全球导航定位系统GNSS的技术与应用

季宇虹,王让会

(南京信息工程大学环境科学与工程学院,江苏南京210044)

0 引 言

全球导航定位系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)泛指全球导航卫星系统,它包括利用美国的 GPS、俄罗斯的格洛纳斯(GLONASS)及欧洲正在研发中的伽利略(GALILEO)和我国的北斗(BEIDOU)等卫星导航系统中的一个或多个系统进行导航定位,并同时提供卫星的完备性检验信息(Integrity Checking)和足够的导航安全性告警信息[1-3]。

全球卫星导航系统具备全天候连续提供全球高精度导航的能力[4]。GNSS能满足运动载体高精度导航的需要外,还能服务于高精度大地测量、精密授时、交通运输管理、气象观测、载体姿态测量、国土安全防卫等多个领域。现今从军用的导弹、战机和军舰到民用的汽车、飞机、个人电脑乃至手持式通信设备,几乎处处都能用到卫星导航定位技术。

由于全球卫星导航系统具有政治、经济、军事等多方面的重要意义,许多国家都在竞相发展全球定位卫星系统。随着研究和应用的不断深入,GNSS已经成为全世界发展最快的三大信息产业之一[5-10]。

1 GNSS的发展

20世纪70年代美国开始研制GPS,历时20年,耗资300亿美元,于1994年全面建成[5]。经历了三个阶段:第一阶段从1973年到1979年,为方案论证和初步设计阶段,美国共发射了4颗试验卫星,同时研制了地面接收机及建立地面跟踪网;第二阶段从1979年到1984年,为全面研制和试验阶段,又陆续发射了7颗试验卫星,研制了各种用途的接收机。第三阶段为实用组网阶段。1989年2月4日第一颗GPS工作卫星发射成功,表明GPS系统进入工程建设阶段。1993年底实用的GPS网即(21+3)GPS星座全面建成。

现今,美国正加速实施新一代的GPS-Ⅲ计划,GPS-Ⅲ将改变原有的GPS体系结构[6]。卫星的分辨率比目前卫星高10倍,设计寿命为15-20年,GPS-Ⅲ的抗干扰能力比现有GPS系统提高了100～500倍,并采用了最先进的加密技术(高功率点波束军用M码)。美军预计将用20年时间发射24颗这种新型卫星,替代目前的24颗旧的GPS系统的卫星[5]。负责GPS-Ⅲ的洛马公司团队已按计划于2009年6月成功完成初始设计评审,之后将进入关键设计评审阶段[7]。GPS-Ⅲ将改进定位、导航和授时服务,并提供先进的抗干扰能力,获得较高的系统安全性、准确性和可靠性。依据2008年5月签署的30亿美元的开发与生产合同,洛马团队最多将建造12颗GPS-ⅢA卫星,首次发射计划将于2014年进行。

俄罗斯、欧盟和中国等国考虑到国家安全、战略发展以及GPS市场前景,于上世纪纷纷着手建立自主的全球卫星导航定位系统并开展了与之相关的应用研究。

20世纪80年代初前苏联开始建设格洛纳斯GLONASS(Global Navigation Satellite System)系统,1982年初发射首颗卫星,1995年成为拥有24颗卫星(21颗运行,3颗备份)的完整系统,正式具备完全工作能力[8]。早期的GLONASS卫星寿命只有3年,而俄罗斯在20世纪90年代后期由于经济窘迫,长时间没有补充卫星,导致卫星数目不断减少,系统性能急剧衰退。1998年2月仅剩下12颗卫星,到2000年情况最严重时只剩下6颗卫星。对此俄政府在本世纪初制定了“拯救GLONASS”的补星计划。从 2000年起,每年年底在Baikonour发射场用质子号火箭以“一箭三星”方式发射3颗卫星。此外,从1999年开始,俄罗斯陆续向GLONASS星座注入了两代寿命更长的新卫星,这两代卫星一般都称为GLONASS-M卫星。1999-2002年发射的GLONASS-M卫星寿命为5年,2003年以后发射的GLONASS-M卫星寿命为7年。GLONASS正在逐步进入恢复阶段,截止到2009年12月,在轨运行GLONASS卫星已达19颗,已满足覆盖俄罗斯全境的需求,预计将于2011年恢复到24颗星的额定状态。此外,GLONASS也在开展现代化计划,在2010年发射其利用CDMA编码的GLONASS-K,实现与GPS/GALILEO在L1频点上的兼容与互用,其现代化计划预计在2017年完成,星座卫星数量达到30颗[9]。

