供各站的对流层延迟,每5min或每2h提供全球电离层TEC(总电子含量)数据并给出全球分布图,提供每5min或每30s各IGS观测站接收机和各GPS卫星钟差等。除了各种专业的应用外,这些数据都有助于用户处理GPS原始观测数据。坐标系统是大地测量确定并描述观测站点的位置及其运动的最基本的条件。按一定的要求选择并测定一些站的坐标及其运动,由此形成参考框架,在此基础上即可建立并确定坐标系统。这些站就是框架站或核心站。框架站不仅是坐标基准,也是描述地壳运动位移的一种基准。参考框架问题涉及多个学科,始终伴随大地测量的发展而演化与发展的,因此,参考框架同样经历不断改进完善的历史发展过程。国际上对全球和区域参考框架的研究在经历了一段相对的停滞后,研究越来越深入。 旋转椭球体面是确定和描述观测站水平和垂直位置及其运动的参考面。显然,定位与定向绝对不变或稳定的旋转椭球体可消除或减小旋转椭球体定位和定向对投影于椭球面的水平运动,特别是垂直运动(时间序列)的影响。由于地球不是刚体,地壳是不停运动的,加之观测误差,理想的参考框架或理想的坐标系统,即某种绝对不变的坐标系统,或取定位与定向绝对不变的旋转椭球体,是不可能实现的。只可能通过不断测定坐标框架站的坐标,建立在尽可能长的时期内保持稳定的坐标系统,同时维持定位和定向稳定的旋转椭球体。参考框架具有相对性、一定的模糊性或不确定性和动态性,这是认识框架问题的要点。由于地壳运动,使得参考框架问题变得非常复杂,成为一个需要不断研究与维持的动态问题。按一定标准建立运行连续观测站是维持参考框架的唯一有效途径,而对GPS等连续观测站坐标分量时间序列的分析研究已成为维持全球参考框架的基础研究和日常工作。 GNSS是一种全球性的观测技术,数据处理中采用全球一致的GNSS卫星星历,首先在全球参考框架中得到观测结果,因此GNSS观测与数据处理离不开全球参考框架。首先必须了解全球参考框架,才能恰当地处理与使用GNSS观测结果,对精度要求高的用户尤其如此。 由于GNSS观测与数据处理技术的不断发展,特别由于地壳的运动,全球参考框架曾不断更新。例如,从GPS的WGS72、WGS84框架到全球多种空间技术、高精度的ITRF框架。WGS84从G730、G873演化到接近ITRF的G1150(730、873和1150为GPS时间系统中的周数)。ITRF从ITRF94发展到当前的ITRF2005,核心站数从7站发展到139站。IGS框架(基于ITRF但更适合GPS的参考框架)从IGS97、IGS00、IGb00发展到现今的IGS05(或IGT05)。 3.3 GNSS全球参考框架从上世纪90年代以来,ITRF(国际地球参考框架)参考框架是由一组某(初始)时刻的坐标及其线性运动速率的观测站构成的,主要顾及板块水平运动线性速率,但同时给出垂直运动的线性速率。早期这些站的水平运动速率是完全依据地质和地球物理方法建立的板块运动模型得到的,后来则根据GPS等实际观测结果并结合板块运动模型确定的。显然,线性速率模型是最简单的运动模型。这种由一组给出在某时刻的坐标及其线性运动速率的观测站构成的参考框架是一种(地心)长期参考框架(longtermreferenceframe) 。目前GPS采用 的全球长期参考框架为ITRF2005,更确切地说是IGS05。ITRF参考框架是综合利用多种空间大地测量技术得到的最高层次的全球框架,它主要由SLR确定地心坐标,主要由SLR和VLBI确定坐标系统的边长尺度,由天文方法确定自转轴。IGS参考框架以ITRF参考框架为基础的与GNSS观测系统一致的参考框架,是第二层次的全球框架。不同时期参考框架采用的椭球体形状与大小是一样的,一般采用WGS84旋转椭球体,但也有用ITRF旋转椭球体(即GRS80椭球体)的,这两种旋转椭球体的差别很小。 大量的GPS观测站坐标分量的时间序列表明,全球参考框架中得到的许多观测站的坐标是随时间而变化的,而且很多站,包括IGS框架站的垂直运动,甚至水平运动,是非线性的,许多站有幅度达几厘米的年周期垂直位移。IGS的分析中心早就给出了全球网每月、每周,甚至每日的坐标解,给出了各观测站的坐标分量时间序列,也即得到各观测站的运动。IGS每周的计算结果中有框架站的周解,得到周参考框架(weeklyreferenceframe)。周参考框架是一种反映框架站实际的可含非线性地壳运动的短期框架。周解的精度高于每日解的精度,而反映地壳运动的周期短于每月解,特别对于GPS卫星定轨、研究地壳运动等更有实用意义。框架站周解时间序列,特别是坐标分量时间序列线性拟合度的优劣是参考框架长期稳定性的一个重要的指标。