全球定位系统(GPS)的最新进展

【摘要】 首先分析了GPS观测的主要误差源。其次，叙述了 空基(星载)GPS的科学应用，其中TOPEX和MicroLabe任务都是成功的范例。关于GPS对于气象学的应用(GPS/MET)方面，比较详细地介绍了地基GPS/MET和空基(星载)GPS/MET的最新进展 ，二者处于GPS的最新进展的前沿。? 

1 概述? 

作为现代地学研究工具的GPS，经过了20世纪80年代10个年头的试验研究，90年代初出现了 利用GPS的精密大地测量，此后它的全球应用呈现生气勃勃之势。详细列举GPS的应用领域是 比较困难的，总的说来，可以分为一般应用和科学应用两个方面。如以10cm～1m的精度为逼 近机场的飞机导航和海岸船只领航，协调公路和铁路运输，为城市车辆导航，为普通测量、 城市测量和工程测量提供控制及一些政府职能部门的专业测量，属于GPS的一般应用。GPS大 地测量在科学应用方面，包括了地学的广泛领域，如地壳构造学、地球自转、海洋学、地震 学、冰川学、气象学、全球气候、水文学和生态学等。所以说GPS是现代地学的研究工具。 ? 

GPS用于测定地球自转参数的结果，证实GPS的应用不限于区域范围，用于全球可以与其它空 间大地测量技术媲美。全球GPS网测定地球自转参数的精度与VLBI和SLR的相同。具有稳健全 球覆盖的GPS网，同VLBI和SLR一样，可以经常提供地球自转信息，达到了半日的分辨率，而 费用比VLBI和SLR低得多。? 

GPS在估计目前全球构造运动和保持全球参考标架中起着主导作用。GPS用于监测区域地壳形 变最为理想，特别是沿着板块边界和形变模式复杂的区域。这不仅是因为它的应用的灵活性 ，而且是因为它的直接测量结果是相对运动，而相对运动正好是人们研究的对象。在这一方 面，GPS大地测量阵列(PGGA)起到了脊梁的作用。? 

美国NASA/JPL一直在处理GPS数据，由此得出了每一GPS站的对流层天顶延迟，并作为其副产 品。这种数据在消去了与地面气压成比例的对流层干延迟之后，残余的湿延迟是对流层水汽 含量的函数。这种湿延迟提供了全球30个GPS站历时两年的大气层可降水汽接近于连续的估 值，可以用它来研究作为地理和区域气候之函数的水汽的周日变化以及季节变化。根据某一 时期的水汽变化可以研究气候的变化。? 

由于GPS观测可以提供大气层水汽精确的全天候测量结果，美国于1993年在中部地区布设了 一个GPS网，实施一项所谓GPS?STORM计划，探索GPS观测结果在气象学中的应用。将此网的 GPS观测结果同由水汽辐射仪(WVR)结果推算的可降水分作了比较，两者之间的符合度是1-2m m。在雾、露、雨等足以降低WVR性能的条件下，GPS观测结果仍然可靠，其时间和空间尺度 比目前无线电探空所能提供的要精细得多。如果由地面GPS站所得的可降水分的估值能在实 时后1～2小时内提供给气象部门，对气象学就很有价值。于是出现了地基GPS/MET (Earth b ased GPS Meteorology)。? 

由于GPS硬件价格迅速下降，卫星上自动定位、授时和姿态测定的需要日增，人们普遍认为 ，对今后的低轨道卫星来说，GPS接收机是必需的工具。因此，地面基准GPS接收与星载GPS终于实现了机协同工作，它有两类用户：一类是用于GPS导航，只需要中等质量的 接收机；二是用于科学目的，要求高质量的双频接收机。? 

第一次星载GPS的科学应用是支持T/P海洋测高任务，获得了四方面的成就：第一，提高了定 轨精度；第二，精化了全球重力场模型；第三，把一般的差分GPS技术发展成为全球差分GPS 技术；这一概念是NASA/JPL提出的；T/P的差分GPS系统是由全球GPS跟踪网中的少数测站、 一台星载GPS接收机、GPS全星座和一个分析中心组成；第四，进行了高—低模式的卫—卫跟 踪试验。星载GPS用于支持T/P任务的成功，为今后更有雄心的空间大地测量任务铺平了道路 。? 