1999年初欧盟提出伽利略GALILEO计划。2002年3月,正式启动了GALILEO计划。欧洲航天局在2005年12月27日发射了第一颗GALILEO演示卫星,这标志着欧洲的全球卫星导航系统的开发工作迈出了第一步。根据2008年4月通过的欧洲GALILEO全球卫星导航系统的最终部署方案,GALILEO计划将分两个阶段实施,即2008年至2013年的建设阶段和2013年以后的运行阶段。欧盟将在建设阶段出资34亿欧元,用于完成GALILEO计划的空中和地面基础设施建设,其中包括30颗卫星的发射。建成后将与GPS在L1和 L5频点上实现兼容和互用。GALILEO计划是迄今为止欧洲将要开发的最重要的航天计划,是世界上第一个基于民用的全球卫星导航系统,是以欧盟为主并联合中国在内的多国共同研发的国际合作项目[10]。

1983年我国开始筹划建设自主卫星导航定位系统,1994年开始建设“北斗一号”双星卫星导航系统,并于2003年建成。由于“北斗一号”为双星定位,且设计初期是一个试验系统,所以不能满足民航机场终端区飞行运行的要求,尤其是精密定位的要求。2006我国开始建设“北斗二号”(Compass)导航卫星系统。“北斗二号”系统的建设分为两个阶段:第一阶段建设区域导航卫星系统(二代系统一期工程),计划由5颗GEO卫星、4颗MEO卫星和3颗IGSO卫星共计12颗卫星组成,主要覆盖中国及周边区域,实现区域导航定位服务,计划于2010年建设完成,功能将于美国GPS相当;第二阶段建设全球导航卫星系统(二代导航二期工程),计划由 3颗GEO卫星、3颗IGSO卫星和24颗MEO卫星组成,可以覆盖全球并提供导航定位和短报文通信服务,定位精度优于10 m[11]。

2 GNSS的技术

2.1 差分定位(DGPS)技术

差分定位技术通过计算伪距测量值与卫星到参考站的几何距离差确定测量的“偏差”,从而减少观测值中的误差来获得较高的精度。DGPS有2种不同的类型:

1)局域DGPS(LADGPS)

局域DGPS只使用一个参考站,向附近的用户发送标量改正数或原始观测值,定位精度能好于10 m,但 LADGPS作用范围在150 km之内[12]。

2)广域DGPS(WADGPS)

广域DGPS则克服LADGPS应用受距离限制的缺点,满足更大范围更高精度的要求,在大陆范围内,可以得到2 m的精度[12]。

2.2 精密定位技术

1)静态定位与动态定位技术

精密定位技术主要采用载波相位观测值进行定位,最早的定位方式为差分静态后处理模式,其定位精度达到毫米级,一般静态测量的时间需要一小时到几小时,二是快速静态定位,GPS静态测量的时间由原来数小时缩短到几分钟至十几分钟[13]。

随着定位技术的不断发展和进步,精密定位也由静态向准动态或动态方向发展。动态定位技术现由最初通过各种初始化方法得到相位观测值的整周模糊度为标记,发展到实时动态定位模式(RTK)。

2)网络GPS(Network GPS)与精密点定位(PPP)技术

网络GPS主要利用GPS基准网,分离各种影响GPS观测值的误差,以便对其改正或消除,如电离层误差、对流层误差和星历误差等。采用网络GPS可以提高静态定位、快速静态定位,特别是动态定位RTK的可靠性和极限的控制范围[14]。