所有GNSS观测都必须同框架站直接或间接联测,并与全球网的周解综合获得实际的观测结果。 采用精密单点定位(PPP)的方法由GPS卫星的星历可实现所谓的瞬时参考框架(instantane2ousreferenceframe)。 长期参考框架、周参考框架和瞬时参考框架是密切相关,但又是有不同时空效果的3种主要的框架。GNSS精密数据处理中首先得到的是所谓的无基准解,其主要特点是解中所有点构成的几何图形最接近于实际地面点构成的几何图形,且是唯一的,但此图形在坐标系中的定位和定向是多解的,不同日期各点的空间坐标是无序的,不可能对应于稳定的椭球面,因而不可能恰当地描述地壳运动。无基准解必须以长期参考框架为基础,通过相似变换形成一种稳定、有序的解,其中的框架站的周解就构成周参考框架。这是保持周参考框架稳定性最简单而可行的方法。由于地壳板块的水平运动及GPS观测站的年周期垂直运动一般都比较缓慢,同一站相邻两周的位移约为12mm。由GPS卫星星历实现的所谓瞬时参考框架则以精度高的短期(周)参考框架为基础,这是因为GPS卫星定轨以精密的(归算到地心的)框架点精密坐标为基础的。(精密)星历是所有GNSS原始观测数据处理中都必须用的。 长期参考框架使用期的长短,除了同所选的框架站的分布和数量等有关外,只能根据地壳运动的状况而定,特别取决于框架站(速率)的稳定性。不同时期的框架的差别主要为:精度不同,采用的框架站的数量与分布不同,所采用的框架站的坐标的历元和速率不同。速率的不同不仅是由于框架站(即位移基准)数量和分布不同,更主要的是实际的运动速率有改变。ITRF2005(或IGS05,或IGT05)与此前的框架的差别还在于,它是通过对连续观测站坐标分量时间序列的分析得到的,IGS05采用了139个框架站,剔除了ITRF2000中受2004年12月26日印度洋9.3级巨大地震影响大的观测站。由于全球GPS连续观测站的数量不断增加,越来越有利于框架站的选择。ITRF2005坐标和速率定义的初始历元却仍是2000年1月1日。在实际计算IGS的解时,未必总能使用所有的框架站,常常会少于所选的站数,即便如此,由于目前框架站数量多,实际采用的框架站数量的变化对全球框架解的时间序列无明显影响,在不同框架解的衔接处一般无显著变化。就投影而言,不同的ITRF参考框架对水平位移影响不大,对垂直位移影响则有可能较为显著。 除了全球参考框架外,区域参考框架(或基准)研究也取得了新的进展,其中最突出的是EUREF与SNARF。全球与区域参考框架中的坐标或位移可通过相似变换相互转换。区域参考框架研究,不仅由于区域地壳运动研究的需要,也是区域大地测量的需要。首先,全球ITRF框架中的结果,不宜于解释(区域地壳运动)。其次,对于全球许多地区全球框架中的坐标总是在变化,且对不少地区变化速率较大,不宜于区域大地测量结果的使用。而采用稳定地区的(稳定点组)参考框架,对这两方面的问题都是有利的。SNARF根据位移速率,选取了美国东部一组25个稳定的GPS站作为区域参考框架站。此外,研究表明,通过相似变换从全球参考框架的坐标或位移解得到区域参考框架的坐标或位移解,相当于作滤波,消除区域内共同的误差,因此,区域参考框架中的坐标分量或位移时间序列的误差水平优于全球框架结果的精度水平,约可提高精度23倍。对于垂直位移,区域参考框架可消除不同时期局部椭球面之间的平行间距,垂直分量时间序列的精度的提高更明显,区域越小越显著。但对于垂直位移,区域参考框架仍不可消除不同时期局部椭球面之间的不平行性,区域越大其影响也越大。 尽管不同时期的参考框架之间有相似变换关系可以相互转换,IGS分析中心也给出了相应的相似变换参数,但转换结果是否有实际意义还必须根据实际资料作具体分析。例如,把早期ITRF框架中站点的运动速率可以转为ITRF2005中的速率。但由于地壳运动速率可能发生改变,这些速率不一定就是ITRF2005中当前的运动速率,且早期计算结果受观测资料的限制精度一般明显低于新近观测计算结果,有的ITRF2005框架站在早先的ITRF框架中还不存在。第四章GNSS观测成果GNSS观测研究地壳运动的优势早已为地球科学工作者所认同,一些观测结果也得到广泛的应用,这方面的资料极为丰富。不仅得到许多站点的水平和垂直位移的线性速率,还有许多连续观测站地壳运动的时间序列结果,更清楚地反映地壳运动的非线性过程,不仅得到全球的观测结果,还有很多区域性的观测结果。 第4章4.1 GNSS观测应用方向建立连续GNSS观测台阵,研究GNSS观测得到的时间序列是目前GNSS观测研究地壳运动的主要发展方向。时间序列的研究方法极多,主要涉及频谱分析、滤波、误差分析、与各种现象的相关分析(如主分量法