GNSS测量技术：卫星导航定位的产生与发展

1957年10月4日，前苏联成功地发射了世界上第一颗人造地球卫星后，人们就开始利用卫星进行定位和导航的研究，人类的空间科学技术研究和应用跨入了一个崭新的时代，世界各国争相利用人造地球卫星为军事、经济和科学文化服务。同时，卫星定位技术在大地测量中的应用也取得了惊人的发展，迅速跨入了一个崭新的时代。

1. 卫星大地测量的产生

卫星大地测量是现代大地测量一个新的重要分支，是以测定近地人造卫星的空间位置和运动异常来解决大地测量问题的一种方法。

卫星(或天体)大地测量的基本原理实际上在人造地球卫星出现之前就已形成。当时以地球的天然卫星——月球为观测对象。最早提出可以用月球观测值研究地球形状的是欧勒(I.A.Euler，1734—1800)和拉普拉斯(P.S.M.Laplace，1749—1827)。1768年欧勒是从几何学原理计算出地球子午圈的扁率，1767年拉普拉斯从动力学的角度分析月球绕地运动轨道的异常，详细分析计算了地球的扁率。由于已知量精度不够，月面边缘不齐难以测准，月球太远形成的视差角太小，并且因其远而对地球引力场异常的敏感度不高，难以获得高精度的结果。但这种利用空间天体的测量方法是很先进的。所以20世纪前50年中又有许多人从观测方法、观测仪器方面进行了很多改进，为后来的卫星大地测量准备了理论和实践基础。

人造卫星用于大地测量，同样也是从几何学原理和动力学原理两方面加以研究，它比月球更加方便有利。人造卫星的视角可以大到几十度; 卫星离地球近且质量小，它的运动几乎完全决定于地球引力场; 月球绕地一周近一个月，这段时间卫星可以绕地近400圈，可以迅速收集到大量的有关地球的情况资料。

由引力定律知道，人造卫星离地球越近对地球引力场的变化就越敏感，反映到卫星轨道运动上出现的异常就越明显。因此，人造卫星既可以从几何上看做是一个空中的运动目标，又可以是一个反映地球各种变化的信息传感器，包括几何点位及重力场变化信息、生态、自然环境及资源变化等信息。

2. 卫星大地测量的发展

(1)早期的卫星定位技术

早期的卫星大地测量仅仅把卫星作为一种空间观测目标，由地面观测站对其进行摄影观测，测定测站点至卫星的方向，建立卫星三角网; 也可以使用激光测距技术测定测站至卫星的距离，建立卫星测距网。上述两种观测方法，均可以实现大陆与海岛的联测定位，解决了常规大地测量难以实现的远距离联测定位问题。

1962—1965年，美国斯密森天体物理天文台(SAO)曾用光学摄影法进行了全球的卫星测量，对北美NDA、欧洲EUA、澳大利亚AND、日本JAD、阿根廷ARG、夏威夷HAW等大地系统进行了联测，利用39个测站的观测资料计算并发布了“标准地球Ⅱ”。1966—1971年间又用更多的测站进行了观测，当时的方向观测精度为±(0.3～1.5)″，点位中误差为±6.7m，地心坐标中误差为±(17～32)m。可见其精度是有限的，且观测条件受限制，底片处理也很复杂，所以以后就较少使用。

与此同时，激光测距法出现了，即在地面上用激光测距仪对卫星进行测距，以达到定轨定位的目的，精度可达厘米级。但用这种方法定位需要有4个测站组成较好的图形，实施同步观测，这对大面积布网来说是很困难的，因此也未能普及。(www.xing528.com)

上述两种观测和成果换算方法需耗费大量的时间，定位精度较低。因此，这种卫星测量方法很快就被卫星多普勒定位技术所取代，即从仅仅把卫星作为空间观测目标的初级阶段，发展到了把卫星作为动态已知点的高级阶段。

