姜衛平：衛星導航定位基準站網的發展現狀、機遇與挑戰

衛星導航定位基準站網的發展現狀、機遇與挑戰

姜衛平     

武漢大學衛星導航定位技術研究中心, 湖北 武漢 430079

收稿日期：2017-07-21；修回日期：2017-09-08

基金項目：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

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之一作者簡介：姜衛平(1972-), 男, 教授, 博士生導師, 研究方向為衛星大地測量學理論與 *** 及工程應用

摘要：衛星導航定位基準站網不僅是提供國家、區域、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、精密衛星定軌、地質災害監測等工程和科學研究的重要支撐。當前，隨著基準站網規模的不斷增加、觀測數據的不斷積累以及我國北斗系統的逐步建成，無論在衛星導航定位數據處理理論還是應用方面，基準站網的發展面臨著不少機遇與挑戰。本文首先給出了基準站網的定義和類別，并描述了功能與意義；然后分析了其發展的歷史與現狀；最后從基準站網的建立、數據處理理論與 *** 、應用三方面討論了所面臨的機遇與挑戰，并給出了一些建議和想法。

關鍵詞：GNSS    基準站網    GNSS數據處理    北斗衛星導航系統    

Challenges and Opportunities of GNSS Reference Station Network

JIANG Weiping     

Abstract: 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 *** yzed. Finally, we discuss the challenges and opportunities of the network based on its establishment, data processing theory and method, application.

Key words: GNSS     Continuous operation reference stations     GNSS data processing     BeiDou satellite navigation system   

20世紀70年代初，為了滿足軍事和民用對連續實時三維導航的迫切需求，美國開始研制基于衛星的全球定位系統GPS(Global Positioning System)，開啟了全球衛星導航系統(Global Navigation Satellite System，GNSS)的新時代。由于GNSS在國家安全、經濟建設與社會發展中具有重要作用，因此，繼美國GPS之后，俄羅斯、中國、歐盟等都在競相發展各自獨立的衛星導航系統(GLONASS、BDS和Galileo)。經過近40年的發展，GNSS經歷了從不成熟到成熟、從單個系統到多個系統、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更高到米級，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測等目的，而后逐步形成基準站網，如國際GNSS服務組織(International GNSS Service，IGS)建設的跟蹤站網。1994年，美國國家大地測量局(National Geodetic Service，NGS)學者William E Strange提出了連續運行參考站的概念。1995年，他和同事明確給出了連續運行參考站系統(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開始構建連續運行的GPS基準站網。如到1995年，NGS已經擁有50個左右高質量的連續運行的GPS測站。IGS和NGS很大程度地推動了GNSS基準站網的發展。

連續運行基準站網及其系統集成了GNSS、通信、氣象數據采集等技術，它是GNSS實現高精度導航與位置服務的支撐平臺，也是建立坐標框架、監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、行業和組織紛紛建立了不同尺度的GNSS基準站網，包括大尺度的IGS全球基準站網，中尺度的國家、區域或省級連續運行基準站網(如中國地殼運動觀測 *** )、小尺度的大橋及大壩等工程基準網。隨著GPS和GLONASS的現代化，以及北斗和Galileo的快速發展，再加上不同規模、不同用途基準站網的建成，給基準站網的發展和應用帶來了眾多的機遇和挑戰，如大規模基準站網整體快速解算、高精度地球坐標參考框架的建立、地質災害監測與預警，GNSS大氣環境監測及高精度導航和位置服務等技術及其應用。

1 GNSS基準站網的定義與功能1.1 基準站網的定義與類別

衛星導航定位基準站網可定義為由一定范圍內(甚至全球)的若干個(大于3個)GNSS測站(包括連續運行和不連續運行的基準站)組成。GNSS基準站網系統可定義為將基準站網通過 *** 互聯，構成以提供位置和時間信息為核心的 *** 化綜合服務系統。

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

全球網是指在全球布站，面向全球服務。如IGS跟蹤站網。

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

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

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

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

1.2 基準站網的功能

如前所言，基準站網能將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及其基準站網為國家關鍵基礎設施。基準站網還是導航與位置服務、精密衛星定軌、地質災害監測等工程和科學應用的重要支撐。

