姜衛(wèi)平

武漢大學衛(wèi)星導航定位技術研究中心，湖北 武漢 430079

衛(wèi)星導航定位基準站網(wǎng)的發(fā)展現(xiàn)狀、機遇與挑戰(zhàn)

姜衛(wèi)平

武漢大學衛(wèi)星導航定位技術研究中心，湖北 武漢 430079

衛(wèi)星導航定位基準站網(wǎng)不僅是提供國家、區(qū)域、全球高精度時空基準的重要基礎設施，也是導航與位置服務、精密衛(wèi)星定軌、地質(zhì)災害監(jiān)測等工程和科學研究的重要支撐。當前，隨著基準站網(wǎng)規(guī)模的不斷增加、觀測數(shù)據(jù)的不斷積累以及我國北斗系統(tǒng)的逐步建成，無論在衛(wèi)星導航定位數(shù)據(jù)處理理論還是應用方面，基準站網(wǎng)的發(fā)展面臨著不少機遇與挑戰(zhàn)。本文首先給出了基準站網(wǎng)的定義和類別，并描述了功能與意義；然后分析了其發(fā)展的歷史與現(xiàn)狀；最后從基準站網(wǎng)的建立、數(shù)據(jù)處理理論與方法、應用三方面討論了所面臨的機遇與挑戰(zhàn)，并給出了一些建議和想法。

GNSS；基準站網(wǎng)；GNSS數(shù)據(jù)處理；北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)

20世紀70年代初，為了滿足軍事和民用對連續(xù)實時三維導航的迫切需求，美國開始研制基于衛(wèi)星的全球定位系統(tǒng)GPS(Global Positioning System)，開啟了全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System，GNSS)的新時代。由于GNSS在國家安全、經(jīng)濟建設與社會發(fā)展中具有重要作用，因此，繼美國GPS之后，俄羅斯、中國、歐盟等都在競相發(fā)展各自獨立的衛(wèi)星導航系統(tǒng)(GLONASS、BDS和Galileo)。經(jīng)過近40年的發(fā)展，GNSS經(jīng)歷了從不成熟到成熟、從單個系統(tǒng)到多個系統(tǒng)、從單用途到多用途、從軍用到民用的巨大變化。GNSS不僅具有全球、全天候、高精度連續(xù)導航和定位功能，還可用來進行授時、地球物理與大氣物理參數(shù)測定等。因此，在航空、航天、軍事、交通、運輸、資源勘探、通信、氣象等很多領域中具有廣泛應用[1-4]。

然而，由于GNSS自身提供的定位精度最高到米級，甚至GPS最初的民用定位精度低于100 m，遠遠不能滿足精確導航和定位的要求。因此，為了將GNSS定位和導航精度提高到分米、厘米，甚至毫米級，20世紀90年代初，很多國家開始建立永久性GNSS跟蹤站，用于定軌、精密定位和地球動力學監(jiān)測等目的，而后逐步形成基準站網(wǎng)，如國際GNSS服務組織(International GNSS Service，IGS)建設的跟蹤站網(wǎng)。1994年，美國國家大地測量局(National Geodetic Service，NGS)學者William E Strange提出了連續(xù)運行參考站的概念。1995年，他和同事明確給出了連續(xù)運行參考站系統(tǒng)(continuously operating reference system，CORS)的定義及其初步方案[5]。與此同時，美國其他機構也陸續(xù)開始構建連續(xù)運行的GPS基準站網(wǎng)。如到1995年，NGS已經(jīng)擁有50個左右高質(zhì)量的連續(xù)運行的GPS測站。IGS和NGS很大程度地推動了GNSS基準站網(wǎng)的發(fā)展。

連續(xù)運行基準站網(wǎng)及其系統(tǒng)集成了GNSS、通信、氣象數(shù)據(jù)采集等技術，它是GNSS實現(xiàn)高精度導航與位置服務的支撐平臺，也是建立坐標框架、監(jiān)測地殼運動等科學和工程應用的重要基礎設施[4,6]，幾乎可以用于與位置和時間有關的所有領域。因此，為了滿足不同用戶需求，許多國家、地區(qū)、行業(yè)和組織紛紛建立了不同尺度的GNSS基準站網(wǎng)，包括大尺度的IGS全球基準站網(wǎng)，中尺度的國家、區(qū)域或省級連續(xù)運行基準站網(wǎng)(如中國地殼運動觀測網(wǎng)絡)、小尺度的大橋及大壩等工程基準網(wǎng)。隨著GPS和GLONASS的現(xiàn)代化，以及北斗和Galileo的快速發(fā)展，再加上不同規(guī)模、不同用途基準站網(wǎng)的建成，給基準站網(wǎng)的發(fā)展和應用帶來了眾多的機遇和挑戰(zhàn)，如大規(guī)?；鶞收揪W(wǎng)整體快速解算、高精度地球坐標參考框架的建立、地質(zhì)災害監(jiān)測與預警，GNSS大氣環(huán)境監(jiān)測及高精度導航和位置服務等技術及其應用。

1 GNSS基準站網(wǎng)的定義與功能

1.1 基準站網(wǎng)的定義與類別

衛(wèi)星導航定位基準站網(wǎng)可定義為由一定范圍內(nèi)(甚至全球)的若干個(大于3個)GNSS測站(包括連續(xù)運行和不連續(xù)運行的基準站)組成。GNSS基準站網(wǎng)系統(tǒng)可定義為將基準站網(wǎng)通過網(wǎng)絡互聯(lián)，構成以提供位置和時間信息為核心的網(wǎng)絡化綜合服務系統(tǒng)。

