中国大地测量研究进展(2019-2023)

2023年7月11日至2023年7月20日,第28届国际大地测量学和地球物理学联合会(The International Union of Geodesy and Geophysics,IUGG)大会在德国柏林举行。按照IUGG传统,国际大地测量协会中国委员会(CNC-IAG)组织国内十余家单位编写了“中国大地测量国家报告(2019—2023)”,分别总结了2019至2023年4年期间的中国大地测量各分支学科研究进展。本文主要归纳和总结了中国大地测量学科近几年的整体进展,侧重各领域代表性研究进展,主要内容包括基准框架、综合PNT与弹性PNT、重力场与垂直基准、GNSS精密产品、多源传感器组合导航和海洋大地测量6个研究方向。此外,结合国际大地测量及相关交叉学科的发展趋势,对我国大地测量学科未来发展提出了几点建议。

融合CORS网与时序InSAR研究北京地区地面形变

为提高地面形变监测的时空分辨率以及监测精度,采用CORS网与时序InSAR监测相融合的方法,对北京地区2018~2020年地面垂直方向形变进行研究。首先在InSAR监测量中去除极浅地表影响;然后对CORS站数据进行低频重构;最后以CORS网为基准,对InSAR监测时序进行整体平差,获得融合形变结果。结果表明,融合CORS网和InSAR监测能有效利用CORS网连续观测的优势,获取连续一致的高时空分辨率形变结果,融合方法在构建高分辨率与高精度地面形变时间序列中具有一定优势。在地面垂直方向上,朝阳区、通州区、大兴区中南部地面沉降最为明显,最大年平均形变速率达到-90 mm/a;昌平区中西部、海淀区西部、门头沟区东部等地存在较为明显的抬升,年平均形变速率约为10~20 mm/a;其他地区地面年平均形变速率约为-10~10 mm/a,相对变化较小,较为稳定。

EGM 2008地球重力场模型在中国大陆适用性分析

分别利用我国大陆GPS水准实测高程异常和地面平均空间异常数据,对EGM2008地球重力场模型进行外部精度测试,结果显示:①EGM2008模型高程异常在我国大陆的总体精度为20cm,华东华中地区12cm,华北地区达到9cm,西部地区为24cm;②EGM2008模型空间异常在我国大陆的总体精度为10.5mGal(1mGal=10-3cm/s2),且大大缩小了我国大陆重力场信息东西部地区的差距;③EGM2008模型具有很高的精度,测试结果显示,EGM2008模型在我国大陆的精度与在全球范围内的精度相当;④与WDM94,DQM系列,EGM96相比,EGM2008模型高程异常精度提高了3～5倍,比利用GRACE数据的IGG05b,EIGEN-5c模型提高了2倍以上,空间异常的改善程度更为突出。鉴于EGM2008显著改善了我国大陆重力场东西部地区不平衡的现状,建议在EGM2008模型的基础上,广泛整合我国各部门最新数据,构建与我国局部重力场最佳拟合的(超)高阶地球重力场模型,重新整体计算全国似大地水准面。

厘米级高程异常地形影响的算法及特征分析

从厘米级精度要求出发,通过进一步分解Molodensky级数解,推导出高程异常地形影响项的算法公式,初步分析这些地形影响项的精细特征,推荐一套适合厘米级似大地水准面精化的Molodensky解实用简便的算法公式,结合实例测试验证了厘米级地形影响的技术特征。文章指出,在我国丘陵与山区,要使似大地水准面达到厘米级精度,必须顾及Molodensky二阶项的影响;在我国西部、西南某些大倾角地形地区,由于线性Molodensky级数解不收敛,采用线性Molodensky算法计算高程异常的地形影响难以保证似大地水准面精度达到厘米级,发展合适的似大地水准面精化理论是大倾角地形山区厘米级大地水准面对局部重力场逼近技术提出的理论要求。

似大地水准面的误差分析与抑制技术

大地水准面误差分析与精度评定是局部重力场逼近技术的重要组成部分,是大地水准面精化工程外业方案优化、算法设计和工程质量评价的基本依据。本文分别从地面重力数据误差和局部重力场算法两个方面,分析cm级大地水准面误差的影响特性,提出重力数据误差与大地水准面精度之间普遍适用的规律,推荐一种GPS水准和地面重力数据联合平差的精度评定方法,结合实例和模拟计算分析,介绍大地水准面误差分析与误差抑制方法。

