国家测绘局GPS服务体系建设与应用

由于GPS的全球性、全天候、高精度、实时等性能，已广泛应用于各个方面。目前的需求更向多学科技术融合、提高GPS使用可靠性、经济性、快速、高精度方向发展，充分使用GPS技术仍是国家和广大用户的迫切要求。目前以至近几年广大用户的需求主要体现在以下几个方面：

1、GPS技术与其他信息源相集成应用在智能交通系统、港口码头信息调度管理系统，以及困难特殊行业的调度系统等方面，如GPS技术与GIS技术、汔车电子技术等结合形成的车辆自主导航系统、集装箱管理系统、仓储数据库管理系统、危险品运输仓储管理系统等。

2、GPS技术应用与卫星通信也有着密切关系，特别是GPS差分及完备性服务信息通过数字广播卫星，可传送到各地移动用户，包括荒漠地区的广大用户是提高使用效益和可靠性的必要措施，也是特殊用户监控、救生的良好方式。

3、GPS技术的高时空分辨率的数据在测绘、地震监测、大气物理探测、地球引力场探测、工程监测等方面有发展的前景。

4、对于实时用户来说，迫切需要解决使用GPS技术时的完备性问题。

5、对于测量用户迫切需要解决统一的基准，将空间定位参考系统一致性或方便、合理转换问题。

一、GPS服务体系建设内容

面对GPS如此广泛的应用，为了使广大用户能够长期、安全、经济、有效地利用GPS资源，规范GPS的应用和开发，需要系统地建立GPS多功能综合服务体系。由此构建的系统直接服务于各行各业的用户，满足他们多领域、多用途、多机型的毫米级、厘米级、分米级乃至米级、十米级、数十米级的实时、准实时、快速、事后、动态或静态的需要。用户范围将不断扩大：

地球动力学、大地测量、工程测量、地球物理资源勘探、气象学、空间物理学；

城市测绘管理、国土管理、城市规划、地籍管理；

GIS、RS、航空摄影、智能化交通、机器人、车辆自主导航、船舶导航、航空导航、航天测控、星载导航；

紧急救护、安全保障、监控报警；

情报监测、大坝监测、精细农业、农业飞防、林业资源监测、环境监测、防灾减灾；

精确授时、电力系统定时同步、个人通信、个人计算机、照相机、手表、旅游等等等。

GPS多功能综合服务体系的建设主要包括三方面内容：

1、建立GPS连续运行基准站

九五期间，国家测绘局、中科院、交通部、中国地震局和总参测绘局等部门已经建立了分布全国的30多个GPS连续跟踪站，在管理上、技术上已经积累了丰富的经验，但也存在设备老化、管理技术规范标准不同一、部门分割等问题。

GPS连续运行基准站建设应该着眼于满足未来5～10年的科研、生产和技术发展的要求。数据成果共享，并且具有统一技术标准，采用多种数据通信链路；基准站网要基本覆盖全国，分布密度可略有不同，涵盖我国各主要大中城市并兼顾地壳块体，既供科学研究需要，又能满足经济发达地区的优先使用，从而形成满足多部门、多领域、多用途的高精度、全天候、实时、稳定运行的GPS多功能服务体系的基础框架设施。

2、建立GPS数据处理分析中心

GPS数据处理分析中心主要接收各基准站的观测数据，进行数据存储和处理，获得满足不同用户需要的数据信息和成果。GPS数据处理分析中心主要负责系统维护软件的研究与更新，系统数据库管理软件研制与更新，系统服务软件的研究、更新与推广，系统运作模式的更新、升级研究与实用化，应用软件开发和数据结果分析，提供数据信息和导航定位服务，并参与全球的地学等领域的国际合作。GPS数据处理分析中心必须建立相应技术标准、数据交换标准、服务标准等，具有推动和促进区域性的用户对精密定位、快速和实时定位导航的要求，及时满足国土测绘、城市规划建设、环境监测、防灾减灾、陆空交通监控等现代信息化管理的需要。同时根据需要，处理和分析全国的基准站数据，完成特定业务（如地震监测预报、电离层监测预报、灾害性气候预报等）。　3、建立通信链路系统

通信链路系统是基准站、GPS数据处理分析中心以及用户的联系纽带。包括GPS基准站到GPS数据处理分析中心的观测数据传输，实现数据实时监控处理、GPS差分修正信息实时广播、GPS数据INTERNET网络发布及应用效果反馈等。通信链路系统是GPS产业服务基础设施的重要组成部分，在发展规划中，通信链路所采用的技术是一个重要因素。