綜合基準站之間的距離、分布范圍及實現(xiàn)功能來講，基準站網(wǎng)大致可以分為全球網(wǎng)、國家網(wǎng)、區(qū)域網(wǎng)、工程網(wǎng)4類網(wǎng)。

全球網(wǎng)是指在全球布站，面向全球服務。如IGS跟蹤站網(wǎng)。

國家網(wǎng)是指在一個國家全國范圍內(nèi)布站，面向一個國家服務。如美國的連續(xù)運行參考站網(wǎng)系統(tǒng)、加拿大的主動控制網(wǎng)系統(tǒng)(CAS)、德國衛(wèi)星定位與導航服務系統(tǒng)(SAPOS)[7]。

區(qū)域網(wǎng)指在一定范圍的區(qū)域內(nèi)布站，面向區(qū)域或行業(yè)服務。其可分為3類：一是國家與國家之間的網(wǎng)，如歐洲永久GNSS觀測網(wǎng)(European permanent network，EPN)；二是省市級網(wǎng)，如廣東省連續(xù)運行參考站網(wǎng)系統(tǒng)(GDCORS)；三是行業(yè)網(wǎng)，是指一定的區(qū)域內(nèi)為某個行業(yè)服務，如中國沿海無線電指向標-差分全球定位系統(tǒng)(RBN-DGPS)。

工程網(wǎng)是指在工程所在的范圍內(nèi)布站，面向工程建設或運行服務。如修建大壩或橋梁建立的連續(xù)運行GNSS基準站網(wǎng)。

當然，也可按照功能來劃分，基準站網(wǎng)可分為坐標參考框架網(wǎng)、地殼運動監(jiān)測網(wǎng)、水汽監(jiān)測網(wǎng)、電離層監(jiān)測網(wǎng)、大壩(橋梁)施工或變形監(jiān)測網(wǎng)，等等。

1.2 基準站網(wǎng)的功能

如前所言，基準站網(wǎng)能將GNSS定位精度提高到分米、厘米甚至毫米級，是提供國家、區(qū)域、全球高精度時空基準的重要基礎設施。美國稱GPS及其基準站網(wǎng)為國家關鍵基礎設施?；鶞收揪W(wǎng)還是導航與位置服務、精密衛(wèi)星定軌、地質(zhì)災害監(jiān)測等工程和科學應用的重要支撐。

從產(chǎn)品來講，基準站網(wǎng)及其系統(tǒng)可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的網(wǎng)內(nèi)共享，具有全天候、全自動、實時導航定位功能。目前所涉及的產(chǎn)品主要包括：基準站地心坐標及速度、地球自轉(zhuǎn)參數(shù)、跟蹤站觀測數(shù)據(jù)、精密星歷、衛(wèi)星鐘差、氣象參數(shù)、電離層模型、基準站坐標時間序列等。

從應用來講，基準站網(wǎng)不僅可滿足覆蓋區(qū)域內(nèi)地面、空中和水上交通工具的導航、調(diào)度、自動識別和安全監(jiān)控等功能，還可以服務于高精度中短期天氣狀況的數(shù)值預報、變形監(jiān)測等領域。同時，其也是建立并維護坐標參考框架的基礎設施，能夠滿足測繪、基準建設等需求。此外，基準站網(wǎng)還可實現(xiàn)納秒級的授時，可廣泛應用于通信系統(tǒng)和電力系統(tǒng)的時間同步[8]。

從服務方式和范圍來講，基準站網(wǎng)及其系統(tǒng)的服務方式從以前的快速、事后發(fā)展到實時、快速，精度從厘米級、分米級發(fā)展到毫米級，服務范圍從大地測量和地球物理拓展到氣象、地震、規(guī)劃建設、交通導航等領域。

2 GNSS基準站網(wǎng)的發(fā)展現(xiàn)狀及最新進展

2.1 全球GNSS基準站網(wǎng)

目前，IGS連續(xù)運行基準站網(wǎng)是全球分布最廣泛、空間規(guī)模最大的GNSS基準站網(wǎng)。20世紀90年代初，國際大地測量協(xié)會(IAG)成立IGS，并且開始在全球建立GNSS連續(xù)運行基準站網(wǎng)。其最初的目標是為大地測量和地球物理研究提供產(chǎn)品，主要任務包括：建立精確的全球參考框架、確定精密地球自轉(zhuǎn)參數(shù)與GNSS軌道、為區(qū)域地球動力學研究提供支持等。起初在全球建立了60～70個核心站，于1994年1月正式運行。在過去的20余年里，IGS的研究與應用取得了很大進展。截至2017年1月，全球跟蹤站的數(shù)量已超過500個，站點分布如圖1中的紅色圓圈和藍色五角星所示(數(shù)據(jù)來源為網(wǎng)站http:∥itrf.ensg.ign.fr/ITRF_solutions/2014/)。其服務內(nèi)容也更為廣泛，可發(fā)布精密軌道、電離層、對流層、精密鐘差等產(chǎn)品。

