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摘要：本文简要分析了全球定位系统（GPS）观测的主要误差源。又叙述了空基(星载)GPS的科学应用，其中TOPEX和MicroLabe任务都是成功的范例。关于GPS对于气象学的应用(GPS/MET)方面，比较详细地介绍了地基GPS/MET和空基(星载)GPS/MET的最新进展 ，二者处于GPS的最新进展的前沿。
关键词：GPS、地基GPS/MET、空基(星载)GPS/MET、空间大地测量
中图分类号：P228文献标识码： A
0 前言：
从GPS的应用发展领域来说，可以分为一般应用和科学应用两个方面。如以10cm～1m的精度为逼近机场的飞机导航和海岸船只领航，协调公路和铁路运输，为城市车辆导航，为普通测量、城市测量和工程测量提供控制及一些政府职能部门的专业测量，属于GPS的一般应用。GPS大地测量在科学应用方面，又包括了地学的广泛领域，如地壳构造学、地球自转、海洋学、地震 学、冰川学、气象学、全球气候、水文学和生态学等。所以说GPS是现代地学的研究工具，它的发展倍受关注。
1 GPS在大地测量学中的发展优势：
1.1GPS用于测定地球自转参数的结果，证实GPS的应用不限于区域范围，用于全球可以与其它空间大地测量技术媲美。全球GPS网测定地球自转参数的精度与VLBI和SLR的相同。具有稳健全球覆盖的GPS网，同VLBI和SLR一样，可以经常提供地球自转信息，达到了半日的分辨率，而费用比VLBI和SLR低得多。
1.2GPS在估计目前全球构造运动和保持全球参考标架中起着主导作用。GPS用于监测区域地壳形 变最为理想，特别是沿着板块边界和形变模式复杂的区域。这不仅是因为它的应用的灵活性 ，而且是因为它的直接测量结果是相对运动，而相对运动正好是人们研究的对象。在这一方 面，GPS大地测量阵列(PGGA)起到了脊梁的作用。
2GPS新的发展应用：
2.1地基GPS/MET的出现：
美国NASA/JPL一直在长期研究处理GPS数据，由此得出了每一个GPS站的对流层天顶延迟，并作为其副属产品。这种数据在消去了与地面气压成比例的对流层干延迟之后，残余的湿延迟是对流层水汽含量的函数。这种湿延迟提供了全球30个GPS站历时两年的大气层可降水汽接近于连续的估值，可以用它来研究作为地理和区域气候之函数的水汽的周日变化以及季节变化。根据某一时期的水汽变化可以研究气候的变化。
由于GPS观测可以提供大气层水汽精确的全天候测量结果，美国于1993年在中部地区布设了一个GPS网，实施一项所谓GPSSTORM计划，探索GPS观测结果在气象学中的应用。将此网的 GPS观测结果同由水汽辐射仪(WVR)结果推算的可降水分作了比较，两者之间的符合度是1-2mm。在雾、露、雨等足以降低WVR性能的条件下，GPS观测结果仍然可靠，其时间和空间尺度比目前无线电探空所能提供的要精细得多。如果由地面GPS站所得的可降水分的估值能在实时后1～2小时内提供给气象部门，对气象学就很有价值。于是出现了地基GPS/MET (Earth b ased GPS Meteorology)。
由于GPS硬件价格迅速下降，卫星上自动定位、授时和姿态测定的需要日增，人们普遍认为，对今后的低轨道卫星来说，GPS接收机是必需的工具。因此，地面基准GPS接收与星载GPS终于实现了协同工作，它有两类用户：一类是用于GPS导航，只需要中等质量的接收机；二是用于科学目的，要求高质量的双频接收机。
2.2星载GPS的科学应用：星载(或空基)GPS/MET的概念
第一次星载GPS的科学应用是支持T/P海洋测高任务，獲得了四方面的成就：第一，提高了定轨精度；第二，精化了全球重力场模型；第三，把一般的差分GPS技术发展成为全球差分GPS 技术；这一概念是NASA/JPL提出的；T/P的差分GPS系统是由全球GPS跟踪网中的少数测站、 一台星载GPS接收机、GPS全星座和一个分析中心组成；第四，进行了高—低模式的卫—卫跟踪试验。星载GPS用于支持T/P任务的成功，为今后更有雄心的空间大地测量任务铺平了道路 。
