中国大地测量科学发展的若干问题Word下载.docx
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大地测量的数据处理已由后处理发展到准实时和实时处理；
大地测量的工作距离已由数十公里发展到几千公里，定位精度由米级提高到厘米级和毫米级；
大地测量学由单一学科发展到与其它测绘学科或和其它地学学科相互渗透的综合性学科，成为推动地球科学发展的前沿学科之一。
使得大地测量学在资源和环境的利用、保护和管理，在减灾防灾和提供地球空间信息或是地理信息基础框架等方面的应用得到不断的扩展。
我国的大地测量学的发展，经历了漫长的过程。
在新中国成立的初期，由于国民经济建设的需要，亟待开展全国性1∶5万为主的国家基本比例尺的测图工作，大地测量作为测绘基准［1］、提供地理信息的基础框架，必须先行一步。
经过大地测量工作者艰苦卓绝的努力，终于建成了我国大陆的各类测绘的国家基准［2,3］，主要体现在以下几个方面：
1.1国家平面基准
1954年通过东部地区一等三角锁的区域性平差，引进前苏联“普尔柯沃坐标系”，建立了“1954年北京坐标系”，为新中国确定了国家坐标系统。
由于1954年北京坐标系所采用的参考椭球参数及其定位与我国的区域大地水准面配合欠佳，全国的天文大地网未进行统一平差，不能满足高精度定位以及地球科学、空间科学和战略武器发展的需要。
从70年代开始，用近10年的时间，完成了全国天文大地网4.8万余大地测量控制点的整体平差，采用了当时国际推荐的地球椭球参数，而相应椭球的定位采用局部定位，即与我国的区域大地水准面最佳拟合的方法来确定。
由此重新严格定义了我国国家坐标系统，即1980年中国大地坐标系（或简称1980年西安大地坐标系）和以上述天文大地网为骨干的国家坐标框架。
1980年西安大地坐标系的建立，确立了我国的二维坐标系统，是我国的国家平面基准，是80年代初期经典大地测量技术的世界先进水平。
1.2国家高程基准
1954年由青岛和坎门两个验潮站的平均海面建立了我国黄海54高程基准。
1956年以后全国统一采用由1950—1956年青岛大港验潮站平均海面定义的黄海56高程基准。
1987年后全国启用新的高程基准，即黄海85高程基准。
它采用了验潮站1952—1979年的资料，取19年的资料为一组，滑动步长为一年，得到10组以19年为一个周期的平均海面，然后取平均值作为最终结果，比较科学地确立了我国沿用至今的黄海85高程基准。
50~60年代完成了国家一期一等水准网控制网的施测和平差计算，总长约4万km，构成了我国建国初期的国家高程系统。
70~80年代,完成了国家二期一等和二等水准网的布设和计算。
国家一等水准网总长度约9.3万km，国家二等水准网总长度约为13.7万km。
为全国所有涉及高程的各项工作提供了基准框架，90年代完成了国家二期一等水准网的复测工作，为中国大陆地壳垂直运动研究提供了可靠的科学基础数据。
1.3国家重力基准
我国在50年代建立了国家57重力基准。
在80年代更新重建了85重力基准。
我国第一个国家重力控制网建于50年代，称为国家57重力基本网。
到80年代初，我国又更新重建了国家85重力基本网，相对于57网，该网重力精度提高了约2个数量级。
现在提供使用的国家85重力基准中的重力系统是由国家1985重力基本网中的绝对重力点所定义的，重力系统的实现则由该网和一等重力网完成。
国家85重力基本网由57点重力点（包含绝对和相对重力点）组成，实际精度为±
25×
10-6cm/s2,一等网由100余个相对重力点组成，实际精度为±
30×
10-6cm/s2。
国家的1980大地水准面主要是用天文重力水准技术推定，于70年代完成和提供使用，它相对西安大地原点的精度为±
（3~5）m［3］,分辨率不高于200km×