利用GPS可以探测大气层的各不同部分，视GPS数据的获取方式和处理方式而定。在典型 的地面GPS接收机的布局中，可以推断边界层(高度0-1km)水汽的水平分布和对流层(高度0-1 0km)总可降水汽含量。如果把GPS接收机放在低轨道卫星上，就可以分辨平流层和中间层下 部 (高度10-50km)以及更低处的温度结构。由GPS两种频率观测结果之差，可以估计电离层(热 层 下部，高度80km)中的离子含量。低轨道卫星上的GPS接收机，可以克服到达热层的困难，现 场间接测定温度和密度。利用低轨道卫星上的GPS接收机探测大气层和电离层，也称为对大 气层和电离层进行遥感，因为这时接收机的作用同遥感器一样。? 

NASA/JPL的一个研究组建议利用一载有GPS接收机的低轨道微卫星，于GPS卫星上升和下落之 间在大约5km和30km的高度范围内(掩蔽区)进行观测。这时低卫星上的接收机与GPS卫星发射 机之间的电联系掠过掩蔽区时，信号路径将发生弯曲，这种弯曲可以转换为掩蔽区大气折射 本 领的垂直剖面。在对流层的下半部，由于水汽的含量高，可由折射本领求出精确的水汽剖面 。这就是星载(或空基)GPS/MET的概念。由于GPS卫星是在地球边缘上升和下降，这一技术称 为临边探测(Limb Sounding)。由于所观测的是水汽朦胧的对流层下半部，低卫星接收机与G P S卫星发射机的电联系线称为在对流层受到掩蔽，这种观测方式也称为无线电掩蔽(Radio Oc cultation)技术。? 

为了对NASA/JPL的建议进行试验，美国于1995年发射了一颗载有GPS接收机的微卫星MicroLa b-1。试验获得了成功，又一次证实了星载GPS用于科学目的的潜力。这是今后若干年内GPS 的主要发展方向。? 

空间大地测量的崛起，使传统大地测量发生了巨变；而空间大地测量中以GPS的应用最为广 泛，它的贡献也最大。令人遗憾的是，GPS是受美国军方控制的，对GPS卫星所施加的SA措 施，为GPS的科学应用制造了不少麻烦，引起了全球科技界的强烈不满。因此，国 际上采取了对策。首先是俄罗斯于1989年初开始建立全球导航卫星系统(GLONASS)。如前文 所述，在该系统接近完成时，1998年9月至1999年4月进行了国际GLONASS实验，由欧洲GPS定 轨中心负责所有运作的GLONASS卫星的精密轨道计算。经与SLR的观测结果比较，证实GLONAS S卫星轨道精度达到了20cm。另一方面，欧洲也在计划建立称为GALILEO的欧洲卫星定位系 统。这些都是对美国GPS的挑战。? 

在国际竞争的形势下，白宫于1996年3月预告了克林顿总统的决定，据说将在4～6年以内停 止 对GPS卫星施加SA措施。2000年5月1日正式宣布这一决定。但有保留条件：当国家安全受到 威胁时，在某一个基本区上可以有选择地节制GPS信号。这种区域性节制导航服务的方法是 通过SA技术”。? 

美国海军于1995年7月把GEOSAT/GM测高数据全部解密，是在欧洲的ERS-1足以与GEOSAT/GM 抗衡，而且公开供国际地学界从事科学研究之用的情况下，迫于形势，不得不采取的行动。 因此，美国军方停止干扰GPS，不是什么善举，而是竞争的结果。? 

目前GLONASS已有了精密轨道，欧洲的GALILEO(European Satellite Positioning System) 正处 于整个系统的设计阶段。美国从GPS所获的收益是可观的，为了保持和加强它的竞争力，GPS 将要进行现代化改造，主要是要增加8颗另外的卫星，其中有些已作了发射准备，有些正在 生产中。GPS、GLONASS和GALILEO合称为全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,缩写为GNSS)，IAG宣称它们在大地测量学和地球物理学所有领域中都将获得广泛的 应用。? 