圖1 IGS全球基準站網(wǎng)分布Fig.1 The distribution of IGS global fiducial stations

目前，IGS開始著手建立能夠跟蹤和接收所有可用GNSS衛(wèi)星信號(包括GPS、GLONASS、Galileo、北斗、QZSS、IRNSS等衛(wèi)星導航系統(tǒng))的基準站網(wǎng)，用以分析多系統(tǒng)特性，促進多系統(tǒng)精密融合數(shù)據(jù)處理技術的發(fā)展。經(jīng)過4年的建設，已形成了一個由近200個基準站構成的覆蓋全球的多系統(tǒng)GNSS連續(xù)運行基準站網(wǎng)MGEX[9](Multi-GNSS Experiment)，基準站的分布圖見網(wǎng)站(http:∥itrf.ensg.ign.fr/ITRF_solutions/2014/)。

此外，全球性的星基增強系統(tǒng)也需在全球布設基準站，如美國的StarFire系統(tǒng)及Trimble CenterPoint RTX系統(tǒng)，也分別布設了100個左右的基準站。

2.2 國家GNSS基準站網(wǎng)

2.2.1 美國、德國、日本等國家GNSS基準站網(wǎng)

美國是最早建立連續(xù)運行基準站網(wǎng)的國家。其國家基準站網(wǎng)由NGS負責管理。NGS向全美和全球用戶提供國家CORS基準站坐標和GNSS衛(wèi)星觀測站數(shù)據(jù)。其中，30 d內(nèi)為原始采樣間隔的數(shù)據(jù)，30 d后為30 s采樣間隔的數(shù)據(jù)。NGS還提供網(wǎng)上數(shù)據(jù)處理服務，所有數(shù)據(jù)均向合作組織開放。基于基準站網(wǎng)，美國有很多網(wǎng)絡實時動態(tài)定位RTK(real time kinematic)服務系統(tǒng)，如美國加利福尼亞州南部的奧倫奇市實時網(wǎng)絡RTK和圣地亞哥實時網(wǎng)絡RTK，可為用戶高精度定位提供服務。在美國國家空間參考系統(tǒng)下，基準站網(wǎng)后處理坐標的精度可達厘米級。美國基準站網(wǎng)的測站分布參考https:∥www.ngs.noaa.gov/CORS/。

德國衛(wèi)星定位與導航服務系統(tǒng)(the satellite positioning service of the German national survey，SAPOS)是一個連續(xù)運行的、覆蓋全國的多功能差分GNSS定位導航服務體系，是德國國家空間數(shù)據(jù)基礎設施，由德國國家測量管理部門聯(lián)合測繪、運輸、建筑、房屋和國防等部門的差分GNSS組合而成。SAPOS由200多個永久性GNSS基準站組成，平均站間距約為40 km。SAPOS為用戶提供多種誤差改正數(shù)據(jù)，實現(xiàn)厘米級水平的導航和定位坐標。SAPOS采用區(qū)域改正參數(shù)的方法來削弱差分GNSS的誤差，每顆衛(wèi)星的區(qū)域改正參數(shù)以10 s的間隔播發(fā)。按精度、時間響應和目的來分，SAPOS提供的服務包括：實時定位服務、高精度實時定位服務、高精度大地定位服務[10]。

日本國家地理院(Geospatial Information Authority of Japan，GSI)從20世紀90年代初開始布設地殼應變監(jiān)測網(wǎng)，逐步發(fā)展成日本連續(xù)應變監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)不斷發(fā)展，最終形成了由GNSS連續(xù)觀測站組成的基準站網(wǎng)，稱為GEONET(GNSS earth observation network system)。該網(wǎng)平均密度為20 km，最密的部分如關東、東京等地區(qū)是10～15 km一個站。2005年底，已經(jīng)建成1200個遍布全日本的GNSS永久跟蹤基準站。觀測站數(shù)據(jù)通過ISDN(integrated services digital network)網(wǎng)進入GSI數(shù)據(jù)處理中心，并進入互聯(lián)網(wǎng)，在全球共享。該系統(tǒng)構成了一個格網(wǎng)式的GNSS永久站陣列，是日本的重要基礎設施。其主要任務有：建成超高精度的地殼運動監(jiān)測系統(tǒng)；建成國家范圍內(nèi)的現(xiàn)代“電子大地控制網(wǎng)點”；提供GNSS高精度測量定位服務，并要求具有實時動態(tài)定位能力，目的是取代傳統(tǒng)的包括GNSS靜態(tài)網(wǎng)的控制測量和建立模式。GEONET的主要應用是：地震監(jiān)測和預報、控制測量、工程控制和監(jiān)測、測圖和地理信息系統(tǒng)更新、氣象監(jiān)測和天氣預報[10]。

2.2.2 中國國家GNSS基準站網(wǎng)

1992年，國家測繪地理信息局在武漢建立了中國第一個GNSS連續(xù)運行基準站，即現(xiàn)在的IGS武漢站(WUHN)，用于全球大地參考框架定義及GNSS衛(wèi)星軌道確定。此后，又分別在北京、拉薩、烏魯木齊、咸陽、西寧、?？诤凸枮I等地建設了8個GNSS連續(xù)運行基準站，主要目的是建立國家大地基準控制網(wǎng)，為我國坐標參考框架建設提供參考數(shù)據(jù)，并服務于國際GNSS地球動力學研究。此外，經(jīng)過數(shù)10年的觀測，武漢、拉薩、烏魯木齊和上海等站作為國際核心站參與了ITRF的建設；上海、烏魯木齊、長春等站還配備了VLBI、SLR等多種空間大地測量手段，用于地球科學研究，已成為國際上具有多種觀測手段的科學臺站。