200km。
我国在武昌还设有永久性重力潮汐观测的基准站，经过10余年的努力，为我国在重力潮汐参数的确定方面做出了重要贡献。
1.4国家空间大地网
从70年代至今，我国已建立了国家卫星多普勒网（35个点,精度为±
2~3m）,建成了2个VLBI站（上海和乌鲁木齐）,4个SLR固定站（上海、武汉、北京,长春）和一个SLR流动站，近70个GPS永久性跟踪站，完成了包含上述各种技术的国家级空间定位网（近2300个点）的布测和计算,建立了我国新一代的基于空间技术的地心三维大地控制网。
目前正致力于扩大我国永久性空间观测站网的数量和提高观测质量，为我国陆海地壳运动和大气监测做出贡献。
1.5野外基线长度基准和野外航摄检定场
建立了符合国际标准的最高精度的北京和成都2个野外基线长度基准,建立了分布全国的10余个EDM长度检定场，使我国各种工程建设中的长度纳入到国际的统一标准中。
除了这些国家测绘基准外还建立了对航摄精度、底片畸变、像机质量等实施检定的野外航摄检定场和全国天文经度基准网等。
我国在大地测量学的基础应用研究领域也得到了持续的发展，学术研究紧随世界先进水平。
在应用研究方面的主要成就有：
①发展了秩亏自由网平差和粗差检测及稳健估计理论；
②系统地研究和实施了地面大地网和GPS定位网联合平差；
③发展了整体大地测量方法；
④研制了重力场模型和确定我国新一代的大地水准面；
⑤研究了关于地面参考系的定向和地球自转运动的基础力学理论；
⑥对统一引力场的表示理论进行了有相当深度的探讨。
我国的海洋大地测量在这两年来也有了较大的发展，80和90年代分别利用卫星多普勒和GPS技术对南沙群岛、西沙群岛的部分海礁与国家大地控制点进行了联测，使我国的大地测量控制从大陆延伸到我国的近海海域。
利用卫星测高数据对我国海域的重力场进行了研究，对我国海平面的升降进行了探讨，此外对近海潮汐各项参数对天文大地和地球物理量的影响及相应函数关系作了研究。
2大地测量学当前发展的国际背景［4~7］
当今大地测量学已由单一学科的研究发展到与其它测绘学科以及其它地学学科相互渗透的综合研究方向发展，在可以预见的将来，国际大地测量学的发展趋势是：
①建立和维护高精度的惯性和地固四维空间参照系；
建立和维护地区性和全球的三维大地控制网（包括海洋大地网）；
以一定的时间尺度长期监测这些网随时间的变化，为地球动力学现象和数字地球提供一个高精度的动态、实时、三维的大地坐标框架和地面基准点网。
②监测和解释各种地球动力学现象，如地壳运动、地球自转运动的变化、地球潮汐、海面地形和海平面变化、大气对流层（水汽）和电离层的变化等。
③测定地球形状和地球外部重力场精细结构及其随时间的变化，对观测结果进行地球物理学解释。
④静态和动态实时确定地球上点位的位置及其变化（导航）。
2.1GPS连续运行站网和综合服务系统的发展
国际大地测量发展的一个特点是建立全天候、全球覆盖、高精度、动态、实时定位的卫星导航系统。
在地面则建立相应的永久性连续运行的导航卫星（如GPS）追踪站。
前者最突出的例子是美国的GPS系统、俄国的GLONASS系统和欧洲正在建立和发展的GALELIO系统，而后者则有如美国的“连续运行参考站”（CORS）系统。
在全球地基GPS连续运行站的基础上组成的IGS（InternationalGPSService）,是GPS连续运行站网和综合服务系统的范例。
它无偿向全球用户提供GPS各种信息,如GPS精密星历、快速星历、预报星历、IGS站坐标及其运动速率、IGS站所接收的GPS信号的相位和伪距数据、地球自转速率等。
在大地测量和地球动力学方面支持了无数的科学项目，包括电离层、气象、参考框架、精密时间传递、高分辨的推算地球自转速率及其变化、地壳运动等。
在美国布设了GPS“连续运行参考站”（CORS）系统。
