Nihols Brown, John Dwson, Ryn Ruddik

a Director of National Geodesy, Geoscience Australia, Australia

b Director of Positioning, Geoscience Australia, Australia

c Director of GNSS Infrastructure and Informatics, Geoscience Australia, Australia

1. 引言

2018年，澳大利亞聯(lián)邦政府承諾為Positioning Australia計劃提供2.249億澳元（合1.6億美元），以向所有澳大利亞人提供10 cm精度的精確定位服務(wù)，并進(jìn)一步加速定位技術(shù)的升級與應(yīng)用。與目前市場消費(fèi)級別的5～10 m的定位精度相比，該計劃將極大提升定位服務(wù)精度。從地理位置上講，澳大利亞可借助全球或者區(qū)域星座獲取高質(zhì)量、準(zhǔn)確以及高效的天基定位星座，包括美國（Global Positioning System, GPS）、俄羅斯（Global Navigation Satellite System, GLONASS）、歐盟（Galileo）、中國（北斗）、日本（Quasi-Zenith Satellite System,QZSS）和印度（Indian Regional Navigation Satellite System, IRNSS）的星座。

這項資助承諾無疑承認(rèn)了大地測量學(xué)不再是一門深奧的科學(xué)。借助大地測量學(xué)，我們可計算出當(dāng)前自身在地球上的位置，確定周圍物體的位置，并可以通過統(tǒng)一空間數(shù)據(jù)做出更好的決策。大地測量學(xué)是眾多社會、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)活動的依托。除了應(yīng)用在傳統(tǒng)的測量、制圖和導(dǎo)航等領(lǐng)域外，大地測量學(xué)還在土木工程、工業(yè)自動化、農(nóng)業(yè)（例如，Syifa等，見本期）、建筑、采礦、娛樂、金融交易、智能運(yùn)輸系統(tǒng)、災(zāi)難響應(yīng)和應(yīng)急管理（例如，Baek和Jung，見本期）、環(huán)境研究和科學(xué)研究等領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用。

到2023年，基于位置的服務(wù)（如增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和緊急服務(wù)）和智能運(yùn)輸服務(wù)（公路、鐵路、海運(yùn)和航空）預(yù)計將占全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）芯片組銷售額的93.5% [1]。此外，得益于定位技術(shù)的發(fā)展，澳大利亞經(jīng)濟(jì)預(yù)計在2030將增長730億澳元（520億美元）[2]。非專業(yè)用戶群體不斷增長，他們期望獲得實(shí)時、準(zhǔn)確、高可靠性的定位服務(wù)和應(yīng)用程序。我們不應(yīng)期望非專業(yè)用戶會做坐標(biāo)計算、坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換、基準(zhǔn)面與大地水準(zhǔn)面模型等復(fù)雜計算。政府和定位領(lǐng)域?qū)I(yè)人士面臨的挑戰(zhàn)是開發(fā)高質(zhì)量、耐用的基礎(chǔ)設(shè)施、工具、服務(wù)和通信服務(wù)，使工業(yè)界、科學(xué)家和公眾能夠利用該技術(shù)并最大限度受益。

通過實(shí)施Positioning Australia計劃，澳大利亞地球科學(xué)局的目標(biāo)是填補(bǔ)其中的一些空白，并加快澳大利亞對定位技術(shù)的接受和應(yīng)用。通過提高定位的可訪問性、準(zhǔn)確性和可靠性，我們將在眾多行業(yè)中實(shí)現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新并加速經(jīng)濟(jì)增長。該計劃將通過一系列項目的完成來實(shí)現(xiàn)，項目內(nèi)容如下所述。

2. Positioning Australia計劃

Positioning Australia計劃的目的是確保高精度位置信息能廣泛為澳大利亞服務(wù)。該項服務(wù)是通過兩個補(bǔ)充項目提供的：由地面站基礎(chǔ)設(shè)施和GNSS分析軟件組成的國家觀測網(wǎng)（請參閱下文），以及通過星基增強(qiáng)系統(tǒng)（SBAS）播發(fā)定位改正數(shù)據(jù)給澳大利亞用戶。

SBAS克服了當(dāng)前在移動和無線電通信中的空白，并且與國家基礎(chǔ)架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合使用時，可以確保接收到準(zhǔn)確的定位信息。SBAS可以增強(qiáng)和校正GNSS信號，以提高定位數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，并使其可以在澳大利亞及其海域中使用，而無需移動通信信號或互聯(lián)網(wǎng)覆蓋。

2020年2月，澳大利亞和新西蘭建立了合作伙伴關(guān)系，共同交付該計劃的SBAS組件。這將是南半球第一套天基增強(qiáng)系統(tǒng)，將被稱為南部定位增強(qiáng)網(wǎng)。

當(dāng)前的定位精度通常為5～10 m。然而，通過此程序，在覆蓋移動通信信號的區(qū)域中，精度將提高到3 cm以內(nèi)，在其余地區(qū)，精度都可以提高到10 cm以內(nèi)。這將為澳大利亞及其海域提供準(zhǔn)確、可靠和實(shí)時的定位（圖 1）。這些項目將提供更可靠的定位信息，從而在農(nóng)業(yè)、運(yùn)輸、應(yīng)急管理、采礦、工程和物流等一系列行業(yè)中實(shí)現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新與效率提升。

