卫星导航系统案例研究论文

董继国

（地质矿产部航空物探遥感中心，北京100083）

全球定位系统（GPS）是美国历时20余年开发成功的一种无线电导航系统。它将被用来逐步取代目前使用的其它无线电导航系统，并使全球导航真正得以实现。GPS系统现已正式投入使用，可向全球用户提供高精度的三维位置、速度和时间信息，被誉为20世纪的重大技术突破之一。GPS技术推广应用，使航空物探测量获益匪浅。1987年地矿部航遥中心引进GPS接收机，GPS导航定位系统的应用不仅简化了航空物探测量设备，提高了导航定位精度和测量总精度，扩展了航空物探调查领域，也极大地提高了航空物探测量生产效率，已成为航空物探之首选导航定位手段。

一、不同导航定位方法比较

导航定位在航空物探测量中的重要性是众所周知的。航空物探测量开始是以地形图目视导航，逐步发展到地形图目视－照相、仪器导航定位，如双曲线、多普勒（辅以照相或录像）、应答导航定位系统等，有力地促进了航空物探事业的发展。地形图目视、照相及录像定位精度取决于地形图和领航、判图的精度。无线电导航定位系统主要使用电磁波频谱中的中频、低频和甚低频带，频率低、作用距离远而精度低，频率高、作用距离近而精度高。该系统与GPS相比，受地形和控制区域限制，设备庞大笨重，需要人员较多，无线电信号接收、发射受环境影响较大，仪器故障较多，导航定位精度一般不高。表1列出了不同导航定位方法定位精度对比。它说明，随着导航定位技术进步，定位精度在不断提高。

表1不同导航定位方法定位精度对比

二、全球卫星定位系统

全球定位系统（Global Positioning System，简称GPS），是美国对海上、陆地和空中设施进行高精度导航定位要求而建立的。GPS作为新一代卫星导航定位系统，不仅具有全球性、全天候、连续的精密三维导航定位能力，而且具有良好的抗干扰性和保密性。全球卫星导航定位系统的迅速发展，引起了各国普遍关注。特别是近十年来，GPS技术在应用基础的研究、新的应用领域的开拓、软件和硬件的开发方面都取得了迅速发展。

原苏联也有类似的系统，称为全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System，简称GLONASS），现由俄罗斯接管。GLONASS与GPS的一个主要区别是GLONASS采用频分多址技术区分卫星信号，而GPS则采用码分多址技术。GLONASS不存在SA（Selective Availability——选择可用性）干扰，能为民用用户提供精确的定位。GPS有SA干扰，向民用用户提供100m的精度。目前，已有双星座单频接收机，可充分利用上述的空间技术，提高单频C/A码接收机的导航定位精度，组合星座的定位精度可达16m左右。

三、GPS在航空物探测量中的应用

GPS系统向民用用户只提供标准定位服务（SPS），利用粗码（C/A码）定位，精度可达14m。由于美国采取了SA政策，降低民用GPS的定位精度，规定水平定位精度为100m，垂直测量精度为157m。

在航空物探勘查中，GPS导航定位系统显著提高了航迹定位精度、改善了测线疏密度和测量总精度。与其它导航定位系统相比，精简了设备和人员，提高了生产效率。利用这些技术，航遥中心第一次完成了塔里木盆地东部地区高精度航磁勘查。表2列举了在SA干扰下野外工区实测GPS静态数据，对于1:5万及其它中小比例尺航空物探调查，该精度可以满足航磁规范要求。