從產品來講，基準站網及其系統可以實現數據的網內共享，具有全天候、全自動、實時導航定位功能。目前所涉及的產品主要包括：基準站地心坐標及速度、地球自轉參數、跟蹤站觀測數據、精密星歷、衛星鐘差、氣象參數、電離層模型、基準站坐標時間序列等。

從應用來講，基準站網不僅可滿足覆蓋區域內地面、空中和水上交通工具的導航、調度、自動識別和安全監控等功能，還可以服務于高精度中短期天氣狀況的數值預報、變形監測等領域。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，基準站網還可實現納秒級的授時，可廣泛應用于通信系統和電力系統的時間同步^[8]。

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

2 GNSS基準站網的發展現狀及最新進展2.1 全球GNSS基準站網

目前，IGS連續運行基準站網是全球分布最廣泛、空間規模更大的GNSS基準站網。20世紀90年代初，國際大地測量協會(IAG)成立IGS，并且開始在全球建立GNSS連續運行基準站網。其最初的目標是為大地測量和地球物理研究提 *** 品，主要任務包括：建立精確的全球參考框架、確定精密地球自轉參數與GNSS軌道、為區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(數據來源為網站http://itrf.ensg.ign.fr/ITRF_solutions/2014/)。其服務內容也更為廣泛，可發布精密軌道、電離層、對流層、精密鐘差等產品。

目前，IGS開始著手建立能夠跟蹤和接收所有可用GNSS衛星信號(包括GPS、GLONASS、Galileo、北斗、QZSS、IRNSS等衛星導航系統)的基準站網，用以分析多系統特性，促進多系統精密融合數據處理技術的發展。經過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GNSS連續運行基準站網MGEX^[9](Multi-GNSS Experiment)，基準站的分布圖見網站(http://itrf.ensg.ign.fr/ITRF_solutions/2014/)。

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

2.2 國家GNSS基準站網

2.2.1 美國、德國、日本等國家GNSS基準站網

美國是最早建立連續運行基準站網的國家。其國家基準站網由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衛星觀測站數據。其中，30 d內為原始采樣間隔的數據，30 d后為30 s采樣間隔的數據。NGS還提供網上數據處理服務，所有數據均向合作組織開放。基于基準站網，美國有很多 *** 實時動態定位RTK(real time kinematic)服務系統，如美國加利福尼亞州南部的奧倫奇市實時 *** RTK和圣地亞哥實時 *** 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下，基準站網后處理坐標的精度可達厘米級。美國基準站網的測站分布參考https://www.ngs.noaa.gov/CORS/。

德國衛星定位與導航服務系統(the satellite positioning service of the German national survey，SAPOS)是一個連續運行的、覆蓋全國的多功能差分GNSS定位導航服務體系，是德國國家空間數據基礎設施，由德國國家測量管理部門聯合測繪、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據，實現厘米級水平的導航和定位坐標。SAPOS采用區域改正參數的 *** 來削弱差分GNSS的誤差，每顆衛星的區域改正參數以10 s的間隔播發。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測網，逐步發展成日本連續應變監測系統。該系統不斷發展，最終形成了由GNSS連續觀測站組成的基準站網，稱為GEONET(GNSS earth observation network system)。該網平均密度為20 km，最密的部分如關東、東京等地區是10~15 km一個站。2005年底，已經建成1200個遍布全日本的GNSS永久跟蹤基準站。觀測站數據通過ISDN(integrated services digital network)網進入GSI數據處理中心，并進入互聯網，在全球共享。該系統構成了一個格網式的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測系統；建成國家范圍內的現代“電子大地控制網點”；提供GNSS高精度測量定位服務，并要求具有實時動態定位能力，目的是取代傳統的包括GNSS靜態網的控制測量和建立模式。GEONET的主要應用是：地震監測和預報、控制測量、工程控制和監測、測圖和地理信息系統更新、氣象監測和天氣預報^[10]。

2.2.2 中國國家GNSS基準站網

1992年，國家測繪地理信息局在武漢建立了中國之一個GNSS連續運行基準站，即現在的IGS武漢站(WUHN)，用于全球大地參考框架定義及GNSS衛星軌道確定。此后，又分別在北京、 *** 、烏魯木齊、咸陽、西寧、海口和哈爾濱等地建設了8個GNSS連續運行基準站，主要目的是建立國家大地基準控制網，為我國坐標參考框架建設提供參考數據，并服務于國際GNSS地球動力學研究。此外，經過數10年的觀測，武漢、 *** 、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。