利用GPS可以探测大气层的各个不同部分，视GPS数据的获取方式和处理方式而定。在典型的地面GPS接收机的布局中，可以推断边界层(高度0-1km)水汽的水平分布和对流层(高度0-1 0km)总可降水汽含量。如果把GPS接收机放在低轨道卫星上，就可以分辨平流层和中间层下部(高度10-50km)以及更低处的温度结构。由GPS两种频率观测结果之差，可以估计电离层(热层下部，高度80km)中的离子含量。低轨道卫星上的GPS接收机，可以克服到达热层的困难，现场间接测定温度和密度。利用低轨道卫星上的GPS接收机探测大气层和电离层，也称为对大气层和电离层进行遥感，因为这时接收机的作用同遥感器一样。
NASA/JPL的一个研究组建议利用一载有GPS接收机的低轨道微卫星，于GPS卫星上升和下落之间在大约5km和30km的高度范围内(掩蔽区)进行观测。这时低卫星上的接收机与GPS卫星发射机之间的电联系掠过掩蔽区时，信号路径将发生弯曲，这种弯曲可以转换为掩蔽区大气折射本领的垂直剖面。在对流层的下半部，由于水汽的含量高，可由折射本领求出精确的水汽剖面。这就是星载(或空基)GPS/MET的概念。由于GPS卫星是在地球边缘上升和下降，这一技术称为临边探测(Limb Sounding)。由于所观测的是水汽朦胧的对流层下半部，低卫星接收机与GPS卫星发射机的电联系线称为在对流层受到掩蔽，这种观测方式也称为无线电掩蔽(Radio Oc cultation)技术。
为了对NASA/JPL的建议进行试验，美国于1995年发射了一颗载有GPS接收机的微卫星MicroLa b-1。试验获得了成功，又一次证实了星载GPS用于科学目的的潜力。这是今后若干年内GPS 的主要发展方向。
3. GPS面对竞争的举措和发展：
空间大地测量的崛起，使传统大地测量发生了巨变；而空间大地测量中以GPS的应用最为广泛，它的贡献也最大。令人遗憾的是，GPS是受美国军方控制的，对GPS卫星所施加的SA措施，为GPS的科学应用制造了不少麻烦，引起了全球科技界的强烈不满。因此，国际上采取了对策。首先是俄罗斯于1989年初开始建立全球导航卫星系统(GLONASS)。如前文所述，在该系统接近完成时，1998年9月至1999年4月进行了国际GLONASS实验，由欧洲GPS定轨中心负责所有运作的GLONASS卫星的精密轨道计算。经与SLR的观测结果比较，证实GLONASS卫星轨道精度达到了20cm。另一方面，欧洲也在计划建立称为GALILEO的欧洲卫星定位系统。这些都是对美国GPS的挑战。
在国际竞争的形势下，白宫于1996年3月预告了克林顿总统的决定，据说将在4～6年以内停止对GPS卫星施加SA措施。2000年5月1日正式宣布这一决定。但有保留条件：当国家安全受到威胁时，在某一个基本区上可以有选择地节制GPS信号。这种区域性节制导航服务的方法是通过SA技术”。值得一提的是，美国海军于1995年7月把GEOSAT/GM测高数据全部解密，是在欧洲的ERS-1足以与GEOSAT/GM 抗衡，而且公开供国际地学界从事科学研究之用的情况下，迫于形势，不得不采取的行动。 因此，美国军方停止干扰GPS，不是什么善举，而是与欧洲竞争的必然结果。
目前GLONASS已有了精密轨道，欧洲的GALILEO(European Satellite Positioning System) 正处于整个系统的设计阶段。美国从GPS所获的收益是可观的，为了保持和加强它的竞争力，GPS 将要进行现代化改造，主要是要增加8颗另外的卫星，其中有些已作了发射准备，有些正在生产中。GPS、GLONASS和GALILEO合称为全球导航卫星系统(GNSS)，IAG宣称它们在大地测量学和地球物理学所有领域中都将获得广泛的应用。
结束语：作为现代地学研究工具的GPS，经过了20世纪80年代10个年头的试验研究，90年代初出现了利用GPS的精密大地测量，此后它的全球应用呈现生气勃勃之势。
参考文献：
