学科报告▏大地测量与导航专业发展研究(二）

主编：中国科学技术协会编著：中国测绘地理信息学会

三、本专业国内外发展比较近几年，大地测量与导航无论是推动学科自身发展的基础与应用基础研究，还是与相关学科的交叉发展及新应用领域的拓展，均获得了显著的成就，对社会和经济发展产生了重要影响。我国在大地测量、时空基准与导航、大地参考系与数据融合、地球重力场等相关领域的基础与应用基础研究中取得了显著进步，保持与国际同步，甚至某些领域领先国际水平。大地基准是建立国家大地坐标系统和国家大地控制网中各点大地坐标的基本依据，是导航定位的基础。全国基准站网是建立和维持国家和省市级区域高精度、动态、地心、三维坐标参考框架的现代化基础设施，测绘基准工程正在建设的国家 GNSS 连续运行基准站和国家 GNSS 大地控制网配置的接收机具备北斗数据接收能力，为中国大地坐标参考框架建立提供基础设施和基本数据。IERS中心局建立的国际地球参考框架（ITRF）通过方差分量估计方法综合处理 VLBI/SLR/GPS/DORIS等数据，SLR解和GPS解加权平均后获得给出ITRF原点，通过定义站点的李元坐标矢量和速度矢量来具体实现地球参考框架。虽然IERS不断积累各技术分析中心数据处理及分析策略改进，但是其国际地球参考框架IRTF给出的速度矢量都是线性，框架精度，尤其是高程方向，仍无法满足好密集高精度地球动态变化监测需求。中国测绘科学研究院利用国家测绘地理信息局建立的全国基准站网、测绘基准工程和GNSS大地控制网数据。通过全国联合网解算、整体平差，获取中国大地坐标参考框架（CGCS2000）下点坐标和速度场，为实现高精度国家动态地心坐标参考框架的建立和维护奠定基础。GPS系统已成功应用于全球大地参考框架建立和维护中，北斗导航卫星系统（BDS）已具备区域导航定位能力，2020 年服务范围将覆盖全球。北斗办正在加紧iGMAS建设，促进BDS地面及用户部分发展。BDS与其他GNSS系统和技术组合维护CGCS2000坐标系的相关研究具有一定的研究基础，但仍需进一步完善CGCS2000维持技术，精化相关模型。虽然CGCS2000坐标系在国土资源部、水利部、中国地质调查局、交通部、中国气象局、住房与城乡建设部等部分进行推广应用，但是CGCS2000坐标系的应用领域和深度仍有待深化，不断创新CGCS2000坐标系的应用模式，促进CGCS2000满足在国家重大工程、行业应用和大众服务方面的需求。空天一体化基准是实现航天器高精度空间定位与导航的基础。随着BDS系统的不断发展，基于BDS系统的空天一体化关键参数估计将是未来发展重点之一。BDS与其他技术集成建立和维持空天一体化基准能够为中国军事和民用提供可靠的导航定位服务。由于目前国际上仍在使用的地球基本几何物理参数和椭球参数是用1980测量参考系统 GRS80来定义的，加之30年来地球动力学环境的改变，因此GRS80有必要进行更新精化，国际上针对这一问题进行了广泛研究，包括确定精化W0，GM，J2值以及由IERS定期发布的ω值，还有最佳参考椭球参数的确定研究，目前已取得重要进展。随着卫星重力场模型的分辨率和精度有了突破性进展，平均海面高模型MSS和GNSS定位精度提高到厘米级或更优，构建高阶和超高阶地球重力场模型的理论、方法和技术日益成熟，全球高程基准的高精度统一也有望解决。在全国大地水准面数值模型构建方面，我国目前精度最高的CNGG2013大地水准面模型精度在10cm～20cm，13个局部省市在厘米级精度上实现无缝衔接。国际上，USGG2012是NGS为美国研制的最新一代大地水准面模型。美国大地水准面的构建在近20年内发展迅速，平均每三年更新一次，精度从亚米级提高到3cm，分辨率从5′×5′提高到1′×1′，实现了高分辨率厘米级大地水准面的构建。