精密点定位PPP(Precise Point Positioning)是一种基于单站GPS载波相位观测数据和码观测值进行厘米或分米级精度的定位算法。目前这一方法已经能够达到厘米级精度[15]。

2.3 GNSS-R技术

基于GNSS反射信号的遥感技术简称为GNSS-R(Global Navigation Satellite System-Reflection)技术[16-17]。

GNSS-R作为一个新的遥感手段,已经引起了广泛的关注。美国和欧洲等主要国家都投入大量的人力、物力进行研究,开展了地基、机载和星载的观测实验,为进一步开展研究和应用奠定了基础。目前,GNSS-R在理论、技术和数据反演等方面逐步完善。与传统微波散射计、微波高度计等遥感技术相比,GNSS-R技术具有体积小、重量轻、功耗小、成本低;全球覆盖均匀,获取数据量大;不需要发射设备;全天候工作等优点[17]。

2.4 GNSS掩星(GNSS-RO)技术

GNSS掩星是指在低轨卫星 LEO上安置GNSS接收机接收卫星信号的幅度、伪距和相位数据。随着GNSS和LEO卫星的相对运动,电磁波将完成从大气顶部直至地面的垂直扫描过程。结合GPS掩星观测数据和卫星精密轨道资料,反演出中性大气参数(大约0～60 km的密度、温度、压力、位势高度和水汽含量等)[18]。目前,美国的GPS/MET、德国的CHAMP、阿根廷的SAC-C、丹麦的Orsted、南非的Sunsat、美国和中国台湾联合的COSMIC、澳大利亚的FedSat以及即将发展的欧洲ACE+等计划都进行GNSS掩星技术的研究[19-20]。GNSS掩星的出现是气象探测史上的一次革命性变化,特别是利用掩星大气探测技术获取的地球气象数据和电离层数据将是21世纪最基本的常规气象应用信息之一。

未来的掩星观测系统会进一步向小型化发展,性能也将进一步提高;掩星探测将向多星探测和混合探测转变,而项目的开发和研制也将向国际化合作的方向发展[20]。

2.5 组合导航技术

不论从GNSS的军用价值还是民用价值考虑,最为关键的价值是定位与导航,除了GNSS内部四大系统的相互组合(如GPS/GLONASS组合导航)外,现今还出现了GNSS与其他系统的组合,主要有以下三种:

1)GNSS/MIMU组合导航

微惯性测量装置(MIMU)的特点是成本低、体积小、可抗高过载、动态范围大,但是精度低,误差随时间增长快。GNSS/MIMU组合,构成高度集成的一体化导航制导系统,一方面可以校准MIMU的各种误差;另一方面可以提高卫星接收机的抗干扰能力、扩大接收机的动态范围[5]。

2)GNSS/SINS组合导航

20世纪90年代以来,我国积极开展卫星导航与惯性导航的组合导航技术在导弹上的应用研究。通过在发射点惯性坐标系建立系统状态方程和量测方程发现:应用Kalman滤波组合方法比传统的加权平均方法更好[21]。

3)INS/CNS/GNSS组合导航

惯性导航系统(INS)的导航精度主要取决于陀螺和加速度计的水平,其位置与速度误差会随时间增大,因此将全球卫星导航系统(GNSS)、天文导航系统(CNS)与惯性导航系统进行信息统计最优组合,组成以惯性导航为主体的组合导航系统[22]。

2.6 嵌入式技术

1)基于Windows CE的嵌入式

Windows CE就是基于掌上型电脑类的电子设备操作系统。其中CE中的C代表袖珍(Compact)、消费(Consumer)、通讯能力(Connectivity)和伴侣(Companion);E代表电子产品(Electronics)。Windows CE已成为嵌入式系统的主流,其快速、模块化的开发方式,为开发者开发应用程序提供了规范、快速的框架。基于Windows CE的嵌入式系统使得GNSS在手持设备方面的应用成为可能。

2)基于Sistang的嵌入式

目前GNSS的手持设备的操作系统大多采用Window CE或PowerPC嵌入式,这些软件的源代码不公开,软件费用相对昂贵。Linux由于遵守GPL(General Public Licence),源代码公开,内核小且免费使用。基于 Linux的Sistang嵌入式系统可以实现远程控制,个人通信和定位导航应用开发[23]。

