新時期技術推動下的GNSS實驗室

孔巧麗， 韓李濤， 陽凡林， 郭金運

(山東科技大學 a. 測繪科學與工程學院，b. 海島(礁)測繪技術國家測繪局重點實驗室，山東 青島 266590)

0 引 言

隨著中國自主研發的北斗導航衛星系統的逐步完善以及中國加盟的GALILEO衛星的相繼發射，國家對衛星定位與導航創新教育更加重視，對GNSS(Global Navigation Satellite System)科技建設投入的逐年增加，GNSS科技水平已經提升到很高水平，衛星定位的技術已經從依靠單一美國GPS朝著多元化發展，統稱的GNSS。此外，美國計劃出臺新的政策來限制GPS技術在其他國家的應用精度。在這新的時期，高校的GPS實驗室大都朝著GNSS多元化的方向發展，即GNSS實驗室。GNSS實驗室體現了新時期工科高校測繪技術專業的教學質量、科研實力以及管理水平，同時為GNSS新知識、新技術、新方法、新成果的誕生和應用提供了平臺[1]，是培養測繪專業學生的科技創新精神和提高綜合實踐能力的搖籃[2]。GNSS技術的快速發展已經成為世界共同關注的熱點問題，其主要包括中國的北斗導航衛星(COMPASS)、美國GPS、俄羅斯GLONASS、歐盟GALILEO系統，四者并稱全球四大衛星導航系統。在這新的時期，GNSS技術的實驗教學內容和實驗儀器設備遠遠落后于GNSS新理論、新儀器的發展速度，實驗技術人員知識結構陳舊，缺乏工作熱情。因此構建與相配套的實驗教學體系需要一個循序漸進的過程，必須不斷地進行探索、自我修正和優化。GNSS實驗教學要想充分激發測繪專業學生創新精神和提高學生實踐能力，為社會培養理論基礎扎實、實踐經驗豐富的應用型工程技術人才[3]，必須緊隨GNSS的發展趨勢，根據培養測繪專業學生創新能力的需求，堅持進行GNSS實驗室教學體系建設、改革和創新，增設特色實驗項目，提高新時期GNSS實驗室實驗技術人員的專業素質和業務技術水平，改善其知識體系[4]，解決迫在眉睫的GNSS實驗室現存的問題[5]。

1 新時期GNSS實驗室實驗項目建設與改革

GNSS技術主要應用在測繪、交通、規劃、國土、水利水電等行業，通過測量、計算、繪圖等技能來實現工作目標，屬技能顯現型專業技術。而GNSS實驗課程能夠有力地加深學生對衛星定位系統的理解和掌握，提高學生的實際動手能力。設置的GNSS實驗教學項目要由簡單到復雜，內容環環相扣，并結合GNSS技術實際應用情況，從而有利于加深和鞏固課堂知識，提高測繪工程專業學生綜合運用知識及分析和解決實際問題的能力[6]。由于GPS相對其他衛星定位系統，是一個比較成熟的系統，新時期GNSS實驗室必須保留原有實驗項目，以我校GNSS實驗室為例，該實驗室設置了6個基礎實驗項目，主要包括：①GPS接收機的認識和使用；②GPS靜態測量；③GPS數據傳輸和格式轉換；④電臺模式GPS實時動態定位(RTK：Real Time Kinematic)；⑤GPS數據預處理；⑥GPS基線解算與網平差。其中實驗①、②和④為驗證性實驗，為學生提供高精度GNSS儀器，鍛煉其儀器操作能力，實驗③為驗證性實驗，可以鍛煉學生將測量數據傳輸到電腦，并將測量格式進行轉換，實驗⑤為設計性實驗，對數據進行周跳探測和粗差處理，這是GPS數據處理中必不可少的重要環節，實驗⑥為綜合性實驗，學生利用預處理后的數據進行基線解算和網平差計算，最終獲得高精度的測站位置。

新時期GNSS實驗室必須在原有實驗項目的基礎上，增加衛星定位與導航的新知識、新技術以及新方法的應用，開設特色實驗項目，如網絡RTK實驗。如果美國關閉GPS在國內的應用或者在GPS衛星上做些手腳，國內主要由GPS進行定位和導航的儀器設備功能將會全部丟失。因此，在GPS相關實驗項目的基礎上，除了網絡RTK實驗外，還需增加國內自主衛星導航系統—北斗衛星導航系統的定位實驗，以及多星系統兼容的綜合衛星定位與導航實驗等。新時期GNSS實驗室實驗項目設計如圖1所示。