2012年美国政府为美国国家测绘局主持实施的为期10年的GRAV-D计划斥资39亿美元，计划重建全美统一的高程基准，预计高程精度优于2cm。在细化计算理论与方法的基础上，美国20年间进行了大范围GPS/水准加密测量、重力加密测量，这些数据的获得大大提高了重力水准面的精度与分辨率。加拿大采用与美国相同的高程基准系统 NAVD88，先后研发的几代重力大地水准面模型如GSD91、GSD95、CGG2000、CGG2005、CGG2010等，均采用第二类Stokes-Helmert凝聚理论计算，其精度由最初的78cm提高至现在的13cm。欧洲大地水准面计算开始于上世纪80年代初期，与中国相同，欧洲也采用正常高系统。第一代似大地水准面EGG1精度几分米。欧洲不断补充和扩展重力数据库，建立了高分辨率地形和重力异常格网模型，先后推出 EGG94、EGG95、EGG96、EGG97 等似大地水准面模型。重力测量的范围由局部近地空间，扩展到全球和深空。对于重力场的观测也由静态发展到了动态。重力梯度仪研制方面，1982年，Bell Aerospace Textron公司2010年采用BT67飞机验证航空重力梯度仪精度2～3E/200m。20 世纪90年代，澳大利亚BHP Billion公司与Bell Aerospace Textron公司合作基于GGI技术开发了地质勘探的部分张量航空重力梯度测量系统 FALCON AGG。另外三维重力梯度测量是Bell Aerospace 公司为美国海军Trident潜艇计划研究的一项秘密技术，梯度测量精度估计为每1km范围内0.5E。国内还没有用于测量重力梯度空间张量的仪器设备，但是高精度加速度计样机已达到0.2μg 的水平，在高精度多级温控条件下加速度计的精度达到了2.3μg。超导重力仪方面，目前全球范围内唯一商业化的超导重力仪由美国GWR仪器公司研制，GWR型重力仪也被国际同行公认为是精度最高、连续性和稳定性最好的仪器。目前，GWR的台站式超导重力仪提供了前所未有的宽频段分辨率和低于几个μGal/年的稳定性。目前国内在超导重力仪研究领域还是基本空白。航空重力测量则通过机载航空重力仪能够在地面重力测量难以展开的区域进行快速、精确、大面积的重力测量。而我国也于 1998 年开始研究自己的航空重力测量系统CHAGS，并与2003 年在山西大同进行了测量实验，测量精度优于5mGal，与国际水平相当。近年来才制造出我国第一套航空矢量重力测量系统样机，并在2007～2010期间在江苏和山东等地进行飞行试验。随着CHAMP、GRACE和GOCE卫星重力技术的发展，可以获取高精度的重力场和重力场时变信息，促进了重力的研究和应用发展。由于目前在运行的仅剩GRACE双星，但这并不意味着卫星重力研究的热度将会降低。目前美国国家航空航天局NASA已经开始着手下一代重力卫星任务 GRACE Follow-On，在测量地球中、短静态地球重力场的同时能够更加精确的测量地球重力场的时变信息。同时欧空局ESA也展开了下一代卫星重力计划E.MOTION（Earth System Mass Transport Mission）的需求论证。卫星重力测量不仅提供了大量的地球重力观测数据，同时提高了观测的精度，并且将局部地区的重力测量扩展到了全球，并且促进了重力在地表质量变化、地球动力学等方面的广泛应用。国内外多个机构在重力卫星发射后已发布了上百个的全球重力场模型，针对不断增加的重力数据重力场模型构建技术也不断完善。在理论模型的改进、更高精度和更完善的卫星重力模型、地面重力数据全球覆盖生成方法、卫星测高观测数据的精密处理新技术，以及超大规模计算技术的开发等方面，都开展了大量的研究。截至2014年年底，美国“全球定位系统”（GPS）星座有32颗卫星在轨，其中工作星31颗，分别是GPS-2A卫星4颗、GPS-2R卫星12颗、GPS-2RM卫星7颗、GPS-2F卫星8颗。