3. 全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施的密集化

為確保澳大利亞地球科學(xué)局能夠在整個澳大利亞大陸提供高質(zhì)量的定位校正，項目將提供6400萬澳元（合4600萬美元）專門用于升級和擴(kuò)大澳大利亞GNSS地面網(wǎng)絡(luò)。大約200個由政府運(yùn)營的GNSS地面站的網(wǎng)絡(luò)將實(shí)現(xiàn)布設(shè)，并擁有500多個第三方地面站，以提供基于移動互聯(lián)網(wǎng)（在覆蓋范圍內(nèi)）的開放式、厘米級精度的改正服務(wù)。澳大利亞地球科學(xué)局還將建立一個GNSS數(shù)據(jù)中心，以監(jiān)控GNSS網(wǎng)絡(luò)，并將數(shù)據(jù)歸檔與分發(fā)給來自不同部門的用戶，包括系統(tǒng)集成商和開發(fā)者。網(wǎng)絡(luò)升級將于2022年6月完成。

4. 開源實(shí)時定位軟件和產(chǎn)品的開發(fā)

為鼓勵利用并革新Positioning Australia準(zhǔn)確可靠的定位、導(dǎo)航和授時服務(wù)，澳大利亞地球科學(xué)局正在開發(fā)和發(fā)布多GNSS分析軟件，該軟件可用于管理、處理與播發(fā)GNSS數(shù)據(jù)和相關(guān)產(chǎn)品。

此功能將包括：

（1）網(wǎng)絡(luò)端，能夠接收載波、測距碼和測距觀測數(shù)據(jù)，以便能夠計算高精度軌道、時鐘、衛(wèi)星相位偏差、大氣模型以及測站坐標(biāo)；

（2）用戶端，除了能夠接收載波和測距碼觀測數(shù)據(jù)外，它還能接收高精度軌道、時鐘、衛(wèi)星相位改正偏差和大氣模型，由此單接收機(jī)可以獲取高精度位置信息；

（3）組合平臺，能夠接收參數(shù)估計及其方差-協(xié)方差信息，以實(shí)現(xiàn)大地測量學(xué)解決方案的最優(yōu)組合，包括將站點(diǎn)坐標(biāo)組合為多日解，通過估計站點(diǎn)的漂移速度得到站點(diǎn)多年的坐標(biāo)，由此獲得站點(diǎn)時間序列。

該軟件的第一版已于2018年6月交付。澳大利亞地球科學(xué)局將繼續(xù)進(jìn)行后續(xù)的軟件開發(fā)，并有望擁有一套開源軟件，該軟件能夠處理衛(wèi)星數(shù)據(jù)并在2022年6月前提供高精度實(shí)時定位數(shù)據(jù)。

5. 升級澳大利亞地理空間參考系統(tǒng)

圖1. 用戶將能夠從地面和衛(wèi)星平臺接收準(zhǔn)確而可靠的定位信息。資料來源：澳大利亞地球科學(xué)局。

圖2. 澳大利亞地理空間參考系統(tǒng)是一個統(tǒng)稱，用于描述準(zhǔn)確、可靠的四維（4D）定位所需的基準(zhǔn)、參考框架、模型、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)。資料來源：澳大利亞地球科學(xué)局。

澳大利亞地理空間參考系統(tǒng)是一個統(tǒng)稱，用于描述準(zhǔn)確、可靠的四維（4D）定位所需的基準(zhǔn)、參考框架、模型、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)（圖2）。

為最大限度地發(fā)揮新興精確定位技術(shù)的優(yōu)勢，需要比觀測數(shù)據(jù)更精確的基準(zhǔn)或參考框架，其與GNSS的參考框架統(tǒng)一，并且在某些情況下還與時間相關(guān)。

為了滿足這些需求，過去十年來，來自澳大利亞聯(lián)邦、州和領(lǐng)地政府的大地測量學(xué)家對澳大利亞地理空間參考系統(tǒng)的許多參數(shù)進(jìn)行了升級，包括將靜態(tài)基準(zhǔn)面從1994年澳大利亞的地心基準(zhǔn)面（GDA94）升級為澳大利亞2020年的地心基準(zhǔn)面（GDA2020）。澳大利亞還引入了與時間有關(guān)的參考框架——澳大利亞地球參考框架2014（ATRF2014），它是2014年國際地球參考框架的簡化版本[3]。用戶可以使用板塊運(yùn)動模型在靜態(tài)GDA2020和與時間相關(guān)的ATRF2014之間轉(zhuǎn)換，類似于Cheng等描述的方法（見本期）。澳大利亞地理空間參考系統(tǒng)的其他升級包括新的高程參考基準(zhǔn)面（澳大利亞垂直工作表面）以及用于提高大地測量數(shù)據(jù)訪問效率的開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)（如GeodesyML）[4]。有關(guān)升級方面的更多信息，請參考Intergovernmental Committee on Surveying and Mapping（政府測繪委員會）網(wǎng)站[5]。

用戶期望和技術(shù)進(jìn)步持續(xù)降低定位數(shù)據(jù)的不確定性。反過來，這也凸顯了對不斷提高我們的數(shù)據(jù)和基準(zhǔn)面的準(zhǔn)確性和完整性的要求。這是大地測量學(xué)界的一個新時代；越來越多的人依賴于我們所做的工作，但也有許多人不了解它。這并非意味著用戶應(yīng)該理解它；實(shí)際上，應(yīng)該由定位領(lǐng)域?qū)I(yè)人員對其進(jìn)行抽象。而作為定位領(lǐng)域?qū)I(yè)人員，我們的職責(zé)就是改進(jìn)技術(shù)，了解用戶需求并滿足用戶期待。