Nihols Brown, John Dwson, Ryn Ruddik

a Director of National Geodesy, Geoscience Australia, Australia

b Director of Positioning, Geoscience Australia, Australia

c Director of GNSS Infrastructure and Informatics, Geoscience Australia, Australia

1. 引言

2018年，澳大利亞聯(lián)邦政府承諾為Positioning Australia計劃提供2.249億澳元（合1.6億美元），以向所有澳大利亞人提供10 cm精度的精確定位服務，并進一步加速定位技術的升級與應用。與目前市場消費級別的5～10 m的定位精度相比，該計劃將極大提升定位服務精度。從地理位置上講，澳大利亞可借助全球或者區(qū)域星座獲取高質量、準確以及高效的天基定位星座，包括美國（Global Positioning System, GPS）、俄羅斯（Global Navigation Satellite System, GLONASS）、歐盟（Galileo）、中國（北斗）、日本（Quasi-Zenith Satellite System,QZSS）和印度（Indian Regional Navigation Satellite System, IRNSS）的星座。

這項資助承諾無疑承認了大地測量學不再是一門深奧的科學。借助大地測量學，我們可計算出當前自身在地球上的位置，確定周圍物體的位置，并可以通過統(tǒng)一空間數(shù)據(jù)做出更好的決策。大地測量學是眾多社會、環(huán)境和經(jīng)濟活動的依托。除了應用在傳統(tǒng)的測量、制圖和導航等領域外，大地測量學還在土木工程、工業(yè)自動化、農(nóng)業(yè)（例如，Syifa等，見本期）、建筑、采礦、娛樂、金融交易、智能運輸系統(tǒng)、災難響應和應急管理（例如，Baek和Jung，見本期）、環(huán)境研究和科學研究等領域發(fā)揮越來越重要的作用。

到2023年，基于位置的服務（如增強現(xiàn)實和緊急服務）和智能運輸服務（公路、鐵路、海運和航空）預計將占全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）芯片組銷售額的93.5% [1]。此外，得益于定位技術的發(fā)展，澳大利亞經(jīng)濟預計在2030將增長730億澳元（520億美元）[2]。非專業(yè)用戶群體不斷增長，他們期望獲得實時、準確、高可靠性的定位服務和應用程序。我們不應期望非專業(yè)用戶會做坐標計算、坐標系轉換、基準面與大地水準面模型等復雜計算。政府和定位領域專業(yè)人士面臨的挑戰(zhàn)是開發(fā)高質量、耐用的基礎設施、工具、服務和通信服務，使工業(yè)界、科學家和公眾能夠利用該技術并最大限度受益。

通過實施Positioning Australia計劃，澳大利亞地球科學局的目標是填補其中的一些空白，并加快澳大利亞對定位技術的接受和應用。通過提高定位的可訪問性、準確性和可靠性，我們將在眾多行業(yè)中實現(xiàn)技術創(chuàng)新并加速經(jīng)濟增長。該計劃將通過一系列項目的完成來實現(xiàn)，項目內(nèi)容如下所述。

2. Positioning Australia計劃

Positioning Australia計劃的目的是確保高精度位置信息能廣泛為澳大利亞服務。該項服務是通過兩個補充項目提供的：由地面站基礎設施和GNSS分析軟件組成的國家觀測網(wǎng)（請參閱下文），以及通過星基增強系統(tǒng)（SBAS）播發(fā)定位改正數(shù)據(jù)給澳大利亞用戶。

SBAS克服了當前在移動和無線電通信中的空白，并且與國家基礎架構網(wǎng)絡結合使用時，可以確保接收到準確的定位信息。SBAS可以增強和校正GNSS信號，以提高定位數(shù)據(jù)的準確性，并使其可以在澳大利亞及其海域中使用，而無需移動通信信號或互聯(lián)網(wǎng)覆蓋。

2020年2月，澳大利亞和新西蘭建立了合作伙伴關系，共同交付該計劃的SBAS組件。這將是南半球第一套天基增強系統(tǒng)，將被稱為南部定位增強網(wǎng)。

當前的定位精度通常為5～10 m。然而，通過此程序，在覆蓋移動通信信號的區(qū)域中，精度將提高到3 cm以內(nèi)，在其余地區(qū)，精度都可以提高到10 cm以內(nèi)。這將為澳大利亞及其海域提供準確、可靠和實時的定位（圖 1）。這些項目將提供更可靠的定位信息，從而在農(nóng)業(yè)、運輸、應急管理、采礦、工程和物流等一系列行業(yè)中實現(xiàn)技術創(chuàng)新與效率提升。