[1] 李征航. 空间定位技术及应用武汉测绘科技大学出版社. 2003
[2] 徐绍铨等．GPS测量原理及应用(3S丛书)武汉测绘科技大学出版社. 2004
[3] 李征航，黄劲松 GPS测量与数据处理武汉大学出版社. 2005
关键词：GPS、地基GPS/MET、空基(星载)GPS/MET、空间大地测量
中图分类号：P228文献标识码： A
0 前言：
从GPS的应用发展领域来说，可以分为一般应用和科学应用两个方面。如以10cm～1m的精度为逼近机场的飞机导航和海岸船只领航，协调公路和铁路运输，为城市车辆导航，为普通测量、城市测量和工程测量提供控制及一些政府职能部门的专业测量，属于GPS的一般应用。GPS大地测量在科学应用方面，又包括了地学的广泛领域，如地壳构造学、地球自转、海洋学、地震 学、冰川学、气象学、全球气候、水文学和生态学等。所以说GPS是现代地学的研究工具，它的发展倍受关注。
1 GPS在大地测量学中的发展优势：
1.1GPS用于测定地球自转参数的结果，证实GPS的应用不限于区域范围，用于全球可以与其它空间大地测量技术媲美。全球GPS网测定地球自转参数的精度与VLBI和SLR的相同。具有稳健全球覆盖的GPS网，同VLBI和SLR一样，可以经常提供地球自转信息，达到了半日的分辨率，而费用比VLBI和SLR低得多。
1.2GPS在估计目前全球构造运动和保持全球参考标架中起着主导作用。GPS用于监测区域地壳形 变最为理想，特别是沿着板块边界和形变模式复杂的区域。这不仅是因为它的应用的灵活性 ，而且是因为它的直接测量结果是相对运动，而相对运动正好是人们研究的对象。在这一方 面，GPS大地测量阵列(PGGA)起到了脊梁的作用。
2GPS新的发展应用：
2.1地基GPS/MET的出现：
美国NASA/JPL一直在长期研究处理GPS数据，由此得出了每一个GPS站的对流层天顶延迟，并作为其副属产品。这种数据在消去了与地面气压成比例的对流层干延迟之后，残余的湿延迟是对流层水汽含量的函数。这种湿延迟提供了全球30个GPS站历时两年的大气层可降水汽接近于连续的估值，可以用它来研究作为地理和区域气候之函数的水汽的周日变化以及季节变化。根据某一时期的水汽变化可以研究气候的变化。
由于GPS观测可以提供大气层水汽精确的全天候测量结果，美国于1993年在中部地区布设了一个GPS网，实施一项所谓GPSSTORM计划，探索GPS观测结果在气象学中的应用。将此网的 GPS观测结果同由水汽辐射仪(WVR)结果推算的可降水分作了比较，两者之间的符合度是1-2mm。在雾、露、雨等足以降低WVR性能的条件下，GPS观测结果仍然可靠，其时间和空间尺度比目前无线电探空所能提供的要精细得多。如果由地面GPS站所得的可降水分的估值能在实时后1～2小时内提供给气象部门，对气象学就很有价值。于是出现了地基GPS/MET (Earth b ased GPS Meteorology)。
由于GPS硬件价格迅速下降，卫星上自动定位、授时和姿态测定的需要日增，人们普遍认为，对今后的低轨道卫星来说，GPS接收机是必需的工具。因此，地面基准GPS接收与星载GPS终于实现了协同工作，它有两类用户：一类是用于GPS导航，只需要中等质量的接收机；二是用于科学目的，要求高质量的双频接收机。
2.2星载GPS的科学应用：星载(或空基)GPS/MET的概念
第一次星载GPS的科学应用是支持T/P海洋测高任务，獲得了四方面的成就：第一，提高了定轨精度；第二，精化了全球重力场模型；第三，把一般的差分GPS技术发展成为全球差分GPS 技术；这一概念是NASA/JPL提出的；T/P的差分GPS系统是由全球GPS跟踪网中的少数测站、 一台星载GPS接收机、GPS全星座和一个分析中心组成；第四，进行了高—低模式的卫—卫跟踪试验。星载GPS用于支持T/P任务的成功，为今后更有雄心的空间大地测量任务铺平了道路 。