測繪行業的GNSS基準站在國內占據了重要地位，如早期建立的國家GPS A、B級網，省、市建立的基準站網等。2012年，國家測繪地理信息局啟動了國家現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余個連續運行站組成的且全國均勻分布的GNSS基準站網^[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境監測 *** (簡稱陸態 *** )工程。該工程于2012年3月建成了由260余個連續運行基準站(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 *** 。陸態網主要用于監測中國大陸地殼運動、重力場形態及變化、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、現代大地測量基準系統的建立和維持、汛期暴雨的大尺度水汽輸送模型、電離層動態變化圖像及空間天氣等科學問題提供基礎資料和產品。

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

2.3 區域GNSS基準站網

2000年以后，為了滿足城市經濟建設的需要，我國先后在深圳、北京、上海、香港、武漢等城市建成具有 *** RTK功能的CORS網^[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)是我國之一個實用化的實時動態CORS，于2001年9月建成并投入試驗和試運行。該系統由基準站(5個)、系統控制中心、數據中心、用戶應用中心、數據通信等子系統組成。SZCORS通過G *** 通信方式，采用虛擬參考站技術提供 *** RTK實時定位差分數據服務，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，黑龍江、云南等省正在積極籌建。相關發展過程如圖 3所示。

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或融合已有城市CORS的選擇。獨立建網方式簡單、統一，涉及單位少，無需共享機制，但建設和維護成本高。為了節約成本、充分利用已有資源和統一區域基準，大多數省份都選擇了通過納入不同地方、行業的已有站點來建立省級CORS。以廣東省為例，CORS建設前，已有1個行業級和3個城市級CORS，共36個站。為了避免浪費和充分利用現有資源，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，組成了統一的空間數據參考框架，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，互不涉足對方業務應用領域，在其他領域應用上互相協商。

(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，省廳負責全網管理、維護和應用。

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

2.4 工程GNSS基準站網

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 *** 相比具有很好的優越性。GNSS基準站網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 監測服務。運營階段，基準站網可為工程建筑的變形提供實時高精度監測數據，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基準站網系統和山西西龍池上水庫GPS變形監測系統為例，分別介紹工程基準站網的建設服務和監測服務。

工程基準站網具有站間距小、覆蓋范圍小、定位精度高、系統穩定性要求高等特點。港珠澳大橋GNSS基準站網，為港珠澳大橋建設提供厘米級的實時定位服務。系統信號覆蓋主體工程建設區域，在非完全隱蔽區內實時定位精度平面優于±2 cm、高程優于±3 cm，可滿足工程建設階段的需要^[14]。

西龍池上水庫GPS變形監測系統構建了一套合理、高度集成化的GPS監測軟件平臺，使用TCP/IP協議實現監測點接收機與主機的互聯互訪、遠程控制等，具有拓撲結構簡單、易于維護、性能穩定等特點。系統無需人工值守，其數據采集、處理、分析等在監控室主機的自動控制下完成。系統具有較高的穩定性，在觀測數據無缺失的情況下，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。該系統可提供高效率的實時、自動化、高精度大壩變形監測服務，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，將來隨著多系統星座的逐步完善及硬件技術的進一步發展，GNSS技術將會在工程建設和監測領域發揮更重要的作用。

3 GNSS基準站網發展的機遇與挑戰3.1 基準站網的建立

隨著GPS、GLONASS、北斗和Galileo的發展，未來的GNSS衛星會發射更多頻率的信號^[16]，可用的觀測值類型也會越來越多，基準站網同時可觀測到的衛星數目也會成倍增加。這使基準站網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，隨著社會經濟和科技的發展，尤其是通信技術的飛速發展，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的建設。