測繪行業(yè)的GNSS基準站在國內(nèi)占據(jù)了重要地位，如早期建立的國家GPS A、B級網(wǎng)，省、市建立的基準站網(wǎng)等。2012年，國家測繪地理信息局啟動了國家現(xiàn)代測繪基準體系基礎設施建設一期工程項目，在原有基準站網(wǎng)的基礎上，通過建立新的基準站，集成各省市部分基準站，于2017年建成了由360余個連續(xù)運行站組成的且全國均勻分布的GNSS基準站網(wǎng)[5,6]，如圖2中紅色五角星所示。

2006年，我國實施了中國大陸構造環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(簡稱陸態(tài)網(wǎng)絡)工程。該工程于2012年3月建成了由260余個連續(xù)運行基準站(基準站分布如圖2中藍色菱形點)和2000個不定期觀測站點構成的，覆蓋中國大陸的高精度、高時空分辨率的基準站觀測網(wǎng)絡。陸態(tài)網(wǎng)主要用于監(jiān)測中國大陸地殼運動、重力場形態(tài)及變化、大氣圈對流層水汽含量變化及電離層離子濃度的變化，為研究地殼運動的時空變化規(guī)律、構造變形的三維精細特征、地震短臨階段的地殼形變時空變化特征、現(xiàn)代大地測量基準系統(tǒng)的建立和維持、汛期暴雨的大尺度水汽輸送模型、電離層動態(tài)變化圖像及空間天氣等科學問題提供基礎資料和產(chǎn)品。

(本圖為專題內(nèi)容示意，不涉及國家版圖信息)圖2 中國國家基準站網(wǎng)分布示意(紅色五角星為國家基準站點，藍色菱形為中國地殼運動觀測網(wǎng)絡基準站點)Fig.2 The distribution of national fiducial stations of China(The red stars denote the national fiducial stations, the blue diamond are stations of crustal movement observation network of China)

雖然我國已初步建成國家級連續(xù)運行基準站網(wǎng)，但嚴格意義上的國家級CORS還未完全形成，目前正在整合和發(fā)展中，還有很多工作要做。

2.3 區(qū)域GNSS基準站網(wǎng)

2000年以后，為了滿足城市經(jīng)濟建設的需要，我國先后在深圳、北京、上海、香港、武漢等城市建成具有網(wǎng)絡RTK功能的CORS網(wǎng)[11]。目前，隨著技術的日趨成熟、成本的不斷降低、用戶需求的增大，很多中小城市也紛紛建成了城市級CORS。

深圳CORS(SZCORS)是我國第一個實用化的實時動態(tài)CORS，于2001年9月建成并投入試驗和試運行。該系統(tǒng)由基準站(5個)、系統(tǒng)控制中心、數(shù)據(jù)中心、用戶應用中心、數(shù)據(jù)通信等子系統(tǒng)組成。SZCORS通過GSM通信方式，采用虛擬參考站技術提供網(wǎng)絡RTK實時定位差分數(shù)據(jù)服務，還可通過Internet的HTTP、FTP等訪問方式提供事后精密定位服務，其實時定位精度在水平、垂直方向上分別達到0.03、0.05 m[12]。

2005年以來，隨著CORS技術逐漸成熟和經(jīng)濟建設對地理空間信息的需求不斷擴大，廣東、江蘇率先開展了省級CORS建設。截至2017年，先后已有廣東、江蘇、江西等20個省份建成了覆蓋全省范圍的基準站網(wǎng)，黑龍江、云南等省正在積極籌建。相關發(fā)展過程如圖3所示。

圖3 中國省市級基準站網(wǎng)發(fā)展歷程Fig.3 The development history of fiducial stations with provincial/city level in China

由于城市級CORS的建設成本和技術難度較低，且建設時間較早。因而不少省份在省級CORS建設之初就面臨著完全獨立建網(wǎng)或融合已有城市CORS的選擇。獨立建網(wǎng)方式簡單、統(tǒng)一，涉及單位少，無需共享機制，但建設和維護成本高。為了節(jié)約成本、充分利用已有資源和統(tǒng)一區(qū)域基準，大多數(shù)省份都選擇了通過納入不同地方、行業(yè)的已有站點來建立省級CORS。以廣東省為例，CORS建設前，已有1個行業(yè)級和3個城市級CORS，共36個站。為了避免浪費和充分利用現(xiàn)有資源，廣東省CORS采用“省中心-省級分中心-市級分中心”的混合模式將以上4個系統(tǒng)納入其中，并新建基準站42個(2008年二期工程完成后)，最終組成了覆蓋全省的CORS。廣東CORS采用省市共建共享模式，組成了統(tǒng)一的空間數(shù)據(jù)參考框架，具有廣泛的參考價值[13]。其共享和維護情況如下：

(1) 跨行業(yè)合作：省國土廳與省氣象局合作，各自建設和管理控制中心及基準站。同時，互不涉足對方業(yè)務應用領域，在其他領域應用上互相協(xié)商。

(2) 跨級別合作：省國土廳與市國土局合作，省國土廳選擇利用各市國土局的約13個基準站，市國土局可共享鄰近的省級CORS站實現(xiàn)市域全覆蓋。各市建有市級分中心，負責基準站和省級基準站的日常管理，省廳負責全網(wǎng)管理、維護和應用。