利用GPS可以探测大气层的各个不同部分，视GPS数据的获取方式和处理方式而定。在典型的地面GPS接收机的布局中，可以推断边界层(高度0-1km)水汽的水平分布和对流层(高度0-1 0km)总可降水汽含量。如果把GPS接收机放在低轨道卫星上，就可以分辨平流层和中间层下部(高度10-50km)以及更低处的温度结构。由GPS两种频率观测结果之差，可以估计电离层(热层下部，高度80km)中的离子含量。低轨道卫星上的GPS接收机，可以克服到达热层的困难，现场间接测定温度和密度。利用低轨道卫星上的GPS接收机探测大气层和电离层，也称为对大气层和电离层进行遥感，因为这时接收机的作用同遥感器一样。
NASA/JPL的一个研究组建议利用一载有GPS接收机的低轨道微卫星，于GPS卫星上升和下落之间在大约5km和30km的高度范围内(掩蔽区)进行观测。这时低卫星上的接收机与GPS卫星发射机之间的电联系掠过掩蔽区时，信号路径将发生弯曲，这种弯曲可以转换为掩蔽区大气折射本领的垂直剖面。在对流层的下半部，由于水汽的含量高，可由折射本领求出精确的水汽剖面。这就是星载(或空基)GPS/MET的概念。由于GPS卫星是在地球边缘上升和下降，这一技术称为临边探测(Limb Sounding)。由于所观测的是水汽朦胧的对流层下半部，低卫星接收机与GPS卫星发射机的电联系线称为在对流层受到掩蔽，这种观测方式也称为无线电掩蔽(Radio Oc cultation)技术。
为了对NASA/JPL的建议进行试验，美国于1995年发射了一颗载有GPS接收机的微卫星MicroLa b-1。试验获得了成功，又一次证实了星载GPS用于科学目的的潜力。这是今后若干年内GPS 的主要发展方向。
3. GPS面对竞争的举措和发展：
空间大地测量的崛起，使传统大地测量发生了巨变；而空间大地测量中以GPS的应用最为广泛，它的贡献也最大。令人遗憾的是，GPS是受美国军方控制的，对GPS卫星所施加的SA措施，为GPS的科学应用制造了不少麻烦，引起了全球科技界的强烈不满。因此，国际上采取了对策。首先是俄罗斯于1989年初开始建立全球导航卫星系统(GLONASS)。如前文所述，在该系统接近完成时，1998年9月至1999年4月进行了国际GLONASS实验，由欧洲GPS定轨中心负责所有运作的GLONASS卫星的精密轨道计算。经与SLR的观测结果比较，证实GLONASS卫星轨道精度达到了20cm。另一方面，欧洲也在计划建立称为GALILEO的欧洲卫星定位系统。这些都是对美国GPS的挑战。
在国际竞争的形势下，白宫于1996年3月预告了克林顿总统的决定，据说将在4～6年以内停止对GPS卫星施加SA措施。2000年5月1日正式宣布这一决定。但有保留条件：当国家安全受到威胁时，在某一个基本区上可以有选择地节制GPS信号。这种区域性节制导航服务的方法是通过SA技术”。值得一提的是，美国海军于1995年7月把GEOSAT/GM测高数据全部解密，是在欧洲的ERS-1足以与GEOSAT/GM 抗衡，而且公开供国际地学界从事科学研究之用的情况下，迫于形势，不得不采取的行动。 因此，美国军方停止干扰GPS，不是什么善举，而是与欧洲竞争的必然结果。
目前GLONASS已有了精密轨道，欧洲的GALILEO(European Satellite Positioning System) 正处于整个系统的设计阶段。美国从GPS所获的收益是可观的，为了保持和加强它的竞争力，GPS 将要进行现代化改造，主要是要增加8颗另外的卫星，其中有些已作了发射准备，有些正在生产中。GPS、GLONASS和GALILEO合称为全球导航卫星系统(GNSS)，IAG宣称它们在大地测量学和地球物理学所有领域中都将获得广泛的应用。
结束语：作为现代地学研究工具的GPS，经过了20世纪80年代10个年头的试验研究，90年代初出现了利用GPS的精密大地测量，此后它的全球应用呈现生气勃勃之势。
参考文献：
[1] 李征航. 空间定位技术及应用武汉测绘科技大学出版社. 2003
[2] 徐绍铨等．GPS测量原理及应用(3S丛书)武汉测绘科技大学出版社. 2004
[3] 李征航，黄劲松 GPS测量与数据处理武汉大学出版社. 2005