圖1 新時期GNSS實驗室實驗項目設計圖

1.1 網絡RTK實驗

GPS實時動態定位(RTK)技術應用于測量領域已經是一項很成熟的技術，通過差分技術，可以消除對流層、電離層等誤差項的影響，從而實現方便、快捷、高效且高精度的測量作業。RTK技術可分為兩種：電臺模式RTK和網絡RTK，前者是通過無線電技術接收單基站廣播改正數的常規RTK技術；后者是基于Internet數據通訊鏈獲取虛擬參考站(VRS)技術播發改正數的網絡RTK技術。電臺模式RTK局限在較短距離范圍內，隨著流動站與基準間距離的延長，各類系統誤差的殘差快速增大，致使無法正確確定整周模糊度參數和取得固定解，為了實現大區域范圍內高精度實時動態定位，網絡RTK(CORS)技術應運而生，其中VRS(Virtual Reference Station)的虛擬參考站技術和FKP(Flat Plane Correction Parameter)的區域改正參數法技術比較具有代表性。流動站通過接收CORS系統管理中心對參考站網數據整體網解算的實時差分改正信息進行RTK作業。網絡RTK工作示意圖如圖2所示。

如在我校，網絡RTK實驗可以在山東省全境的SDCORS網的基礎上進行，該CORS網包括100多個個基準站。實驗的主要內容和目標包括：加深對網絡RTK測量的基本原理的理解；掌握中國移動GPRS(CMNET)或聯通CDMA無線網絡連接Internet的方法；能夠建立撥號簡表；對流動站建立任務；設置流動站的測量模式；新建VRS工作形式；對碎部點進行測量，最后將測量數據輸出。

圖2 網絡RTK示意圖

1.2 北斗衛星定位與導航實驗

為了避免在軍事和民用方面受制于美國，北斗衛星導航系統應運而生。北斗衛星導航系統是中國自主研發、獨立運行的全球衛星定位與通信系統。系統由空間端、地面端和用戶端組成，不僅可在全球范圍內全天候、全天時為各類用戶提供高精度定位、導航、授時服務，而且在測繪、漁業、森林防火、水域及海洋信息監測、大氣環境監測等方面也已經取得了廣泛應用。截止2012年5月，北斗系統在軌衛星12顆，已經初步具備了區域導航、定位和授時能力，精密定位精度優達毫米級[7]。計劃2020年左右，將建成覆蓋全球的由30顆北斗衛星組成的導航系統[8]，從而中國北斗系統將有能力參與全球競爭。

圖3 北斗衛星導航系統示意圖

隨著北斗導航系統的快速發展和應用領域的逐步擴大，充分利用我國的衛星導航地面基準站資源，建立北斗衛星導航系統的地基增強服務系統具有重要的戰略意義。GNSS實驗室未來建設的重要內容是引導測繪專業學生了解和掌握北斗導航系統的原理、儀器操作、數據處理以及該技術的應用，此舉將對激勵學生探索創新、推動中國衛星導航定位產業化發展具有重要意義。

目前，結合COMPASS的定位原理和方法，預設COMPASS定位的主要實驗內容包括絕對定位法、差分定位法和時差圖定位法[9]：

(1) 絕對定位法。定位方法主要包括高程代入法、相似橢球法、近似橢球法和三點交會法。四種定位方法均輸入單點定位，精度較低，其中高程代入法不適合低緯度地區的定位，相對于其他三種定位方法，三點交會法定位精度較高。

(2) 差分定位法。差分定位法將用戶測站與定位基準站同一時刻的距離觀測值進行差分，從而消弱對流層和電離層等誤差的影響，從而獲得高精度的定位數據，根據改正方法的不同，差分定位法分為位置改正法和邊長改正法。

(3) 時差圖定位法。相隔一定距離的地面上任意兩點對同一顆衛星的信號傳播時間之差，以地面某個固定點為參考原點，以周圍相對點位的坐標差為縱橫軸，把對應相對定位的時差列出，形成時差圖。參考點與其周圍的測站點同步觀測時，可得兩個時差，各時差在對應衛星時差圖上是一條曲線，兩條曲線的交點便是用戶測站位置。

1.3 多星兼容系統綜合定位與導航實驗

多星兼容系統綜合定位與導航，是將各種導航系統進行技術融合，相對于單衛星定位系統的接收技術，衛星數量多、覆蓋好、定位精度高、可靠性高等優點，且可更廣泛地應用于海、陸、空交通運輸，有線與無線通信，以及地質災害森林火災的救援、醫療急救、海上搜救、水壩橋梁等大型建筑工程等各項領域。目前，中國北斗星通公司已經研發出可以集成接收COMPASS、GLONASS、GPS和GALILEO等四個系統信號的產品，如OEM628、OEM615等系列產品。為了適應這種集成定位的發展趨勢，高校開設多星系統綜合定位與導航實驗將十分必要。不僅可以培養學生的學習興趣，拓寬學生的知識面，提高學生綜合創新能力，更為將來學生適應全球衛星定位技術的迅猛發展和應用提供保障。針對多系統定位與導航技術的特點，實驗室設計的相關實驗內容主要包括如下幾項：

(1) 多星兼容系統定位精度分析。由于采用多種導航系統，在設置一定的衛星截止高度角的情況下，可見星個數將比任何一種單一導航系統的可見星要多，從而降低DOP值，提高定位精度，DOP值的計算主要包括幾何精度因子 GDOP、位置精度因子PDOP、水平精度因子HDOP、垂直精度因子VDOP 和時間精度因子TDOP[10]。