由此可見，在省級CORS建設過程中，我國已經(jīng)積累了不少跨行業(yè)、跨級別合作經(jīng)驗及相關技術，這些經(jīng)驗和技術可以為省級CORS組網(wǎng)互聯(lián)互通提供參考。

2.4 工程GNSS基準站網(wǎng)

由于GNSS可進行全天候觀測，定位時測站間也無需保持通視等特點，因而與常規(guī)方法相比具有很好的優(yōu)越性。GNSS基準站網(wǎng)服務于工程建設主要有兩方面：①建設服務。建設階段，基準站網(wǎng)可以為工程建設提供高精度的三維位置，保證工程建設的順利進行。②監(jiān)測服務。運營階段，基準站網(wǎng)可為工程建筑的變形提供實時高精度監(jiān)測數(shù)據(jù)，并及時預警，為工程建筑的正常運營提供支持。以港珠澳大橋GNSS基準站網(wǎng)系統(tǒng)和山西西龍池上水庫GPS變形監(jiān)測系統(tǒng)為例，分別介紹工程基準站網(wǎng)的建設服務和監(jiān)測服務。

工程基準站網(wǎng)具有站間距小、覆蓋范圍小、定位精度高、系統(tǒng)穩(wěn)定性要求高等特點。港珠澳大橋GNSS基準站網(wǎng)，為港珠澳大橋建設提供厘米級的實時定位服務。系統(tǒng)信號覆蓋主體工程建設區(qū)域，在非完全隱蔽區(qū)內(nèi)實時定位精度平面優(yōu)于±2 cm、高程優(yōu)于±3 cm，可滿足工程建設階段的需要[14]。

西龍池上水庫GPS變形監(jiān)測系統(tǒng)構建了一套合理、高度集成化的GPS監(jiān)測軟件平臺，使用TCP/IP協(xié)議實現(xiàn)監(jiān)測點接收機與主機的互聯(lián)互訪、遠程控制等，具有拓撲結構簡單、易于維護、性能穩(wěn)定等特點。系統(tǒng)無需人工值守，其數(shù)據(jù)采集、處理、分析等在監(jiān)控室主機的自動控制下完成。系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性，在觀測數(shù)據(jù)無缺失的情況下，提供有效解的概率高于98%，2 h時段解在N、E、U方向的重復性分別為1.2、0.9、2.2 mm，4 h時段解算N、E、U方向的重復性為0.8、0.7、1.5 mm。該系統(tǒng)可提供高效率的實時、自動化、高精度大壩變形監(jiān)測服務，以保證大壩安全可靠健康的正常運行[15]。

目前，GNSS技術在工程領域的應用越來越廣泛。可以預見，將來隨著多系統(tǒng)星座的逐步完善及硬件技術的進一步發(fā)展，GNSS技術將會在工程建設和監(jiān)測領域發(fā)揮更重要的作用。

3 GNSS基準站網(wǎng)發(fā)展的機遇與挑戰(zhàn)

3.1 基準站網(wǎng)的建立

隨著GPS、GLONASS、北斗和Galileo的發(fā)展，未來的GNSS衛(wèi)星會發(fā)射更多頻率的信號[16]，可用的觀測值類型也會越來越多，基準站網(wǎng)同時可觀測到的衛(wèi)星數(shù)目也會成倍增加。這使基準站網(wǎng)能夠提供更好的可靠性和可用性，進而提高其服務能力。同時，隨著社會經(jīng)濟和科技的發(fā)展，尤其是通信技術的飛速發(fā)展，使得GNSS接收機硬件的價格不斷降低，這將進一步推進基準站網(wǎng)的建設。

2012年底，北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)已經(jīng)具備覆蓋亞太地區(qū)的無源定位、導航和授時及短報文通信服務能力，并且預計在2020年實現(xiàn)全球覆蓋。伴隨著北斗的快速發(fā)展，國產(chǎn)芯片技術的進步，我國的很多行業(yè)和部門也紛紛建立基于北斗系統(tǒng)的基準站網(wǎng)。例如，不少省市國土、測繪部門正在已建立的CORS基礎上進行改造升級，建立地基北斗增強系統(tǒng)；電力、交通等部門擬建立用于高精度時鐘同步的GNSS基準站網(wǎng)；阿里巴巴公司也正在建立“千尋”基準站網(wǎng)等。屆時，我國基準站的數(shù)量會越來越多，應用領域也會越來越廣泛。據(jù)不完全統(tǒng)計，截至2017年1月，中國建立的連續(xù)運行基準站已超過6000個。

雖然，現(xiàn)在我國各地連續(xù)運行基準站網(wǎng)建設方興未艾，并且在新建、改造CORS的過程中已經(jīng)解決了很多技術難題，積累了不少經(jīng)驗，但也存在不少問題：我國連續(xù)運行基準站網(wǎng)建設缺乏統(tǒng)籌規(guī)劃、分布不均，在經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)存在重復建站、重復投資、資源與信息不能共享的現(xiàn)象，而在邊遠省份則站點稀少；尚未成立國家級CORS組織機構，未能從組織管理層面進行統(tǒng)一管理規(guī)劃協(xié)調(diào)[5,17]。如何合理統(tǒng)籌協(xié)調(diào)不同部門、組織合理建立基準站網(wǎng)需要優(yōu)化的頂層設計。