3 GNSS的应用

3.1 大地观测

1)GNSS大地测绘

GNSS已广泛应用于高精度大地测量和控制测量、地籍测量和工程测量、道路和各种线路放样、水下地形测量、大坝和大型建筑物变形监测等领域。特别是山区的大地测绘相对传统方法可节省大量的时间、人力、物力和财力[24]。

2)GNSS地壳运动观测

GNSS观测地壳运动包括板块运动、大地震的震前、震时和震后的地壳运动、地面沉降、火山活动过程中的地壳运动、冰后回弹等。在较大地震的震中附近有GPS连续观测站时,由高采样率的观测数据可获得大地震震中附近较长周期的地震波。随着GNSS连续观测站的不断增加,观测到的现象将更加丰富[2,25]。在较大地震的震中附近有GPS连续观测站时,由高采样率的观测数据可获得大地震震中附近较长周期的地震波。

3.2 交通应用

空运方面通过GNSS接收设备,使驾驶员着陆时能准确对准跑道,同时还能使飞机紧凑排列,提高机场利用率,引导飞机安全进离机场。水运方面能实现船舶远洋导航和进港引水。陆运方面利用GNSS技术对车辆进行跟踪、调度管理,合理分布车辆,以最快的速度响应用户的架乘车或送货请求,降低能源消耗,节省运输成本。今后,在城市中建立数字化交通电台,实时发播城市交通信息,车载设备通过GNSS进行精确定位,结合电子地图以及实时的交通状况,自动匹配最优路径,并实现车辆的自主导航[26]。

3.3 公共安全和救援应用

GNSS对火灾、犯罪现场、交通事故、交通堵塞等紧急事件的响应效率,可将损失降到最低。有了它的帮助,救援人员就可在人迹罕至、条件恶劣的大海、山野、沙漠,对失踪人员实施有效的搜索、救援。装有GNSS装置的交通工具在发生险情时,可及时定位、报警,使之能更快、更及时地获得救援。老人、孩童以及智障人员佩戴由GNSS、GIS与GSM整合而成的协寻装置,当发生协寻事件时,协寻装置会自动由发射器送出GNSS定位信号。即使在无GNSS定位信号的室内时,亦可通过GSM定位方式得知协寻对象的位置[27]。

3.4 GNSS-R应用

GNSS-R技术主要应用在以下3个方面:

1)海洋方面

GNSS-R在海洋遥感中应用的主要原理是:利用LEO卫星上搭载的GNSS接收机,接收GNSS直接信号及海面反射信号,通过它们之间的C/A码或P码的时间延迟和相关函数波形及其后沿特性进行分析,并结合海面、海浪对电波的散射理论,从而获取海洋遥感的信息。

1993年,Martin提出了利用GNSS-R进行海洋测高的系统理论[28];1994年,Auber首次报告了GNSS-R可以被常规的导航定位接收机检测到[29];1996年,美国 NASA首次提出了利用GNSS-R来遥感海面状态的潜在应用,并研制了一种特殊的延迟映像接收机(DM R)[30];1997年美国开始针对GPS散射信号理论研究和海上机载接收试验[31],2000年,NASA和CU等机构合作制定了SuRGE计划;2001年,德国GFZ提供了在CHAMP卫星上探测到GNSS-R的有力证据[32];2000年,美国在 Michael和Keith飓风中进行了GNSS-R机载试验,将反演得到的海面风场与浮标数据、Topex/Poseidon卫星数据、ERS和 Quik-SCAT卫星数据进行了比较[33]。