它由美国大地测量局（NGS）负责，该系统的当前目标是:
①使全部美国领域内的用户能更方便的利用该系统来达到厘米级水平的定位和导航；
②促进用户利用CORS来发展GIS；
③监测地壳形变；
④支持遥感的应用；
⑤求定大气中水汽分布；
⑥监测电离层中自由电子浓度和分布。
至2001年5月CORS已有160余个站。
美国NGS宣布,为了强化CORS系统，从现在起，以每个月增加3个站的速度来改善该系统的空间覆盖率。
CORS的数据和信息包括接收的伪距和相位信息、站坐标、站移动速率矢量、GPS星历、站四周的气象数据等，用户可以通过信息网络，如Internet很容易下载而得到。
英国建立的“连续运行GPS参考站”（COGRS）系统的功能和目标类似于上述CORS，但结合英国本土情况,多了一项监测英伦三岛周围海平面的相对和绝对变化的任务。
目前已有近30个GPS连续运行站。
德国已建立由100多个永久性GPS跟踪站所组成的全国卫星定位网。
它也提供4个不同层次的服务：
①米级实时DGPS（精度为±
1～3m）；
②厘米级实时差分GPS（精度为1～5cm）；
③精度为1cm的准实时定位；
④高精度大地定位（精度优于1cm）。
其他欧洲国家，即使领土面积比较小的，芬兰、瑞士等也已建成具有类似功能的永久性GPS跟踪网，作为国家地理信息系统的基准，为GPS差分定位、导航、地球动力学和大气提供科学数据。
在亚洲目前仅日本已建成近1200个GPS连续运行站网的综合服务系统——GeoNet。
它在以监测地壳运动地震预报为主要功能的基础上，目前结合气象部门开展GPS大气学的服务。
2.2GPS在大气监测中的应用
1992—1997年，地基站GPS的多次实验已经证明,它们是可以作为具有高时间分辨率的动态测定大气可降水量的“气象站”。
在1998年，又做了GPS/MET项目的试验，它是星载GPS用掩星技术进行大气研究的实验性项目。
实验证明,在近地至40km高空的精确的水气含量截面,利用上述技术是可以获取的。
这次试验的最大收获是取得了全球获取气象数据困难的地区,如洋区的气象数据,从而使数值天气预报（NWP）所需要的气象数据的分辨率获得了极大改善，因此星基和地基GPS连续运行站网为今后改善NWP提供了基础。
从1998年开始，IGS已提供了全球150个GPS站的对流层天顶路径延迟（ZPD）值，数据提供的滞后时间是3~4星期。
目前IGS数据库中所保存的ZPD数据为,1997—1999年间各IGS站每2小时平均的ZPD值。
在IGS的ZPD数据库中，中国有5个站，上海、武汉、乌鲁木齐、拉萨和台北。
但150个IGS站中的大部分（包括上述5个中国站）由于不能准确及时和连续提供测站的气象数据（气压、气温），因此IGS目前还不能提供这些测站综合可降水量（IPWV），但这将是IGS下一步的工作目标。
在2000年发射的德国CHAMP卫星，和今后几年准备发射的SAC-C，COS-MIC等LEO卫星，都将利用星载GPS以掩星法技术进行对流层折射延迟（也包括对大气IPWV）的研究。
GPS在监测电离层方面的应用，也是GPS空间气象学的开端。
太空中充满了等离子体、宇宙线粒子、各种波段的电磁幅射，由于太阳常在一秒钟内抛出百万吨量级的带电物，电离层由此而受到强烈干扰，这是空间气象学研究的一个对象。
类似于GPS在对流层中的应用一样，通过测定电离层对GPS讯号的延迟而来确定在单位体积内总自由电子含量（TEC），以建立全球的电离层数字模型。
IGS目前提供了一种电离层“地图”的标准交换格式（IONEX），它的作用同RINEX一样，使基于各种理论和技术所获得的电离层地图能在统一规格的基础上进行综合和比较。
目前IGS的各个数据处理中心都可以以IONEX格式，按每2小时平均值提供每天的全球TEC的电离层地图。
