当考古遇上科技 | GNSS技术在考古调查中的应用

Global Navigation Satellite System简称GNSS，是以人造卫星作为导航台的星级无线电导航系统，为全球陆、海、空、天的各类军民载体提供全天候、高精度的位置、速度和时间信息，又称为天基定位、导航和授时系统。

GNSS是对BDS（中国北斗）、GPS、GLONASS、Galileo系统等这些单个卫星导航定位系统的统一称谓，也可指代它们的增强型系统，又指代所有这些卫星导航定位系统及其增强型系统的相加混合体。也就是说，它是由多个卫星导航定位及其增强型系统所拼凑组成的大系统。

在考古学中，GNSS也发挥着重要的作用。应用GNSS可以确定各个遗址的经度、纬度、海拔高度等地理坐标。

GNSS的组成

GNSS主要由空间卫星部分、地面监控部分和用户设备三部分组成。

01空间卫星部分

❶ GPS

GPS起始于1958年美国军方的一个项目，1964年投入使用。由24颗卫星组成，其中有21颗工作卫星，3颗备用卫星。工作卫星分布在6个近圆形轨道上，每个轨道上有4颗卫星。

❷ GLONASS

GLONASS是前苏联80年代初建设的，现由俄罗斯空间局管理。由24颗卫星组成，均匀分布在近圆形的轨道平面上，每个轨道面8颗卫星。

❸ Galileo

Galileo是由欧盟研发的全球卫星导航定位系统，该计划1999年启动，由欧洲委员会和欧空局共同负责。该系统一共由30颗卫星组成，其中27颗工作星，3颗备份星。全部30颗卫星（后调整为24颗工作卫星，6颗备份卫星）于2020年发射完毕。

❹ BDS

我国的BDS（北斗卫星导航系统）由空间段35颗卫星组成，包括5颗静止轨道卫星、27颗中地球轨道卫星、3颗倾斜同步轨道卫星。

GNSS卫星的主要功能是接收并存储由地面监控站发来的导航信息；接收并执行主控站发出的控制命令，如调整卫星姿态，启用备用卫星等；向用户连续发送卫星导航定位所需信息，如卫星轨道参数、卫星健康状态及卫星信号发射时间标准等。

02地面监控部分

地面监控部分一般由主控站、监测站、注入站以及星间链路运行管理设施组成。以DBS（北斗卫星导航系统）为例，介绍各部分情况及功能。

❶ 主控站

主控站是地面控制部分的中心，也是整个北斗卫星导航系统的中心，具有监控卫星星座、维持时间基准、更新导航电文等功能。

❷ 上行注入站

上行注入站的功能是把由主控站发布的信息和指令注入各个卫星中去。这些信息和指令包含卫星轨道位置、星上时钟校正信息、广域差分信息等重要内容。

❸ 监测站

监测站的功能是对卫星进行监测，保持连续跟踪卫星的轨道位置和系统时间，完成数据采集，并汇总卫星、气象等信息后传给主控站处理。

❹ 星间链路运行管理设施

星间链路运行管理设施，实现了基于星地和星间链路联合观测的卫星轨道和钟差测定业务处理。其中“星间链路”就是航天器与航天器之间具有数据传输和测距功能的无线链路。

03用户终端部分

用户终端主要由GNSS接收机、硬件和数据处理软件、微处理机及终端设备组成。GNSS接收机由主机、天线和电源组成。其主要任务是捕获卫星信号，跟踪并锁定卫星信号；对接收的卫星信号进行处理，测量出GNSS信号从卫星到接收机天线间传播的时间；能译出GNSS卫星发射的导航电文，实时计算接收机天线的三维位置、速度和时间。

GNSS工作原理

GNSS卫星在空中连续发送带有时间和位置信息的无线电信号，供GNSS接收机接收。由于传输的距离因素，接收机接收到信号的时间要比卫星发送信号的时间延迟，通常称之为时延（时间差），利用时延可以确定距离，从而计算出用户接收机的具体位置。

通常来说，一个接收机需要至少能够和4颗GPS卫星直接联系，才能精确判断自己所处的位置。

GNSS在考古中的应用

01遗址调查

GNSS作为新兴技术应用在考古遗址调查中，对遗址的准确定位起到了重要作用。它不仅增加了调查的信息量，而且提高了调查的效率。例如河南省文物考古研究所和美国密苏里州立大学人类学系，运用“GPS”确定河南颖河上游龙山文化—二里头文化20多处遗址点的地理坐标。

02考古测绘

GNSS在考古测绘中的应用，主要靠RTK实现，提高了工作效率和资料收集的准确性、系统性、全面性。例如：郑州市文物考古研究院按照国家文物局2009年新修订的《田野考古工作规程》要求，把全站仪、GPS-RTK两项测绘技术应用于望京楼遗址田野考古工作过程中，主要的测绘成果包括望京楼遗址地形图、勘探分区图和布孔图、勘探遗迹分布图、考古发掘布方图和考古发掘遗迹分布图。

GNSS用于田野考古的优缺点

优点：

◎高精度的三维定位，各点不存在累积误差。

◎设计和布点方便灵活。GNSS的定位精度与GNSS点的几何图形基本无关，不受地面点间相互通视的限制。

缺点：

◎雷雨天气不适宜使用。由于GNSS设备容易受到雷击，雷雨天气一般不使用，因而雷雨天气多的地区或季节会受到一些影响。

◎路径上的物体对系统测量产生不利影响。因为GNSS信号接收机和卫星之间路径上的任何物体(包括磁场)都会对系统的测量产生不利影响，所以在林区和高压线区使用GNSS会带来一些不便；同时也不能将其运用于石窟寺和洞穴遗址的工作中。

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