(2) 空間基準的轉換。由于各種衛星導航系統采用的空間基準不同，如GPS采用WGS-84坐標系，而COMPASS采用CGCS2000坐標系，因此，如果要將多種定位導航系統兼容進行定位和導航，必須統一到同一個坐標系統下。

(3) 時間基準的統一。與空間基準一樣，不同的衛星導航系統采用的時間基準也不相同，必須弄清楚各種系統之間的時間偏差，從而歸算到同一個時間基準下，方便各系統的兼容和聯合定位。

(4) 多系統綜合定位。根據接收到的各導航系統的導航電文信息計算衛星在空間的瞬時位置坐標，然后結合測量獲得的用戶到衛星的相對距離，利用多球定位原理計算出用戶在空間的位置。

2 加強GNSS實驗室實驗教學隊伍建設

隨著衛星定位與導航技術的迅猛發展，如COMPASS和GALILEO的逐步完善，以及美國GPS有可能出臺新的限制政策影響GPS在國內的正常使用，因此，在這新的時期，實驗技術人員作為GNSS實驗室重要支撐力量，必須緊跟時代步伐，及時汲取新知識，新方法，更新陳舊知識體系，為培養創新型測繪人才提供保障。學校必須如同GNSS理論教學師資建設一樣重視實驗教學師資隊伍建設，提高GNSS實驗技術人員的業務技術水平[11]、從而為實驗教學和科研提供保證，努力建設一支數量充足、結構合理、骨干穩定，緊跟時代步伐的高水平實驗技術隊伍，為培養高素質創新型測繪科技人才提供師資條件。實驗教學師資隊伍建設主要建議如下：

(1) 不斷加強自身素質建設。在掌握專業基礎理論和技術的基礎上，關注GNSS學科理論的進展，更新自己的知識體系，將最新的信息和方法、進展和成果應用于實踐[11]，提高國家自主研發的COMPASS應用能力，鼓勵學生發展國內的衛星定位事業。

(2) 政策傾斜。高校應在師資培養、工作條件、職稱評聘等方面給予GNSS實驗室適當的政策傾斜，保證實驗室技術人員的穩定持續發展[12]，轉變實驗室工作就是教輔的觀念，鼓勵實驗技術人員加入GNSS的科學研究，打破教學實驗室與科研實驗室界線[2]，從而調動實驗室技術人員的積極性。使他們在實驗教學中樹立既重視理論教學，也注重實踐教學的理念，從而確保實驗教學質量。

(3) 加強激勵。高校要采取獎勵和考評措施。每年評選先進工作者，進行物資和精神獎勵，樹立先進標桿，提高實驗技術人員工作積極性。建立績效考評制度，可以提高實驗技術人員工作質量和管理績效，促進實驗室建設和發展[13]。

(4) 交流與考察。高校要組織實驗室骨干技術人員到武漢大學、同濟大學、中國礦業大學等一流院校測繪專業進行交流、考察，并鼓勵參加國內外相關工作或學術會議。

(5) 在職攻讀學位。高校應鼓勵青年實驗技術人員在職攻讀學位，并為其創造條件，提高其專業素質，更新其知識體系，從而提高實驗教學水平，為高校培養創新型人才打好基礎。

我校自2008年開始實施實驗教學項目“群星計劃”，研究時間為2年，同時，鼓勵GNSS實驗技術人員參加技術培訓，如2010年派技術人員參加了武漢大學劉經南院士舉辦的CORS系統培訓班，學習了網絡CORS的發展現狀，并學會如何進行網絡RTK測量，在同年參加了上海CPGPS衛星定位與導航論壇，了解了GNSS技術國內外的研究熱點和發展動態。此外，GNSS實驗室與國內外數家知名GPS生產廠家如南方測繪、中海達、合眾思壯、北斗星通等儀器公司保持著密切聯系，不定期進行技術交流，討論GNSS儀器的發展動態和方向，了解頂尖端GNSS測繪儀器發展狀況。通過這些措施，為GNSS實驗室專業技術人員的培養提供了優越條件，大大提高了專業技術水平。

3 結 語

隨著GNSS的快速發展，傳統的單一依賴美國GPS技術的全球導航衛星系統已經朝著多元化方向發展，實驗教學和實驗專業人員必須緊跟時代脈搏，才能培養出創新型測繪技術人才[14]，因此針對全球衛星定位與導航技術發展趨勢，提出了新時期高校GNSS實驗室方建設和發展方向，詳細設計了新形勢下的GNSS實驗室實驗項目改革和建設的內容，特別強調了網絡RTK實驗，COMPASS定位實驗和多星兼容系統綜合定位實驗。由于GNSS實驗隊伍建設對高素質創新人才的培養擔負著重要的使命[15]，提出了GNSS實驗室專業技術人員的相應技術水平和專業素質的幾種途徑，為GNSS實驗室的建設和發展、GNSS 實踐教學與科學研究提供了師資力量[16]，并為提高學生的動手能力、創新意識和創新能力，培養懂技術、能吃苦、善合作、敢負責的新型測繪人才提供實驗基地。

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