2012年底，北斗衛星導航系統已經具備覆蓋亞太地區的無源定位、導航和授時及短報文通信服務能力，并且預計在2020年實現全球覆蓋。伴隨著北斗的快速發展，國產芯片技術的進步，我國的很多行業和部門也紛紛建立基于北斗系統的基準站網。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；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；阿里巴巴公司也正在建立“千尋”基準站網等。屆時，我國基準站的數量會越來越多，應用領域也會越來越廣泛。據不完全統計，截至2017年1月，中國建立的連續運行基準站已超過6000個。

雖然，現在我國各地連續運行基準站網建設方興未艾，并且在新建、改造CORS的過程中已經解決了很多技術難題，積累了不少經驗，但也存在不少問題：我國連續運行基準站網建設缺乏統籌規劃、分布不均，在經濟發達地區存在重復建站、重復投資、資源與信息不能共享的現象，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一管理規劃協調^[5, 17]。如何合理統籌協調不同部門、組織合理建立基準站網需要優化的頂層設計。

3.2 基準站網的數據處理理論與 ***

當前基準站網面臨的局面是：不僅基準站數量越來越多，規模越來越大，觀測時間越來越長；而且，存在著四大衛星導航系統并存的局面，新衛星星座均提供至少3個頻率的服務。這種局面下，必然會推進基準站網的數據處理理論與 *** 的發展。

3.2.1 多系統多頻率數據處理 ***

大量研究表明，綜合利用多個GNSS的信號，并在觀測值層面統一處理不同系統的觀測數據，能有效提高GNSS定位的可靠性和穩定性^[18]。因此，研究多GNSS融合精密定位算法就成了GNSS技術發展的新機遇。相較于單一的GPS，多系統融合不僅能夠擴展GNSS應用的地域范圍，增加可見衛星數量和觀測值類型，而且可以優化衛星幾何構型，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量與類型。

然而，多GNSS融合也面臨諸多挑戰：① 構建基于原始觀測值的多系統多頻率GNSS統一數據處理模型，提供全面、自洽的GNSS產品，實現多系統的緊融合^[22-23]；② 建立PPP-RTK統一動態定位服務模型，滿足用戶的多樣化需求；③ 完善數據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、新衛星相位中心模型、短周期的地球定向參數潮汐(EOP Tides)等，進一步提高模型精度；④ 發展高軌衛星、星間鏈路、低軌衛星、重力場等統一整體解算 *** ，實現各類相關產品的“一步”整體估計，等等。

3.2.2 大規模基準站網整體快速解算

目前，大多數GNSS數據處理軟件只能同時處理少于100個測站的數據(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，嚴重影響數據解算效率，并導致解算結果的滯后^[25]。為了解決這個現實性難題，IGS分析中心(如Scripps Institution of Oceanography，SIO)采用的策略是：將一個大規模GNSS基準站網分成若干子網。以SIO為例，將基準站按不同來源、用途等分成了46個子網，子網測站數30~40不等，且不同網間包含一定的公共站。首先，各子網獨立解算，然后將各子網解聯合處理，從而得到最終解算結果^[26]。劃分子網不僅在數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模GPS網整體快速處理的 *** 。該 *** 有效避免了上述不足，實現了大規模GPS網雙頻數據整體高精度、高效率處理。然而，該 *** 僅適用GPS單系統，不適用多系統，而且也只針對雙頻，不能直接用于三頻數據。多系統、多頻率、大規模基準站網整體快速精密數據處理理論與 *** 是一個迫切需要解決的難題。

同時，高效地處理擁有數百、甚至上千個基準站的多系統、大規模基準站網數據，又面臨諸多挑戰：① 大規模基準站網多系統多頻率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，以減小解算時占用的內存資源，提高解算效率；③ 完善模糊度固定可靠性技術，解決多系統多頻率下高維模糊度固定的問題，實現高維模糊度快速、準確的固定。

3.3 基準站網應用

3.3.1 高精度地球坐標參考框架的建立

目前，利用GNSS基準站網建立與維持高精度全球或區域地心動態坐標框架，相比傳統 *** 來講，既經濟又簡單。ITRF是當前理論背景最完善、構建 *** 最全面、實現精度更高的全球參考框架，其基于基準站坐標與速度場的傳統模式為全球和區域參考框架提供基準。從ITRF88開始，到最新的ITRF2014^[28]，IERS已經發布了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據處理問題，它既受到高階電離層、環境負載、熱膨脹等地球物理效應的影響^[29-32]，還與GNSS基準站網中站點的數量、質量、選取、分布、均勻性及密度、觀測與數據處理 *** 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：① 進一步完善現有的空間觀測技術(VLBI、SLR、DORIS、GNSS)數據處理理論與 *** ，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 發展與完善區域參考框架建立和維持的 *** (如CGCS2000的更新與維護)。最終實現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 地質災害監測