为了克服摄影观测和激光测距方法的缺陷，人们想到了利用卫星发射的无线电波进行距离测量。设想方案是: 若已知在轨卫星的轨道参数，地面观测者又测得该颗卫星发射信号的多普勒频移，则可计算出测站坐标。该设想即成为第一代卫星导航定位系统的基本工作原理。

(2)卫星多普勒定位系统

1958年美国海军和詹斯·霍普金斯大学物理实验室为了给北极核潜艇提供全球导航，开始研制一种利用多普勒卫星定位技术进行测速、定位的卫星导航系统，称为美国海军导航卫星系统，简称NNSS(Navy Navigation Satellite System)。由于该系统的卫星通过地极，因此又被称为“子午卫星导航系统”。1959年9月美国发射了第一颗试验卫星，1964年由6颗卫星组成的该系统建成并投入使用。1967年7月，美国政府宣布NNSS部分解密，提供民用。由于该系统不受气象条件限制，自动化程度较高，且具有一定的定位精度，立即引起了大地测量学者的极大关注，随后进行了大量的研究和实践，取得了令人瞩目的成就。如在美洲大陆及其附近测设了约500个多普勒点; 西欧各国分别在1976年5月和1977年4月进行了两次多普勒会战(EDOC-1，2)，在16个国家测设了30多个多普勒点，而后参加了三角网的重新平差; 法国地理院不仅在本国建立了多普勒网，而且还为阿尔及利亚、利比亚、圭亚那和加蓬等国家测设了116个多普勒点; 素称“千岛之国”的印度尼西亚，测设了200多个多普勒点，从而使常规大地测量无法统一的国家大地控制网建成了统一的坐标系统。20世纪70年代中期，我国有关测绘和勘察单位开始引进多普勒接收机，不仅测设了全国卫星多普勒大地网，而且还实现了大陆和西沙群岛的大地测量基准联测，石油和地质勘探部门也在我国西北地区测量了卫星多普勒定位网。1984年12月至1985年2月在我国南极长城站上，用MX1502型卫星多普勒接收机进行了多普勒定位测量，共观测了210次子午卫星通过，精确测定了设在南极乔治岛上的长城站的地理位置为: 南纬62°12'59.811″±0.015″，西经58°57'52.665″±0.119″，高程为43.58m±0.67m;长城站距北京的距离为17501949.51m。

与此同时，苏联也建成了一个由12颗卫星组成的导航系统，简称为CICADA。虽然子午卫星导航系统具有划时代的意义，但因其卫星数目少，轨道高度较低(平均1000km)，观测时间间隔较长(平均约1.5h)，因而不能进行三维连续导航。加之求得一次导航解所需的时间较长，不能满足军事导航的需求。从大地测量的要求来看，由于它的定位速度慢(平均观测1～2天)，精度较低(单点定位精度3～5m，相对定位精度约为1m)，因此，该系统在大地测量学和地球动力学研究方面的应用受到了极大的限制。

为了克服上述缺陷，满足军事部门和民用部门对连续实时三维导航定位的迫切要求， 1973年美国国防部开始组织陆海空三军，共同研究建立新一代卫星导航系统的计划。这就是目前所称的“授时与测距导航系统/全球定位系统”(Navigation System Timing and Ranging/Globol Positioning-NAVSTAR/GPS)，而通常简称为“全球定位系统”(GPS)。

为使GPS具有高精度的连续实时三维导航能力和良好的抗干扰性能，所以在其设计上，采取了若干重大的改善措施。GPS与NNSS的主要特征比较如表1.1所列。

表1.1 GPS与NNSS的主要特征

GPS的建立，主要是为了满足美国军事部门高精度导航的需要，对于军事上动态目标的导航，具有十分重要的意义。正因如此，美国政府把发展GPS作为导航技术现代化的重要标志。近几十年来，卫星导航定位技术已经渗透到了民用经济建设和人类生活的方方面面。可以预言，卫星导航定位技术必将与移动通信技术、计算机互联网技术，一起成为影响21世纪人类生活的三大技术。各国政府都已注意到了卫星导航定位技术在确立国家形象和国际地位中的重要意义，不惜巨资，争相建立自己的卫星导航定位系统。