GPS/MET项目所提供的数据可以实时可靠地推算全球电子浓度的截面，即所谓提供“空间天气预报”。
目前正在研究将这些星载的气象和电子浓度截面数值，结合地面GPS站数据，作成层析图像提供使用。
今后3年中GPS/MET项目研究还要进行6次，预计它将在天气预报、空间天气预报、气象监测方面做出巨大贡献。
2.3GPS作为测高仪的应用
多路径效应是GPS定位中的一种噪音，至今仍是高精度GPS定位中一个很不容易解决的“干扰”。
过去几年利用大气对GPS信号延迟的噪声发展了GPS大气学，目前也正在利用GPS定位中的多路径效应发展GPS测高技术，即利用空载GPS作为测高仪进行测高。
它是通过利用海面或冰面所反射的GPS信号，求定海面或冰面地形,测定波浪形态,洋流速度和方向。
通常卫星测高或空载测高测量的是一个点，连续测量结果在反射面上是一个截面，而GPS连续测高的结果则是测量有一定宽度的带，因此可以方便地测定反射表面的起伏（地形）。
据报告，试验时在空载平面安装2台GPS接收机，1台天线向上用于对载体的定位，1台天线向下，用于接收GPS在反射面上的讯号。
美国在海上做了测定洋流和波浪的试验。
丹麦在格陵兰做了测定冰面地形及其变化的试验。
2.4GPS等导航卫星的更新和发展
美国提出了GPS现代化的一系列措施。
在2003年以前，在L2频率上将要加载C/A码，而BlockⅡF类型的GPS卫星，将在2005年前将加载第三频率（1176MHz）。
美国最近还提出GPS完全现代化的GPSIII。
它将在2003年前确定方案，于2008年发射第一颗GPSIII试验卫星。
欧洲决定从21世纪即2000年开始实行全球卫星导航系统第二阶段（GNSS-2）工作计划，发射称为伽利略（Gallileo）的导航卫星。
CODE和IGN积极组织了IGEX-98，即国际GLONASS实验，以改善其轨道精度和坐标及时间框架。
目前GLONASS的精密轨道在ITRF96框架和GPS时间系统中，已提高到20cm量级。
以支持发展能同时接收GPS和GLONASS的接收机，使卫星定位和导航更为可靠，能观测到更多的航导卫星，从而更易于解决初始模糊度。
此外，由于GLONASS的轨道倾角相对较高，因此这两种导航系统的结合，使卫星导航系统对全球的覆盖更为完整。
2.5地球重力场研究
地球重力场的研究始终是大地测量学科发展最活跃的领域之一。
人类对地球重力场的认识取决于全球范围内重力场探测技术和确定地球重力场的理论发展，由于地面重力测量、航空重力测量以及空间重力测量的发展，对地球重力场的研究已取得了突破性进展。
微伽级便携式相对重力仪已被广泛应用于大范围地面重力测量，超导重力仪的精度也优于1×
10-6cm/s2，甚至能达到0.1×
航空重力测量是在区域范围内获取高精度高分辨率重力场信息的有效技术手段，进入90年代以来，GPS、INS及高灵敏度高稳定度梯度仪的应用，导致航空重力测量的研究取得了突破性进展，航空重力测量系统的精度可达到1×
10-3～3×
10-3cm/s2，分辨率为5～10km。
空间技术应用于海洋重力场的测定，如卫星测高（SA）技术已在20世纪90年代进入生产实用阶段。
从2000年开始，空间技术应用于包括大陆范围的全球重力场测定的卫星追踪（SST）技术和卫星重力梯度测定技术（SGG）。
自1998年美国公布EGM-96的全球重力场模型以来，利用空间技术进行重力场测量的理论和技术—空间重力测量学的发展是大地重力学进入21世纪的一个标志。
它主要表现在三个方面，即:
高轨卫星追踪低轨卫星技术;
低轨卫星追踪低轨卫星技术;
卫星重力梯度测定技术（SSG），前二者则统称卫星追踪卫星技术（SST）。