2014年，美国成功发射4颗GPS-2F卫星，加快了GPS星座的更新步伐。同时，美国也在研究增强GPS抗干扰能力的办法。此外，美国在嵌入式全球定位/惯性导航系统（EGI）、天文导航及增强型罗兰系统研究方面也有一定进展。自2011年俄罗斯“全球导航卫星系统”（GLONASS）系统恢复满星座运行以来，俄罗斯每年都持续发射新的GLONASS卫星，以保证系统服务和全球覆盖。到2014年年底，GLONASS系统共有29颗卫星，其中24颗卫星在轨工作，2颗GLONASS-K1卫星仍处于飞行测试阶段。到2014年年底，“伽利略”系统仍只有4颗试验卫星在轨运行。“印度区域导航卫星系统”逐渐成形，分布于2014年4月4日和10月13日，成功发射2颗IRNSS卫星，这是该系统的第2和第3颗卫星。日本加紧建造“准天顶卫星系统”，目前该系统已有1颗卫星发射升空。中国在2012年底完成区域组网后，着力“北斗”系统应用推广，并与多个国家开展卫星导航领域的国际合作。同时，正在建设“北斗”全球系统，2015年开始实施“北斗”全球系统的组网任务。大地测量数据处理方面，在基础理论扩展、新方法扩展、先验信息利用、粗差探测、不适定问题及动态测量数据处理等6个领域均取得了长足进展，尤其是在复数域测量平差和整体最小二乘等领域。在数据处理与地球动力学方面，国外研究机构（诸如德国地学研究中心、德国斯图加特大学、德国波恩大学、美国俄亥俄州立大学、美国斯坦福大学、美国加州大学伯克利分校、美国加州理工大学、美国阿拉斯加大学、美国科罗拉多大学、英国牛津大学、英国伦敦大学学院、英国纽卡斯尔大学、英国利兹大学等）作为国际开放的一流研究中心，近些年来取得的领先研究成果主要涉及大地测量数据处理理论（例如，复数域、整体最小二乘理论和实现算法、顾及先验信息的平差理论、动态平差理论及算法），大地测量新技术开发（例如，高频 GPS 数据处理技术、InSAR 时序处理中多尺度大气误差估计及微弱形变提取技术、大地测量数据与强震仪数据的融合技术、航空重力向下延拓技术、大地测量与地球物理数据测量网络的操作技术），大地测量数据新应用（高频GPS数据在地震和海啸预警中的应用、InSAR时序技术在高精度高分辨率地壳应变场分析中的应用、航空重力在资源勘查中的应用、大地测量观测在全球环境变化中的应用）等。地球动力学方面，以大地测量与导航技术为手段，以数据处理为核心，以地球科学服务为宗旨，致力于固体潮、地球转动、地壳形变、冰川与海平面变化、地球构造和地震等，及相关领域的数据处理研究，从而推动相关理论发展和技术进步，并推动相关地球科学的发展。近几年来，国内外对该方面进行了广泛而深入的研究和应用。就大地测量与反演方向而言，在数据获取、模型构建、反演算法设计及地球物理解释等4个领域取得了长足进展，尤其是在高频GNSS数据在自然灾害预警中的应用及InSAR技术在活动断层识别和监测等领域；就大地测量在地震方面的应用而言，在垂直向、水平向地壳形变监测、构造运动学和地球动力学、地震孕育机制和破裂过程、强地面运动监测和地震预警、地震孕育和发生等5个领域均取得了长足进展，尤其是在GNSS和InSAR技术结合提取垂向运动和重力监测地震异常等领域；就天文地球动力学方向而言，在观测设备和技术、软件系统设计、资料分析技术及应用、天球参考系等4个领域均取得了长足进展，尤其是在北斗导航系统中的应用及大天区统一平差等领域。目前，数据处理与地球动力学领域在国内外被研究的十分充分，且在全球环境变化、经济发展、人类进步等领域发挥的作用越来越大。将国内外进行比较，我们与国际一流水平仍有一定差距，但在不断缩小。近年来，随着国家对该领域的基础研究及其长远的学科应用价值越来越重视，相信在近些年内我国有望在该学科领域整体达到国际水平。