在基准站数据处理分析中心，数据处理分析中心用户信息服务中心的工作链路应采用可靠、带宽、经济的专用通信方式，主要有：INTERNET、DDN专线、VSAT、PSTN、微波等。

在用户信息服务中心导航定位、RTK用户的服务链路，应考虑方便、低廉、大容量的多类型通信链路。主要有：RDS广播、数字卫星直播、UHF/VHF、INTERNET、GSM、CDMA等。

GPS数据处理分析中心及其提供的数据信息及服务，将构成整个GPS服务体系的中枢，为广大用户输送多种服务信息：

建立和维持全国统一的、高精度的空间坐标动态参考框架，并与国际地球坐标系参考框架（ITRF）相联结

中国大地水准面模型及参数，国家坐标系统转换参数等

全国区域GPS卫星精密星历

GPS卫星与跟踪站（接收机）钟差信息。

提供电离层信息。

为国家广域差分GPS系统提供数据信息服务

基准站坐标与位移速率。

维护时间的精确性

数据库系统

二、国家测绘局GPS服务体系的建设

国家测绘局是最早引进GPS定位技术，并十分重视将该技术推向实用的部门，在GPS应用的诸多领域与环节上具有丰富的技术储备与理论水平，在注重GPS应用的同时也十分注重空间定位基础设施建设，向国际发展方向看齐。在八五期间完成了国家高精度GPS空间定位网的布测（818点），国家精密水准网的复测（13万公里），九五期间完成了国家GPS跟踪站网与数据处理中心建设，中国地壳观测网建设，国家大地水准面精化，国家垂直形变分析，GPS广域差分工程性试验，GPS卫星精确定轨，国家2000年重力基本网建设，有目标、有步骤地完善国家框架基础设施体系的建设。这些是空间技术发展，实现精确的空间对地观测系统（GPS+RS）最为基础的工作。由此将逐步构建和完善国家测绘局GPS服务体系的建设。

1、GPS跟踪站网建设

在国家测绘局GPS服务体系空间定位基础设施中，目前已建立了8个GPS跟踪站，其中4个纳入了国际IGS观测站，同时有5个跟踪站参加中国地壳运动观测网络基准网的观测。国家测绘局GPS跟踪站分布在北京海口哈尔滨乌鲁木齐西安西宁拉萨武汉。下图给出我国GPS连续运行站的分布情况。

通过学习美国、德国GPS跟踪站建设的经验，并结合我国的实际情况，拟定了一套建立我国自己的GPS跟踪站建设思路。同时考虑到经济状况原因，提出了我国GPS跟踪站的基本构成框架：

GPS接收机及抗干扰天线

自动气象采集器

通讯设备（调制解调器、VSAT卫星）

计算机控制设备

太阳能电池系统

跟踪站控制、管理软件

2、GPS数据处理分析中心

在北京国家基础地理信息中心建立了GPS数据处理分析中心，负责协调、管理和维护连续运行的GPS跟踪站，采集跟踪站数据信息，并对采集的数据信息按照标准进行处理，将符合标准的成果在网上公布，满足精密定位用户、不同用户的需求。同时通过数据处理侦测GPS卫星与跟踪站形成的框架体系的基准变化，从而维护数据框架的不断更新。维护和建立国家的动态地心参考框架，进行GPS数据处理分析、快速预报轨道、GPS数据产品发布、定期公告各站运行状况等。

GPS数据处理分析中心作为GPS服务体系的枢纽，具有较高的数据处理和分析能力。目前数据中心采用瑞士BERNESE和美国GAMIT软件作为基本的GPS数据处理软件。这两种软件在国际的知名度很高，而且经过多年的开发与改进，已经形成了具有自身特点的软件包，加之我国的测绘工作者很早就对这两种软件进行了培训与研究，对于软件的掌握程度非常高，因此选择这两种软件非常适合在我国的应用。　国家测绘局于1999年颁布了GPS跟踪站网管理技术规定（试运行），GPS跟踪站管理已经进入规范化、自动化、数据的下载与上传都能够在目前的数据通讯链路中得到很好的支持，因此在统一的时间内可以得到各个跟踪站传送到数据中心的数据。数据中心通过自身编制的数据检查软件（主程序基于国际IGS组织提供的数据检查软件）对GPS原始的观测数据进行检查。检查内容包括：数据观测的时间、数据可使用率统计、电离层对于数据采集的影响、多路径效应的影响等。