3.2 基準站網(wǎng)的數(shù)據(jù)處理理論與方法

當前基準站網(wǎng)面臨的局面是：不僅基準站數(shù)量越來越多，規(guī)模越來越大，觀測時間越來越長；而且，存在著四大衛(wèi)星導航系統(tǒng)并存的局面，新衛(wèi)星星座均提供至少3個頻率的服務。這種局面下，必然會推進基準站網(wǎng)的數(shù)據(jù)處理理論與方法的發(fā)展。

3.2.1 多系統(tǒng)多頻率數(shù)據(jù)處理方法

大量研究表明，綜合利用多個GNSS的信號，并在觀測值層面統(tǒng)一處理不同系統(tǒng)的觀測數(shù)據(jù)，能有效提高GNSS定位的可靠性和穩(wěn)定性[18]。因此，研究多GNSS融合精密定位算法就成了GNSS技術發(fā)展的新機遇。相較于單一的GPS，多系統(tǒng)融合不僅能夠擴展GNSS應用的地域范圍，增加可見衛(wèi)星數(shù)量和觀測值類型，而且可以優(yōu)化衛(wèi)星幾何構型，緩解高山、城市峽谷等對PNT(positioning，navigation and timing)用戶的影響，進一步提升服務的可用性、精度和可靠性[19-21]。此外，多系統(tǒng)也為采用射線追蹤技術研究對流層和電離層增加了可用信號的數(shù)量與類型。

然而，多GNSS融合也面臨諸多挑戰(zhàn)：①構建基于原始觀測值的多系統(tǒng)多頻率GNSS統(tǒng)一數(shù)據(jù)處理模型，提供全面、自洽的GNSS產(chǎn)品，實現(xiàn)多系統(tǒng)的緊融合[22-23]；②建立PPP-RTK統(tǒng)一動態(tài)定位服務模型，滿足用戶的多樣化需求；③完善數(shù)據(jù)處理中各類誤差模型，包括：太陽輻射壓模型、地球輻射壓模型、新衛(wèi)星相位中心模型、短周期的地球定向參數(shù)潮汐(EOP Tides)等，進一步提高模型精度；④發(fā)展高軌衛(wèi)星、星間鏈路、低軌衛(wèi)星、重力場等統(tǒng)一整體解算方法，實現(xiàn)各類相關產(chǎn)品的“一步”整體估計，等等。

3.2.2 大規(guī)?；鶞收揪W(wǎng)整體快速解算

目前，大多數(shù)GNSS數(shù)據(jù)處理軟件只能同時處理少于100個測站的數(shù)據(jù)(如GAMIT)[24]，如果同時處理200個及以上測站(如Bernese、GIPSY等)則需消耗大量的計算機硬件資源和時間，嚴重影響數(shù)據(jù)解算效率，并導致解算結果的滯后[25]。為了解決這個現(xiàn)實性難題，IGS分析中心(如Scripps Institution of Oceanography，SIO)采用的策略是：將一個大規(guī)模GNSS基準站網(wǎng)分成若干子網(wǎng)。以SIO為例，將基準站按不同來源、用途等分成了46個子網(wǎng)，子網(wǎng)測站數(shù)30～40不等，且不同網(wǎng)間包含一定的公共站。首先，各子網(wǎng)獨立解算，然后將各子網(wǎng)解聯(lián)合處理，從而得到最終解算結果[26]。劃分子網(wǎng)不僅在數(shù)學模型的嚴密性上受到了影響，而且也增加了潛在的技術難點：子網(wǎng)劃分和公共站選擇問題。當劃分或選取較不合理時，解算精度可能會有一定程度的降低。文獻[21，27]提出了基于高精度距離觀測值進行大規(guī)模GPS網(wǎng)整體快速處理的方法。該方法有效避免了上述不足，實現(xiàn)了大規(guī)模GPS網(wǎng)雙頻數(shù)據(jù)整體高精度、高效率處理。然而，該方法僅適用GPS單系統(tǒng)，不適用多系統(tǒng)，而且也只針對雙頻，不能直接用于三頻數(shù)據(jù)。多系統(tǒng)、多頻率、大規(guī)?；鶞收揪W(wǎng)整體快速精密數(shù)據(jù)處理理論與方法是一個迫切需要解決的難題。

同時，高效地處理擁有數(shù)百、甚至上千個基準站的多系統(tǒng)、大規(guī)?；鶞收揪W(wǎng)數(shù)據(jù)，又面臨諸多挑戰(zhàn)：①大規(guī)模基準站網(wǎng)多系統(tǒng)多頻率GNSS觀測值整體快速解算；②大幅度減少法方程求逆時大量的模糊度，減少對流層、電離層等未知參數(shù)，以減小解算時占用的內(nèi)存資源，提高解算效率；③完善模糊度固定可靠性技術，解決多系統(tǒng)多頻率下高維模糊度固定的問題，實現(xiàn)高維模糊度快速、準確的固定。