四、

本专业发展趋势及对策

结合国际最新大地测量与导航前沿发展方向以及我国当前大地测量与导航的主要现状，各个专业方向上的主要发展趋势和对策如下：我国未来大地基准重点发展方向集中在CGCS2000的建立与维持、兼容北斗的GNSS多源数据融合大地参考框架维持和多源技术集成的空天参考基准一体化方面。大地参考框架建立和维持主要研究BDS系统的大地参考框架建立和维持应用，包括BDS精密定轨、兼容北斗的国家大地基准完备性监测技术、大规模GNSS站数据处理技术、兼容北斗的GNSS框架综合服务系列产品解算（坐标、速度场和地球定向参数）。在现有水利普查、航道信息、气象服务、海洋测绘、电网“一张网”等行业应用基础上，深化CGCS2000行业推广应用在国家重大工程创新应用，如一带一路、南水北调、西气东输等。空天参考基准一体化方面主要研究 VLBI 精确测定地球自转参数的全维参数、VLBI/SLR并置测量提高地球自转参数预测精度、兼容北斗的GNSS地球自转参数精确估计方法、VLBI/SLR/GNSS多源数据融合的地球自转参数加密测量及解算模型、空天参考基准统一方法等。我国也在计划独立研制我国自主的卫星重力系统Post-GRACE，该系统计划采用双星模型，目标是实现我国自主的高精度和高分辨率的卫星重力测量，并基于测量的时变重力场信息进行全球变化的科学研究，希望能够解决目前我国重力测量结果与全球重力场模型不统一的问题。为我国卫星定轨和远程导弹发射，提供全球统一的重力场信息。随着新型重力测量技术的不断出现，确定地球重力场的能力不断增强，但距离国际大地测量协会提出的“确定1厘米精度大地水准面”的目标仍有一段距离。而新型的重力测量手段的出现，但这并不意味着传统重力测量将会被淘汰，不同的重力测量技术，反映了地球重力场不同频段的信号，只有在发展新型重力观测技术的同时，兼顾多种重力测量手段才有望实现厘米级大地水准面的宏伟目标。未来几年，我国在卫星导航定轨道位方面的研究将从过去以跟踪为主向自主创新为主转变。我国北斗卫星导航系统的建设起步较晚，总体水平离国际领先水准还有一定差距，特别是一些关键技术亟需攻关。北斗地面跟踪站的全球布局和几何结构亟需改善。北斗卫星精密定轨技术，特别是GEO卫星的轨道精度仍有较大的提差距。数据处理与分析中心的组建和管以及北斗应用服务的拓展等将是我国卫星导航系统与技术未来发展的重点方向。另外，未来几年，全球将出现四大卫星导航系统共存互补的局面，将会有100多颗导航卫星播发多个频率的信号，需要突破一系列的关键技术难题。为此，我国将深入开展BDS/GNSS精密定轨定位与数据处理及应用的理论、算法、模型、软件与服务系统等研究。构建具有国际先进水平的卫星导航定位与定轨科技创新研究平台；突破现代时空基准建立与维持、卫星导航精密定位与定轨以及卫星导航定位综合应用服务等方面的瓶颈难题，形成GNSS统一模型、统一无缝高精度实时定位的整体性理论框架。在发展对策方面，应本着“有所为，有所不为”的基本原则，进一步发展基础理论，以使得其能够满足学科发展的需要，充分利用历史大地测量数据，挖掘其科学信息，完善我国的大地测量观测系统，强调大地测量学科在地球动力学、自然灾害预警预报等领域中的应用，使其与环境保护、经济建设、防灾减灾等国家重大需求相契合，同时应加强学科建设，保障有足够的人才从事该学科领域，进而形成良好的人才梯队。

■文章来源：《2014～2015测绘科学与技术学科发展报告》，中国科学技术出版社出版，科学普及出版社发行部发行，出版时间为2016年4月，本书首席科学家为宁津生院士。本文共同撰稿人：白贵霞 党亚民 吴晓平 焦文海 许才军 柳林涛 孙中苗 秘金钟 章传银 成英燕 欧阳永忠 张鹏 甘卫军 黄乘立 张庆涛 王虎 王伟，参考文献略，如其他平台转发本文，务请备注来自“溪流的海洋人生”微信公众平台，版权归中国科学技术协会和中国测绘地理信息学会所有。

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