数据中心在UNIX工作站上编制了自动化数据处理程序，实现了数据的预处理、方案解算功能。出于对数据结果的时间要求，数据处理采用了IGS组织的预报精密星历，精度较IGS最终星历稍差，但是对于结果的影响并不明显，这样做的好处在于可及时计算出上一天的观测数据，对于将来做我国快速精密轨道的确定工作提供时间上保障。基本上参照国际上数据处理的思路，主要模块是数据预处理、电离层模型的确定、对流层模型参数估计、精密定位及定轨等。我们参考了欧洲定轨中心及瑞士伯尔尼大学天文学院对于GPS精密定位和定轨的数据处理理念以及国际上流行的数据处理方法，建立一套简便、易使用的数据自动处理程序，对于每天国家测绘局8个跟踪站的数据，所需的定位时间大约在1-2小时，定轨时间5-7小时（这与所使用的计算机的情况有关）。

3、数据通信链路

目前国家测绘局GPS服务体系建设中，已具有的数据通信手段有：

Internet

利用国家基础地理信息中心专线网，各跟踪站上传GPS数据和气象数据到北京GPS数据处理中心服务器上。

Telephone

各跟踪站安装电话，实现了数据点对点传输方式。GPS数据处理中心可远程访问和监控跟踪站。

VSAT

目前乌鲁木齐、拉萨、武汉、西宁和北京房山跟踪站安装了卫星通信设备（VSAT），实现卫星通信数据传输。

三、国家测绘局GPS服务体系的应用

国家测绘局GPS服务体系的建设已具有一定的规模，面向广大用户开展技术服务和应用，实现数据交换网络，建立并开通了自己的网站，为广大GPS用户提供数据信息服务。

服务内容主要包括：

1、GPS数据服务

FTP服务：精密星历、电离层参数、ITRF、IERS等

WWW服务：跟踪站介绍、信息介绍、卫星状况、质量评估、数据目录信息等

2、GPS用户服务

注册登记、在线计算、技术论坛、意见反馈

3、网络数据库

GPS成果、三角成果、水准成果、重力成果

4、技术介绍

大地测量介绍、重大项目介绍、技术服务介绍等

近几年来，GPS服务体系在许多工程项目中得到了广泛应用。与美国麻省理工学院合作布测天山地区GPS监测网，其科学目的在于研究塔里木盆地和哈萨克平原的变化速率、确定相关独立地质板块的形变速率。与德国地学研究中心（GFZ）合作，布测了新缰GPS监测网，目的在于分析中亚地区地壳运动敏感地区的板块运动机制。在监测网中，GPS服务体系起到了基准框架固定的作用，便于监测数据分析。国家测绘局GPS服务体系的主要应用有：

1、国家坐标框架的维持

通过长期的观测来分析连续运行跟踪站位置的变化趋势及变化量，同时与其他国际IGS跟踪站进行同步观测从而获得这些站在国际坐标参考框架下的精确坐标，对我国坐标框架的维持与更新起到了举足轻重的作用。

GPS卫星轨道的确定

2、轨道预报

利用GPS观测资料以及精确的跟踪站地心坐标，可以预报GPS卫星的位置变化即GPS卫星的轨道，并提供给我国的差分GPS用户，确保定位的精度。

3、GPS差分服务

各个GPS连续运行的跟踪站都具备了差分功能，可以向一定区域的GPS用户发送位置改正信息，提高用户快速定位精度。4、气象方面的研究

同样利用精确的地心位置反演出大气对于GPS信号在传播路径上的影响，从而得到大气因子的分布情况，达到气象预报的目的。

5、精密定位基准

GPS服务体系可提供高精度的定位基准，满足科学、工程和研究等不同领域的目的要求。如：雅鲁藏布大峡谷的科学探险考察，为研究雅鲁藏布大峡谷地区地质变化提供有力的技术支持；建立长江源纪念碑，确定了长江源纪念碑准确的地心位置；南沙综合科学考察，及时、有效地确定了岛礁的精确坐标：风云二号气象卫星地面网的测定，为精确求定地面控制站位置提供基准，确保云图匹配正确。