今后几年，以美国国家航空航天局（NASA）和欧洲空间局（ESA）为主,将再次在这一方面进行大规模生产性科学实验，将陆续发射三个包括有求定地球重力场能力的卫星，即CHAMP、GRACE和GOCE。
已在2000年7月发射的用于地球物理研究的小卫星CHAMP，它是高度为270~470km的低轨卫星，主要用于测定地球重力场和磁场。
测定轨道和高低SST的星载设施计有GPS，接受SLR跟踪的激光反射镜，和测定非重力加速度的一种传感器，以削弱非保守力的影响更准确求定地球重力场。
GRACE是“探测重力场和气象实验”卫星，预定在2001年发射。
它和CHAMP有2年共存的重叠期，GRACE用于测定地球重力场的设施类同CHAMP，但它是一个同时以高低和低SST技术求定重力场的卫星，即它能提供它自身与CHAMP,与GPS等卫星间的距离变化率，以求定地球重力场。
GRACE和CHAMP主要依靠SST技术推算重力场的中波、长波部分，而短波部分主要依靠地面重力资料。
GOCE是ESA地球探索卫星系列中的第一个所谓“重力场和静态洋流探索”卫星，它有星载重力梯度仪（SGG），一个GPS/GLONASS接收机，用于定位和实施高低SST，还有一个无阻尼装置,以补撑非保守力。
GOCE利用SGG和SST技术来测定地球重力场。
SGG对地球重力场的中、短波部分比较敏感，而SST则对中、长波部分比较敏感，因此GOCE所提供的地球重力场的分辨率达100km（相应250阶次）,精度达到几个毫伽。
以上这三颗星所提供的地球重力场信息是空间重力测量在精度和分辨率方面的一个重大进展，而且它还能实时提供重力场长波部分随时间变化的信息。
精化大地水准面是社会和经济发展在重力场逼近方面的另一个目标，也是大地测量和诸多地球科学发展的需要。
许多国家均在近10年来已拥有了高精度（±
1cm）高分辨率（5′×
5′）的局部大地水准面。
空间技术的发展，特别是GPS技术的广泛应用，使得大地测量学不仅与其它地学学科的联系更加紧密，而且大大拓宽了服务社会的宽度和深度。
GPS已广泛应用于航空航天、资源勘探、土地动态监测、测绘、地球物理、地理信息、农牧渔业、智能化交通管理等领域。
其中最特出的一个例子是GPS和大气科学的结合而形成一门新的学科——GPS大气学。
利用空基和地基GPS永久性连续追踪站，可以实时、高分辨率的测定对流层中的水汽和电离层电子浓度在纵向和横向的数值，这对天气和电离层实时预报将发挥极有价值的作用。
3我国大地测量学今后发展的几点考虑［8，9］
建国初期，我国的大地测量基准，如平面基准、高程基准、重力基准等主要用于满足我国大陆范围内不同基本比例尺地形图测图的需要。
随着我国经济建设的发展和科技的进步，大地测量的服务范围也有了进一步的拓宽，除了提供基础测图的基准控制外，还为陆海资源的管理和开发、环境保护、减灾防灾、航空、航天、信息等产业，为改革、开放的我国社会和经济的持续发展提供地理基础框架，因此，对我国大地测量基准提出了现代化、全球化的要求。
参考国际上大地测量学的发展趋势及我国社会和经济的实际对我国大地测量学今后的发展和建设现代大地基准等方面，提出几点考虑：
3.1大地坐标系统和大地坐标框架的现状和问题
目前使用的1980年西安坐标系从技术和应用方面考虑，存在下面几个问题：
①是椭球大小。
西安80系采用的椭球是IAG1975椭球。
它的椭球长半轴a为6378140m，要比现在国际公认的［10，11］，或是GPS定位中所采用的相应值要大3m。
它可能引起的长度误差在5×
10-7水平。
②是椭球定位。
西安80系不是地心坐标系，而是由（中国）局域高程异常最佳符合（即｜ζ2｜=min）方法定位。
③是椭球短轴的指向。
西安80系采用指向JYD1968.0极原点。
与国际上包括GPS定位中通用的椭球短轴的指向BIH1984.0不同。