表2野外工区TANS-11型GPS静态观测数据

四、事后差分GPS在航空物探中的应用

事后差分GPS系统的定位精度可以满足任何比例尺航空物探测量的定位要求，且经济易行，但不能保证其实时导航精度。

在山东枣庄工区进行的以寻找金伯利岩岩管为目的的航磁测量，局部地区要加密至线距为100m的大比例尺飞行。经过对测区的地形和差分GPS调研情况综合分析，由于无法建立地面数据通讯链，不能采用实时差分GPS方法，所以，决定采用事后差分GPS，其定位精度可以满足大比例尺勘查要求，保证大比例尺的测网疏密度；而且，事后差分设备简单，安置方便，与实时差分相比，生产成本较低。1995年7月至11月，利用事后差分GPS方法为磁测作业动力滑翔机导航定位，共飞行32架次，完成17000测线公里。航磁测量总精度在1:2.5万测区为±1.75nT,1:1万测区为±1.49nT。投入生产之前，对事后差分GPS做了近距、远距静态测试，验证其定位精度和控制范围（表3和表4），并在生产期间进行了差分GPS与单GPS的静态对比试验（表5）和简单的差分GPS与单GPS动态测试（图1）。受技术条件限制，测试方法比较简单。飞机在机场上空沿水泥跑道边做航高为30m的超低空直线往返飞行，在飞行中测试人员观察飞机的偏航。试验表明，与单GPS比较，差分后的航迹与实际飞行相符，收敛较好，定位精度有明显改善，飞机保持在指定航向上飞行，左右偏差不超过5m。

表3近距离已知点上差分GPS测试

表4远距离（115.8km）已知点上差分GPS测试

表5单GPS与差分GPS静态对比测试

图1差分GPS与单GPS动态飞行试验航迹对比

五、双星座GPS在航空物探中的应用

GLONASS星座在三个轨道面上布置24颗卫星，已投入运行。同时，新型的双星座接收机（GPS+GLONASS）亦已投入使用。“中心”组织有关技术人员对新产品做了详细的调研、分析和测试，认为双星座GPS+GLONASS接收机可以满足大比例尺航空物探测量导航定位的要求，而无须差分。在选购前，我们对3S公司GNSS300型和阿斯泰克公司GG24型组合接收机进行了性能和技术指标对比试验，包括长时间静态测试、车载动态测试和飞机上的电磁干扰测试（图2、图3和图4）。经测试数据分析和观察，决定选用阿斯泰克公司的GG24型组合接收机，并首次用于大比例尺航空物探勘查，顺利地实现了测线间距为150m的高精度航磁勘查。磁测总精度为1.84nT，测网疏密度为150m±18.2m，导航定位精度达到设计要求，取得了高质量的基础资料，受到了业主的高度评价，认为达到世界一流水平。

图2GG24单GPS卫星静态数据离散分布

图3GG24单GLONASS卫星静态数据离散分布

图4GG24组合卫星静态数据离散分布

六、结论和建议

全球卫星导航定位系统GPS在航空物探勘查中已使用十余年了，在不同地区、不同线距和不同任务的测量中，均取得了显著效果。

1.GPS技术的应用和普及，提高了航空物探技术在沙漠、海洋等地区开展调查的能力，加快了国土调查的进程。

2.双星座GPS接收机的引入使用，弥补了单GPS导航精度较低、无法用于大比例尺飞行作业的不足，达到了线距为100m的航空物探勘查导航定位要求，从而实现了真正的大比例尺高精度航空物探勘查，并为替代地面工作准备了技术条件。

3.航空物探调查中GPS的应用，应视具体要求而定。总结多年来的经验，提出如下建议供参考。对于500m以上线距的测量，使用单台GPS（TANS-Ⅱ型）；100～250m线距测量，使用双星座导航定位系统（GG-24型），它提供的水平精度优于20m，高度精度可达30m。在今后的航空物探勘查中，尽量使用双星座导航定位系统，可以减少由于定位产生的误差，便于以后在同一区域再做工作时，可在已飞的线距中加密测量，降低飞行成本。要求高精度的定位测量时，可以采用事后差分。对要求高精度导航定位测量时，可以采用差分信标台或同步通讯卫星实现实时导航定位，但费用较高。

全球导航定位技术，在我国航空物探领域的成功应用，凝聚了广大技术人员的智慧和心血。本文中GPS静态数据由李标芳教授提供，野外各工区的静态数据据有关报告，在此表示衷心感谢！

THE APPLICATION OF GLOBAL POSITIONING SYSTEM TO THE AEROGEOPHYSICAL SURVEY

Dong Jiguo

（Aerogeophysical Survey and Remote-Sensing Center,Beijing 100083）

Abstract

Since the introduction of the satellite navigation global positioning system（GPS）,single GPS,post difference GPS and double constellation combined GPS techniques have been successively employed, whose application and dissemination have raised the accuracy of navigation positioning and the general precision of the survey,helped the overall improvement of the aerogeophysical technique,extended the field of the aerogeophysical investigation, and considerably raised the efficiency of aerogeophysical survey.