球近似下地球外空间任意类型场元的地形影响

传统的重力归算方法只适用于地球表面上的重力异常,不能用于扰动重力、垂线偏差、重力梯度等其他类型扰动重力场元,不适合处理除地面外其他高度上场元的地形影响问题。当前,地球重力场探测的场元类型越来越丰富,探测的高度也逐渐转向航空和卫星高度,精确处理地球外空间各种类型重力场元的地形影响已成为地球重力场领域面临的重要课题。本文通过直接分解由地形生成的具有调和性质的引力场,从而导出地球外空间任意高度、任意类型扰动重力场元的地形影响,在此基础上给出在球近似下地形影响的严密算法和高精度快速算法。利用本文推荐的地形影响计算方案,可以方便地处理各种类型地面重力、海洋重力、航空重力、卫星重力、卫星测高数据的地形影响,从而丰富重力场数据处理的内涵,改善地球重力场算法的性能。

基于GNSS水准和重力场误差特性的大地水准面精度评估方法

缺乏有效的大地水准面成果精度评估方法,是高程基准现代化及其成果应用面临的关键问题。本文基于GNSS水准高程异常与重力场频域误差特性,研究GNSS水准与重力地面高程异常融合的技术要求,进而提出一种大地水准面成果的误差表达与精度评估方法。经示例测试分析,得出主要结论如下:①实用地面高程异常(即融合后的似大地水准面)精度,应采用随距离非线性变化的高程异常差误差曲线表达;②似大地水准面的精度评估,推荐采用两项误差指标和两条误差曲线共4个要素完整表达,即重力地面高程异常差误差、实用地面高程异常内部误差、实用地面高程异常差误差曲线与GNSS水准高程异常差误差曲线;③当两个GNSS水准点间距离接近或小于所有GNSS水准点平均间距时,GNSS水准高程异常对实用地面高程异常的贡献起主要作用;④较大空间尺度的实用地面高程异常精度主要依靠重力地面高程异常控制。

高精度海岸带重力似大地水准面的若干问题讨论

针对海岸带多源重力数据和地形特点,通过理论分析和试算,对若干影响厘米级似大地水准面确定的关键问题进行了剖析,得出一些有益的结论。我国海岸带Molodensky一阶项对高程异常的贡献在10～30cm,需在Molodensky框架中精化重力似大地水准面;精细处理地形影响是提升多源重力场数据处理水平的重要途径;地球外空间不同高度、任意类型重力场参数的地形影响、地形补偿和地形Helmert凝聚算法可以统一;重力场数据处理中大地测量基准不一致的影响会随数据处理算法的不同而变化,在多源重力数据处理时此类影响易变得不可预测和控制;将地形Helmert凝聚理论引入Molodensky框架,可以解决以其他重力场参数(如扰动重力、垂线偏差等)为边界条件的似大地水准面精化问题。

多种跟踪组合卫星重力场恢复方法初探

将卫星地面跟踪、高低卫星跟踪和低低卫星跟踪恢复重力场的原理进行统一 ,导出了两种能充分综合多种跟踪观测的卫星重力场恢复基本观测方程。在建立基本观测量与重力场参数的函数传输关系的基础上 ,对目前存在的重力场恢复算法给出了直观的解释 ,并以距离二次变率为重力场恢复的基本观测量 ,提出了一种能组合各种卫星跟踪观测量的动态 /动力组合定轨和重力场恢复方法。

高程系统定义分析与高精度GNSS代替水准算法

从高程系统定义出发,探讨高程基准面的重力等位性质,测试分析不同类型高程系统地面点高程之间的差异,考察GNSS代替水准与实际水准测量成果的一致性,进而提出新的GNSS代替水准算法。主要结论包括:(1)当精度要求达到厘米级水平时,正常高的基准面也应是大地水准面。中国国家1985高程基准采用正常高系统,其高程基准面是过青岛零点的大地水准面。(2)近地空间中等解析正高面与大地水准面平行,GNSS代替水准能直接测定地面点的解析正高,但正常高系统更有利于描述地势和地形起伏。(3)本文给出的GNSS代替水准测定近地点正常高算法,大地高误差对正常高结果的影响比大地水准面误差大,前者影响约为后者的1.5倍。

局部重力场最小二乘配置通用表示技术

在分析局部重力场最小二乘配置法技术特点的基础上,推导出一种能综合多种类型、不同高度重力场元经验协方差函数的通用表达方法,以期实现局部重力场元的内插、外推、延拓或其他不同高度的重力场元估计一体化。分析了最小二乘配置技术的一些性能以及算法实现中应注意的问题。

变形体的稳定性及其定量分析方法初探

变形体的稳定性是变形体性能的重要内容，它是工程实际中极为关注的问题，但从变形监测的角度上来分析变形体的稳定性目前在国内外还未见任何实质性的报导。本文讨论从变形监测角度上分析变形体稳定性的一般方法，进行变形稳定性的分类，初步研究了变形体稳定性的定量分析方法，定义了一系列量化指标，如稳定度、因素的影响域与因素的稳定域等。这些有利于把稳定性分析推向应用和深入，从而提高变形监测在变形体稳定性分析中的地位，增强其解决实际问题的能力。