科学技术的发展，对原来定义我国大地坐标系的物理和几何常数已有了更新和改善［5，6］，另一方面是空间和信息技术及其应用的飞速发展，在改革开放政策的指引下，在经济全球化的发展中，在我国创建数字中国的过程中，单纯采用局部、二维、低精度、静态的大地坐标系统作为大地基准所带来的不协调的矛盾会愈来愈多。
对我国国土范围内所考虑对象的二维或三维空间位置（不论该对象是处于静态还是动态），都需要一个全国统一的、协调一致的大地（地理）坐标框架。
这是大地坐标系统的实现，是国家测绘基准的一个重要方面。
目前提供全国使用的大地坐标框架是用经典大地测量技术所测定的全国天文大地网。
它由4.8万余个大地控制点组成，这些点间的相对精度为3×
10-6［2，3］，在我国大陆的分布密度约为1∶15km×
15km，这就是说，在一幅1∶5万基本地形图中，可能有1~3个属于这一坐标框架的大地控制点。
我国大地坐标框架近年来在空间技术、信息技术的发展中遇到3个主要方面的问题：
①是近5万个全国天文大地网点，历经几十年沧桑，已损毁了近1/3；
②是卫星定位技术，如GPS技术，已得到了广泛的应用，其点位平面位置的相对定位精度已可高达10-7量级以上，要比现行的全国大地坐标框架高出近1~2个量级；
③是卫星定位的测量成果是三维的、立体的，而现行的大地坐标框架是二维的、平面的。
因此，高精度的卫星定位技术所确定的局部三维测量成果，与较低精度的、全国性二维大地坐标框架往往不能互相配适，存在很难调整的矛盾和冲突。
目前正在进行数据处理的全国GPS2000网，其点数可达2000余个，其中GPS永久性追踪站为25个。
该网点的相对精度预计可达10-7以上。
这个网若在2002年启用后，将使我国大地坐标框架在三维和高精度方面走上一个新的台阶。
但在另一方面，该网点的平均密度仅为1∶70km×
70km。
也就是平均9幅1∶5万的地形图中才能找到一个GPS2000网点。
而实际情况还不能这样乐观，因为GPS2000网中的近100个点的布设是为了适应地震监测的需要，它在某些地区（如南北地震带）密，某些地区稀，因此在我国大陆近一半以上的地区实际上达不到上述点位分布的平均密度。
由此可见,就服务于全国广大（静态）定位用户（不论是二维的还是三维的）而言，GPS2000网面临的主要问题是它的点数过少，分布密度太低；
就服务于全国动态或高精度定位用户而言，则要在中国建立远比25个更多的GPS永久性追踪站和相应的数据传输、处理和分发的网络系统。
因此加密GPS2000网和增加GPS永久性追踪站及其相应配套的数据网络系统是在我国“十五”建立一个地心、三维、动态的现代大地坐标框架所要解决的基本问题。
3.2
建立现代大地坐标系统和大地坐标框架的目标和任务
这里先讨论建立我国现代大地坐标框架的有关问题，再讨论建立我国现代大地坐标系统。
在新世纪建立我国现代大地坐标框架的目标是建立三维、高精度、动态和实用的大地坐标框架。
三维主要是指该框架由具有地心三维直角坐标的点所构成；
高精度主要是指构成该框架的点位相对精度不低于10-7，相对地心的绝对精度不低于10-7；
动态是指框架点位应是时间的函数；
实用是指框架点的数量和分布密度能满足今后10年间用户连测方便的基本需求，也能满足数字中国创建阶段的需求。
完成建立这一大地坐标框架的任务可以分为几个方面，逐步和交叉的实施。
第一方面是GPS2000网和我国天文大地网的联合平差［12］。
虽然由于这二个网的公共点数量不到天文大地网点总量的2%，天文大地网受到几十年来的点位位移的影响，但联合平差后，天文大地网相对点位精度仍有所提高［7］。
因此即使它的点损毁严重，但联合平差后仍有几万个具有三维坐标的点，因此在“十五”期间，采取这一措施可以暂时满
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