近年來，隨著多系統的發展和GNSS基準站網的建設與不斷改善，GNSS測站的精度和覆蓋率得以大幅度提高，數據和產品更加豐富，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 *** ^[35-36]，并逐漸成為世界主要國家和地區用來監測火山地震、構造地震、全球板塊運動，尤其是板塊邊界地區的重要手段。開展此項研究的觀測網主要有：美國南加州GPS觀測網(SCIGN)、日本GNSS觀測臺陣、中國GNSS監測網等。大規模長期穩定的基準站網數據也為研究全球板塊間的相對運動，監測板塊邊緣及內部的構造變形，確定不同尺度構造塊體運動方式規模和運動速率，確定區域位移場、速率場和應變場，提供實時的連續監測資料。

然而，多系統多頻率GNSS應用于全球地質災害的監測同樣面臨嚴峻的挑戰：① 發展基于大規模、高采樣率GNSS實時精密數據處理技術的地震、海嘯等災害綜合預警理論與 *** ，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 *** ，并用于旱澇災害、地面沉降等災害與環境變化研究；③ 聯合GNSS技術與水聲學等多種手段進行海底大地測量 *** ，并用于監測大洋地震帶等區域的活動情況，并應用于地震預警；④ 完善GNSS無源SAR影像理論，發展地物目標參數信息提取 *** ；⑤ 研究地震、海嘯等災害引發的地表形變和電離層異常與其他異常的分離 *** 。

3.3.3 大氣環境監測

監測大氣環境也是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律進行地震預測等^[37, 38]。盡管利用地基GNSS觀測網監測大氣環境的理論和 *** 目前比較成熟，但在實際應用中，也存在諸多挑戰問題有待于進一步解決，包括：① 將地基GNSS基準站網實時獲取的高精度、高分辨率PWV序列或SWV序列同化到業務運行系統時，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 發展基于大規模、高采樣率GNSS網反演的電離層總電子含量服務于地震預警的理論與 *** ，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無線掩星的發展，如何有效地聯合地基GNSS及空間GNSS無線掩星共同監測地球大氣環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增強系統是實現導航與位置服務的基礎，而基準站網是實現增強系統的前提。基于增強系統，采用基于載波相位觀測值的精密單點定位能實現廣域(或全球)動態定位，可實現單頻機定位優于1 m量級、雙頻機定位分米級的實時定位結果，以滿足精細農業、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：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環境下的工作穩定性；② 發展全源協同導航技術，實現在任何環境下的高精度導航定位，滿足不同行業位置服務的需要；③ 積極研究位置服務新業務，實現與GNSS技術與互聯網技術更緊密的結合，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、地質災害監測與預警、大氣環境監測、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和領域，已具有了跨行業特性。基準站網可以并已經涉及多種學科領域，必將在與通信、 *** 、網格、計算機、氣象、地震、 *** 、社交、交通等學科的融合中得到發展，進而促進經濟和社會的發展。這不但會提升衛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^[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、部門和行業建立了或正在建不同用途和功能的基準站網，基準站網得到了快速發展。目前，基準站的數量和積累的數據越來越多，可觀測到的衛星數和觀測值類型越來越多，基準站網服務的內容也越來越廣泛，與其他學科和技術的交叉也越來越多。這也為GNSS數據處理理論、 *** 和應用帶了諸多機遇與挑戰。此外，GNSS基準站網是實現高精度位置服務的重要基礎設施。而當今位置已經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，隨著衛星導航定位技術應用和發展，并與其他技術(如慣性、無線電、天文、量子等)協同定位，將為綜合PNT服務的發展帶來機遇^[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。
 

【引文格式】姜衛平。衛星導航定位基準站網的發展現狀、機遇與挑戰[J]. 測繪學報，2017，46(10)：1379-1388. DOI: 10.11947/j.AGCS.2017.20170424