3. 全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)基礎設施的密集化

為確保澳大利亞地球科學局能夠在整個澳大利亞大陸提供高質量的定位校正，項目將提供6400萬澳元（合4600萬美元）專門用于升級和擴大澳大利亞GNSS地面網(wǎng)絡。大約200個由政府運營的GNSS地面站的網(wǎng)絡將實現(xiàn)布設，并擁有500多個第三方地面站，以提供基于移動互聯(lián)網(wǎng)（在覆蓋范圍內(nèi)）的開放式、厘米級精度的改正服務。澳大利亞地球科學局還將建立一個GNSS數(shù)據(jù)中心，以監(jiān)控GNSS網(wǎng)絡，并將數(shù)據(jù)歸檔與分發(fā)給來自不同部門的用戶，包括系統(tǒng)集成商和開發(fā)者。網(wǎng)絡升級將于2022年6月完成。

4. 開源實時定位軟件和產(chǎn)品的開發(fā)

為鼓勵利用并革新Positioning Australia準確可靠的定位、導航和授時服務，澳大利亞地球科學局正在開發(fā)和發(fā)布多GNSS分析軟件，該軟件可用于管理、處理與播發(fā)GNSS數(shù)據(jù)和相關產(chǎn)品。

此功能將包括：

（1）網(wǎng)絡端，能夠接收載波、測距碼和測距觀測數(shù)據(jù)，以便能夠計算高精度軌道、時鐘、衛(wèi)星相位偏差、大氣模型以及測站坐標；

（2）用戶端，除了能夠接收載波和測距碼觀測數(shù)據(jù)外，它還能接收高精度軌道、時鐘、衛(wèi)星相位改正偏差和大氣模型，由此單接收機可以獲取高精度位置信息；

（3）組合平臺，能夠接收參數(shù)估計及其方差-協(xié)方差信息，以實現(xiàn)大地測量學解決方案的最優(yōu)組合，包括將站點坐標組合為多日解，通過估計站點的漂移速度得到站點多年的坐標，由此獲得站點時間序列。

該軟件的第一版已于2018年6月交付。澳大利亞地球科學局將繼續(xù)進行后續(xù)的軟件開發(fā)，并有望擁有一套開源軟件，該軟件能夠處理衛(wèi)星數(shù)據(jù)并在2022年6月前提供高精度實時定位數(shù)據(jù)。

5. 升級澳大利亞地理空間參考系統(tǒng)

圖1. 用戶將能夠從地面和衛(wèi)星平臺接收準確而可靠的定位信息。資料來源：澳大利亞地球科學局。

圖2. 澳大利亞地理空間參考系統(tǒng)是一個統(tǒng)稱，用于描述準確、可靠的四維（4D）定位所需的基準、參考框架、模型、基礎結構和標準。資料來源：澳大利亞地球科學局。

澳大利亞地理空間參考系統(tǒng)是一個統(tǒng)稱，用于描述準確、可靠的四維（4D）定位所需的基準、參考框架、模型、基礎結構和標準（圖2）。

為最大限度地發(fā)揮新興精確定位技術的優(yōu)勢，需要比觀測數(shù)據(jù)更精確的基準或參考框架，其與GNSS的參考框架統(tǒng)一，并且在某些情況下還與時間相關。

為了滿足這些需求，過去十年來，來自澳大利亞聯(lián)邦、州和領地政府的大地測量學家對澳大利亞地理空間參考系統(tǒng)的許多參數(shù)進行了升級，包括將靜態(tài)基準面從1994年澳大利亞的地心基準面（GDA94）升級為澳大利亞2020年的地心基準面（GDA2020）。澳大利亞還引入了與時間有關的參考框架——澳大利亞地球參考框架2014（ATRF2014），它是2014年國際地球參考框架的簡化版本[3]。用戶可以使用板塊運動模型在靜態(tài)GDA2020和與時間相關的ATRF2014之間轉換，類似于Cheng等描述的方法（見本期）。澳大利亞地理空間參考系統(tǒng)的其他升級包括新的高程參考基準面（澳大利亞垂直工作表面）以及用于提高大地測量數(shù)據(jù)訪問效率的開發(fā)標準（如GeodesyML）[4]。有關升級方面的更多信息，請參考Intergovernmental Committee on Surveying and Mapping（政府測繪委員會）網(wǎng)站[5]。

用戶期望和技術進步持續(xù)降低定位數(shù)據(jù)的不確定性。反過來，這也凸顯了對不斷提高我們的數(shù)據(jù)和基準面的準確性和完整性的要求。這是大地測量學界的一個新時代；越來越多的人依賴于我們所做的工作，但也有許多人不了解它。這并非意味著用戶應該理解它；實際上，應該由定位領域專業(yè)人員對其進行抽象。而作為定位領域專業(yè)人員，我們的職責就是改進技術，了解用戶需求并滿足用戶期待。