3.3 基準站網(wǎng)應用

3.3.1 高精度地球坐標參考框架的建立

目前，利用GNSS基準站網(wǎng)建立與維持高精度全球或區(qū)域地心動態(tài)坐標框架，相比傳統(tǒng)方法來講，既經(jīng)濟又簡單。ITRF是當前理論背景最完善、構建方法最全面、實現(xiàn)精度最高的全球參考框架，其基于基準站坐標與速度場的傳統(tǒng)模式為全球和區(qū)域參考框架提供基準。從ITRF88開始，到最新的ITRF2014[28]，IERS已經(jīng)發(fā)布了13個版本的全球坐標參考框架。高精度地球參考框架的建立不僅是一個理論問題，而且也是一個實際觀測與數(shù)據(jù)處理問題，它既受到高階電離層、環(huán)境負載、熱膨脹等地球物理效應的影響[29-32]，還與GNSS基準站網(wǎng)中站點的數(shù)量、質(zhì)量、選取、分布、均勻性及密度、觀測與數(shù)據(jù)處理方法等有關[8]。

構建顧及基準站非線性變化的毫米級地球參考框架是大地測量領域21世紀的一個重要任務，也是一個迫切需要解決的問題，其面臨著諸多挑戰(zhàn)：①進一步完善現(xiàn)有的空間觀測技術(VLBI、SLR、DORIS、GNSS)數(shù)據(jù)處理理論與方法，去除坐標時間序列中虛假的非線性變化，獲取“干凈”的基準站坐標時間序列[33]；②建立高精度地球物理效應(環(huán)境負載及熱膨脹)模型，明確坐標時間序列中各部分非線性變化的來源，研究建立顧及非線性變化的速度模型(ITRF2014已經(jīng)決定給出周期項，其他非線性變化仍需研究)；③量化并去除與GNSS技術相關的誤差影響(軌道模型精化、大氣影響的改正、地球定向參數(shù)等)；④研究地心運動的理論模型或觀測模型，進一步修正地球參考框架；⑤發(fā)展與完善區(qū)域參考框架建立和維持的方法(如CGCS2000的更新與維護)。最終實現(xiàn)顧及基準站非線性變化的毫米級地球參考框架的建立[34]。

3.3.2 地質(zhì)災害監(jiān)測

近年來，隨著多系統(tǒng)的發(fā)展和GNSS基準站網(wǎng)的建設與不斷改善，GNSS測站的精度和覆蓋率得以大幅度提高，數(shù)據(jù)和產(chǎn)品更加豐富，使得GNSS應用領域的深度和廣度也相應大幅提高。國際上已逐漸興起了利用GNSS研究地震預測、大陸構造變形和地球動力學等領域的高潮[35-36]，并逐漸成為世界主要國家和地區(qū)用來監(jiān)測火山地震、構造地震、全球板塊運動，尤其是板塊邊界地區(qū)的重要手段。開展此項研究的觀測網(wǎng)主要有：美國南加州GPS觀測網(wǎng)(SCIGN)、日本GNSS觀測臺陣、中國GNSS監(jiān)測網(wǎng)等。大規(guī)模長期穩(wěn)定的基準站網(wǎng)數(shù)據(jù)也為研究全球板塊間的相對運動，監(jiān)測板塊邊緣及內(nèi)部的構造變形，確定不同尺度構造塊體運動方式規(guī)模和運動速率，確定區(qū)域位移場、速率場和應變場，提供實時的連續(xù)監(jiān)測資料。

然而，多系統(tǒng)多頻率GNSS應用于全球地質(zhì)災害的監(jiān)測同樣面臨嚴峻的挑戰(zhàn)：①發(fā)展基于大規(guī)模、高采樣率GNSS實時精密數(shù)據(jù)處理技術的地震、海嘯等災害綜合預警理論與方法，提高預警的準確性和時效性；②完善GNSS與GRACE技術相結合分析地表形變與水儲量變化關系的方法，并用于旱澇災害、地面沉降等災害與環(huán)境變化研究；③聯(lián)合GNSS技術與水聲學等多種手段進行海底大地測量方法，并用于監(jiān)測大洋地震帶等區(qū)域的活動情況，并應用于地震預警；④完善GNSS無源SAR影像理論，發(fā)展地物目標參數(shù)信息提取方法；⑤研究地震、海嘯等災害引發(fā)的地表形變和電離層異常與其他異常的分離方法。

3.3.3 大氣環(huán)境監(jiān)測

監(jiān)測大氣環(huán)境也是GNSS的一個重要應用領域。例如利用GNSS研究全球性長期天氣特征、區(qū)域性天氣預報，以及通過探測電離層電子含量的分布及變化規(guī)律進行地震預測等[37,38]。盡管利用地基GNSS觀測網(wǎng)監(jiān)測大氣環(huán)境的理論和方法目前比較成熟，但在實際應用中，也存在諸多挑戰(zhàn)問題有待于進一步解決，包括：①將地基GNSS基準站網(wǎng)實時獲取的高精度、高分辨率PWV序列或SWV序列同化到業(yè)務運行系統(tǒng)時，低高度角觀測值包含豐富的水汽含量信息，對水汽探測有重要貢獻，但由于多路徑效應及大氣各向異性的影響，導致低高度角觀測值的可用性和精確性成為難題；②在地基GNSS資料同化中，觀測誤差的估計、模式初始場的調(diào)整、背景誤差的確定及同化技術的選擇都是有待進一步深入研究；③發(fā)展基于大規(guī)模、高采樣率GNSS網(wǎng)反演的電離層總電子含量服務于地震預警的理論與方法，提高預警的可行性也同樣面臨許多關鍵難點；④隨著天基GNSS無線掩星的發(fā)展，如何有效地聯(lián)合地基GNSS及空間GNSS無線掩星共同監(jiān)測地球大氣環(huán)境也是有待解決的關鍵問題。