浅论现代测绘科学基本问题与科学思维

]从现代测绘科学自身特点出发 ,阐述了现代测绘科学面临的三大基本问题 ,即充分发挥大地测量学在现代测绘科学中的基础性地位 ,发展多种地球空间信息获取手段 ,有效地处理与分析地球多源空间信息。力求澄清一些基本概念 ,并以解决某些问题的思路为例 。

小波分析及其在地球重力学中的应用展望

本文在扼要介绍小波分析基本理论的基础上，阐述其一些主要功能，进一步讨论小波分析在地球重力学各领域中应用的可能性及预期效果。

利用ITRF速度场计算中国大陆与周围板块的现今三维相对运动

利用几何大地测量监测数据考察某一岩石圈板块或块体的运动 ,目前的主要方法是选择某一相对稳定点或直接选择地固参考系作为运动参考系 ,计算被考察的板块或块体相对于该相对稳定点的运动或在地固参考系中的运动。显然 ,这种计算结果无法全面直观地表达被考察板块或块体的内部相对运动 ,以及周围板块或块体相对于被考察板块或块体的运动。文中首次尝试了直接选择被考察板块或块体即欧亚板块东南部块体作为参考块体 ,利用一种高精度的几何大地测量监测数据 ,即国际地球参考框架 (ITRF)速度场计算了欧亚板块东南部块体在ITRF参考系中的线性运动模型 ,从而建立了欧亚板块东南部块体的块体参考系 ,并在该块体参考系中计算欧亚板块东南部块体内部及周围板块现今三维相对运动 ,进而分析中国大陆及周围板块的现今相对运动规律 ,以及板块边界处板块的现今相对运动规律。

GPS水准和重力数据联合平差技术及其性能分析

本文推荐一种适合高精度大地水准面精化的GPS水准和重力数据联合平差技术。这种技术以重力场积分公式为约束条件,在统计框架中,使GPS水准高程异常和其他重力场元(平差值)满足重力场边值条件,进而利用条件平差技术构造大地水准面的统计解。实测和模拟计算结果表明,利用本文推荐的GPS水准和重力数据联合平差技术,可以较好地解决目前高精度大地水准面精化中地面重力数据精度分布存在较大差异,重力数据、GPS水准数据存在多种系统偏差,以及局部重力场积分的“远区效应”等一系列难题。

卫星测高沿轨海面高的精细结构及其应用技术初探

首先介绍了频域和多尺度域中的两种沿轨测高海面高精细结构 ,进而提出了利用沿轨测高海面高精细结构计算平均海面高与海平面距平的新方法 ,最后进一步讨论了沿轨平均海面高和海平面距平的频谱和多尺度分解 ,以及它们随时间的变化特性。

变形参考系及不同变形参考系中变形数据的联合处理

本文首先讨论了变形参考系及其实现方法 ,然后讨论了不同变形参考系中变形的数据统一问题。在此基础上 ,建立了欧亚板块东南部块体的块体变形参考系 ,并在该块体变形参考系中联合了 ITRF97速度场和中国 GPS-A级网复测资料计算了中国大陆与周围板块的现今相对运动 ,进而分析了中国大陆及周围板块的现今相对运动规律。

我国重力卫星、海洋二号卫星任务与大地测量基准框架之间的互动关系

本文讨论地面大地测量基准框架在我国重力卫星、海洋二号卫星任务的设计、初始化、任务维持、质量控制等方面的作用,以及这两个卫星任务的实施对完善我国大地测量基准框架的作用。并从重力场和海洋环流探测的角度,分析了重力卫星与海洋测高卫星的互补关系。最后,简单介绍了大地测量理论和方法在提高卫星任务总体性能和任务过程质量控制中的作用。

差分GPS水下立体定位系统

差分GPS水下立体定位系统包括GPS差分基准站、GPS浮标、水下收发机、船基控制中心四部分。差分基准站提供GPS差分改正,实现浮标内置GPS高精度实时定位。GPS浮标完成水上和水下的集成,检测水下收发机发射的定位信号并测量信号到达的时间,同时将各种数据发送到船基控制中心。船基控制中心接收各个浮标的数据后实时解算水下收发机的位置,同时将结果发送给水下收发机。本文首先对系统的总体构成和各个部分的功能进行了介绍,然后详细推导了系统定位算法,最后结合系统试验情况给出了系统试验精度统计结果。