中国北斗卫星导航系统(BeiDou Navigation Satellite System，BDS)是中国自行研制的全球卫星导航系统。是继美国全球定位系统(GPS)、俄罗斯格洛纳斯卫星导航系统(GLONASS)之后第三个成熟的卫星导航系统。北斗卫星导航系统(BDS)和美国GPS、俄罗斯GLONASS、欧盟GALILEO，是联合国卫星导航委员会已认定的供应商。北斗卫星导航系统由空间段、地面段和用户段三部分组成，可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠定位、导航、授时服务，并具短报文通信能力，已经初步具备区域导航、定位和授时能力，定位精度10米，测速精度0.2米/秒，授时精度10纳秒。2012年12月27日，北斗系统空间信号接口控制文件正式版1.0正式公布，北斗导航业务正式对亚太地区提供无源定位、导航、授时服务。2013年12月27日，北斗卫星导航系统正式提供区域服务一周年新闻发布会在国务院新闻办公室新闻发布厅召开，正式发布了《北斗系统公开服务性能规范(1.0版)》和《北斗系统空间信号接口控制文件(2.0版)》两个系统文件。2014年11月23日，国际海事组织海上安全委员会审议通过了对北斗卫星导航系统认可的航行安全通函，这标志着北斗卫星导航系统正式成为全球无线电导航系统的组成部分，取得面向海事应用的国际合法地位。中国的卫星导航系统已获得国际海事组织的认可。

写作思路：把你对梦想的看法写下来。

1910年，英国探险家斯科特在南极考察中牺牲，后来有人发现了他和两个同伴的遗体，在他的身边还有16公斤岩石样本。当时他们的帐篷离最近的补给站仅20公里，如果斯科特不携带着16公斤样本，那他和同伴就不一定会死——可他在生命与科研成果的选择中宁愿死去，也要保留这一批珍贵的样本。

斯科特身上体现出的就是我们常说的科学精神。科学精神是一类精神的集合。首先，科学精神中最主要的应是实干精神。为我们所熟知的大科学家大多都是实干家。黄大年先生作为我国著名的地球物理学家和战略科学家，心怀“振兴中华，乃吾辈之责”。

什么职务也不要，却带领团队创造了多项“中国第一”；中国工程院院士黄旭华带领团队研究了70多个核潜艇的方案，并通过实验逐个验证，最后亲自随潜艇下潜，不以为苦，却写下“花甲痴翁，志探龙宫，惊涛骇浪，乐在其中”的华章。以上这些案例就是科学家实干精神的完美诠释。

其次，科学精神中也有质疑精神。科学家伽利略在研究自由落体运动时就对先贤亚里士多德的观点提出了质疑。

当时他身边的人劝他不要做这种无意义的研究，因为当时亚里士多德是大家公认的学术权威。但伽利略却通过完整的实验和推理，向众人证明了亚里士多德观点的错误。正是这种质疑精神，指引我们在追寻真理的航道上不断修正方向。

最后，科学精神还应包含献身精神。著名天文学家布鲁诺，对当时在教会中所流行的地心说产生了质疑，通过观察，他发现了地球并不是宇宙的中心，太阳才是宇宙的中心。

但他的“太阳中心说”却触犯了教皇的利益。面对教皇的迫害和威胁，布鲁诺没有屈服，最终被火烧死。哥白尼燃烧了自己，却点亮了现代天文学发展的路。现代科技的日新月异，离不开无数科学先烈用身体和鲜血铺成的路。

斯科特牺牲了，但他血液里流淌的科学精神，经过百年的沉淀，反而愈久弥新。勇于实践，付诸行动；大胆思考，大胆质疑；甘心投身到科学事业，不惜奉献。

在这些科学精神的指引下，无数像斯科特一样的科学家，不仅推动了科学事业的进步，更推动了人类社会与文明的前行。愿你我一道，向这些科学家学习，为实现中华复兴的伟大中国梦，贡献自己的力量！