3.3.4 高精度定位、導航與位置服務

隨著“智慧城市”“智能交通”的建設，對GNSS的定位和導航的精度也提出了新的要求。地基(星基)GNSS增強系統(tǒng)是實現(xiàn)導航與位置服務的基礎，而基準站網(wǎng)是實現(xiàn)增強系統(tǒng)的前提。基于增強系統(tǒng)，采用基于載波相位觀測值的精密單點定位能實現(xiàn)廣域(或全球)動態(tài)定位，可實現(xiàn)單頻機定位優(yōu)于1 m量級、雙頻機定位分米級的實時定位結果，以滿足精細農(nóng)業(yè)、智能交通、智慧城市等的需要。

同時，高精度定位、導航與位置服務也面臨不少挑戰(zhàn)：①研究多傳感器的組合導航技術，完善GNSS/INS矢量跟蹤深組合技術，提高接收機的抗干擾性和在高動態(tài)環(huán)境下的工作穩(wěn)定性；②發(fā)展全源協(xié)同導航技術，實現(xiàn)在任何環(huán)境下的高精度導航定位，滿足不同行業(yè)位置服務的需要；③積極研究位置服務新業(yè)務，實現(xiàn)與GNSS技術與互聯(lián)網(wǎng)技術更緊密的結合，廣泛拓展位置服務新領域，如目前盛行的滴滴打車、共享單車等。

3.3.5 其 他

GNSS和CORS技術不僅被用于航空航天、測繪、地質(zhì)災害監(jiān)測與預警、大氣環(huán)境監(jiān)測、智能交通等領域，還可以被用于機械控制、物流、氣象預報、基礎設施巡查、應急救援等其他行業(yè)和領域，已具有了跨行業(yè)特性?；鶞收揪W(wǎng)可以并已經(jīng)涉及多種學科領域，必將在與通信、網(wǎng)絡、網(wǎng)格、計算機、氣象、地震、網(wǎng)絡、社交、交通等學科的融合中得到發(fā)展，進而促進經(jīng)濟和社會的發(fā)展。這不但會提升衛(wèi)星導航定位相關技術的應用水平，還會衍生一系列具有增值潛力的服務技術的涌現(xiàn)[39]。

4 結束語

為了提高GNSS導航定位的精度和服務，全球很多國家、組織、部門和行業(yè)建立了或正在建不同用途和功能的基準站網(wǎng)，基準站網(wǎng)得到了快速發(fā)展。目前，基準站的數(shù)量和積累的數(shù)據(jù)越來越多，可觀測到的衛(wèi)星數(shù)和觀測值類型越來越多，基準站網(wǎng)服務的內(nèi)容也越來越廣泛，與其他學科和技術的交叉也越來越多。這也為GNSS數(shù)據(jù)處理理論、方法和應用帶了諸多機遇與挑戰(zhàn)。此外，GNSS基準站網(wǎng)是實現(xiàn)高精度位置服務的重要基礎設施。而當今位置已經(jīng)不再是一個由地理坐標和時間構成的四維概念，“社會性”將成為其重要的屬性。那么，隨著衛(wèi)星導航定位技術應用和發(fā)展，并與其他技術(如慣性、無線電、天文、量子等)協(xié)同定位，將為綜合PNT服務的發(fā)展帶來機遇[40]，并不斷服務人類多樣化個性化需求。如此看來，未來GNSS技術應用真的只局限于人類想象力的限制。

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(責任編輯：張燕燕)

Challenges and Opportunities of GNSS Reference Station Network

JIANG Weiping

GNSS Research Center, Wuhan University, Wuhan 430079, China

GNSS(Global Navigation Satellite System) reference station network is not only an important infrastructure to provide national, regional and global high-precision time and space datum, but also is an important support for navigation and location services, precise satellite orbit determination, geological disaster monitoring and other scientific and technological applications. At present, with the increase of reference station network of continuously operating reference system (CORS) and the rapid establishment of BeiDou, the development of the networks is facing many opportunities and challenges. Firstly, this paper gives the definition and classification of the GNSS reference station network, and describes its function and significance. And then the history and present situation of development of the network are analyzed. Finally, we discuss the challenges and opportunities of the network based on its establishment, data processing theory and method, application.

GNSS; Continuous operation reference stations; GNSS data processing; BeiDou satellite navigation system

The National Science Foundation for Distinguished Young Scholars of China(No. 41525014); The National Natural Science Foundation of China(No. 41374033); The Program for Changjiang Scholars of the Ministry of Education of China

姜衛(wèi)平.衛(wèi)星導航定位基準站網(wǎng)的發(fā)展現(xiàn)狀、機遇與挑戰(zhàn)[J].測繪學報，2017,46(10)：1379-1388.

10.11947/j.AGCS.2017.20170424.

JIANG Weiping.Challenges and Opportunities of GNSS Reference Station Network[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica,2017,46(10):1379-1388. DOI:10.11947/j.AGCS.2017.20170424.

P227

A

1001-1595(2017)10-1379-10

國家杰出青年科學基金(41525014)；國家自然科學基金(41374033)；教育部長江學者獎勵計劃

2017-07-21

修回日期： 2017-09-08

姜衛(wèi)平( 1972—)，男，教授，博士生導師，研究方向為衛(wèi)星大地測量學理論與方法及工程應用。

Author： JIANG Weiping(1972—)，male，professor，PhD supervisor，majors in the theory of satellite geodesy and engineering applications.