现阶段主要利用GNSS-R反演来获取海洋表面信息,如潮位、海面高度、海面风场(包括海面风向、海面风速)、海面粗糙度、有效波高、海水盐度以及冰的厚度等[34-40]。这些参数都是海洋气象学、海洋水文学、海洋渔业、海洋航运、海洋工程等重要的物理参数。特别是海面风场,它不仅是形成海上波浪的直接动力,而且对区域和全球海洋环流以及全球生化过程来说也是关键性的动力,所以它的观测与分析是研究海洋动力过程,同时也是预报台风、热带风暴,厄尔尼诺等现象的重要基础。此外利用GNSS-R反演可以进行涡流监测和快速正压波的跟踪等,这对海岸防护工作、防坡堤设计和离岸工程等具有指导性意义。

2)土壤水分方面

土壤水分是土壤-植被-大气系统能量与物质交换及土地资源和环境管理的重要参数之一。土壤水分信息在提高气象预报和干旱监测,以及作物估产等方面非常重要。在遥感技术发展的过程中,微波遥感特别是利用GPS的L波段信号已经成为土壤水分反演技术中最为有效的方法之一[41]。

2002年美国科学家做了一个大型的土壤水分实验,2004年美国NASA和科罗拉多大学等机构联合开展了利用GNSS-R遥感土壤湿度的研究工作,Masters对机载接收的GPS反射信号进行了大量分析,研究结果表明可以通过GPS反射信号的强弱来探测土壤湿度[42-43]。近年,我国开始了源土壤湿度探测技术的研究。中国科学院武汉物理与数学研究所、武汉大学等单位开展合作,最早在我国开展了这项理论和试验研究工作,在岸基的GNSS-R研究工作基础上,开发了土壤湿度观测设备和数据反演软件等,并进行了一些初步试验。2009年张训械利用GNSS-R反射信号估计土壤湿度,GNSS-R反演得到的土壤湿度与同一地点用土壤湿度计测量数据相当符合[44]。

3)冰川和雪地方面

通过GNSS-R在冰川和雪地方面的应用可以使我们了解积雪内部结构,进而加深对陆界的了解,尤其是较为鲜知的南极大陆。与土壤水分方面一样,冰川和雪地主要也是利用GPS的L波段信号,从测量原则上应该能分别推导表面和积雪参数[45]。

3.5 GNSS掩星应用

GNSS掩星技术应用主要包括以下4个方面:

1)天气预报

利用GNSS掩星技术获取的具有高垂直分辨率的数据可对空间天气进行预测,美国GNSS/MET观测系统可以进行全天候的全球探测,加上观测值的高精度和高垂直分辨率,使得数值天气预报(NWP)精度的提高成为可能。这样,可以提高数值天气预报的准确性和可靠性,更好地满足现代社会对气象预报“更早、更准、更细”的需求[46]。

2)全球气候和环境监测

GNSS掩星数据可提供云、大气温度、辐射、臭氧层、大气化学等方面的数据,为地球环境监测提供了可能。此外GNSS/MET数据计算得到的大气折射率是大气温度、湿度和气压的函数,因此可以直接把大气折射率作为“全球变化指示器”。阿根廷的SAC-C可以提供地球及其海岸带的多谱成像与进行空间环境中的辐射量测量[20]。德国的CHAMP数据将有利于增强全球气候变化的研究能力[47]。

3)高空风探测

高空探测过程中,地面站接收到GNSS信号后选出所需数据,再加入有关卫星轨道的数据,可以算出高空风向、风速以及气压、气温和湿度。

4)电离层监测

GNSS/MET与SAC-C观测系统均可提供全球电离层映像,这将有助于电离层、热层系统中许多重要的动力过程及其与地气过程关系的研究[20]。

3.6 其它应用

此外,GNSS还可应用于授时校频、公共管理、商业服务、娱乐消遣等领域。

4 结 论

GNSS是一个新兴的高科技、高经济收益的领域,各个国家正在投入大量的人力、财力进行研究、开发、应用。以GPS为代表的GNSS卫星导航应用产业前景看好,已成为继移动通信和互联网产业之后的第三大 IT经济增长点。2008年,全球仅GPS的市场规模就达到249亿美元,市场复合增长率为 14%。此外,专家预计到 2013年,全球GPS的市场规模将达到2400亿美元。我国应该审时度势,因地制宜,加强各方面的合作,将GNSS产业引上健康发展的快车道。

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