2 GPS大地测量的误差源? 

进入20世纪90年代，GPS大地测量有两大发展：其一，常规的差分GPS发展为广域差分GPS， 进而又发展为空间差分GPS。其二，GPS大地测量阵列(PGGA)的大发展；日本PGGA包括的测站 数超过了1000个，为全球之最；美国加州南部的PGGA已成为该地区密集的整体网的骨架，很 快将包括250个站。但是，GPS大地测量的数据受到多种复杂误差源的污染，而且这些观测误 差很少服从正态分布。即使有些特定的减小观测误差的措施得到了广泛应用，例如各种各样 的差分 GPS方法，但在某些环境下，仍然存在某些模式的观测误差，例如在监测露天矿井的多路径 延迟误差和处理长基线的残余电离层折射误差。以下讨论GPS观测的一些主要误差源。? 

2.1 多路径误差? 

在GPS大地测量中，多路径带来的后果比通常想象的小。常设GPS站上双频相位拟合后的均方 根 残差一般小于5mm，虽然在恶劣的环境下峰值可以达到了3cm或更大。这说明相位观测值所受 到的影响比较小。多路径信号规则的波动，连同长积分时间，可以把多路径误差减小到不足 重 视的程度。J.Genrich指出，一个站上观测30分钟，通常可以使多路径误差小到亚mm；观测1 0分钟，即使在困难条件下，也足以保持1mm的质量。在迅速静态和动态GPS定位中，要求在 有反射的环境下得出短期解，最易受到多路径延迟的影响；在短距离的双差GPS观测中，多 路径延迟成为主误差源。为了消减瞬时多路径误差，人们偏重于抑制测站上的反射，少数研 究偏重于设计信号处理技术，使其对于达到接收机的反射的敏感度为最小。在短距离双差GP S观测的情况下，减轻多路径误差的主要困难，在于如何建立模型；由于这种误差是许多反 射信号的混合，利用现有的参数方法很难建立模型。最近10年来发展了半参数模型，它是一 种新的数学工具。在此模型中，多路径误差可以认为是一种复杂函数，利用penalised最小 二乘原理，同时估计函数和其他参数(例如站坐标)。试验结果表明，多路径误差可以消减到 接收机噪声的量级。? 

2.2 对流层路径延迟? 

对于比1cm更长的所有无线电波，对流层折射影响是一样的，所以GPS和VLBI观测结果受到同 样影响，产生路径延迟。这种影响是不能直接在无线电系统中消去的，限制着GPS观测的精 度，特别是高程的精度。? 

对流层路径延迟分为干延迟(流体静力延迟)和湿延迟(水汽延迟)；前者对于气压最敏压，后 者对于对流层水汽含量最敏感。利用微波水汽辐射仪(WVR)，可以测量水汽含量，据以计算 湿延迟。天顶干延迟约为2m；利用标准大气模型，由气压数据易于把它求定到1mm。? 

为了将天顶延迟换算为视线方向的延迟，需要利用映射函数(Mapping function)。干延迟对 于流体静力平衡的差异，导致天顶延迟模型不精确；在某些动力情况下，误差可以达到几毫 米。这种对于对流层静力平衡的差异有一个相关长度，当基线长超过了相关长度时，延迟误 差将使位置水平分量产生几毫米的误差，高程分量误差更大。? 

湿天顶延迟由5cm(在干冷条件下)至50cm(在热带条件下)。水汽不是处于流体静力平衡，由 现场气象观测推算总水汽延迟是行不通的。因此，对流层水汽成为GPS和VLBI观测的主要误 差源。处理对流层水汽问题目前可行的技术有二：一是把天顶延迟作为随机过程来建立它的 模型；二是利用WVR进行检校。由于水汽延迟模型不精确或WVR检校不精细引起的基线水平分 量误差由几毫米到1厘米，这取决于所采取的措施、局部气象条件和基线长度。在这样的量 级上，水汽的相关长度在许多地区都在100km以内。高程分量的误差是水平分量的3倍。随机 模型估值与WVR观测作了比较，两者的符合度为8-15mm。利用WVR时，要指向GPS卫星，随机 天顶延迟估值的能力，几乎使无指向的WVR数据失去了价值。指向GPS卫星的WVR数据，其50k m基线上高程分量精度比只用随机估计改进了40%。但WVR的高价格可能限制它的应用。V.M endes等人比较了14种天顶延迟映射函数，发现当高度角在20°以下时，它们之间有显著的 互差；为了鉴别在不同测站和不同季节最适宜的映射函数，需要作进一步研究。? 



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