我国现代化测绘基准的发展战略.docx
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我国现代化测绘基准的发展战略
我国现代化测绘基准的发展战略
1国际大地测量发展动向
1.1卫星定位技术的新进展83
1.2地球重力场研究的进展90
2我国测绘基准发展现状
2.1天文大地网的布设和平面基准的建立97
2.2空间大地测量的发展101
2.3地球重力场研究的进展106
2.4高程系统的发展109
3目前我国测绘基准存在的问题
3.1平面基准存在的问题110
3.2高程基准存在的问题112
3.3重力基准存在的问题113
4建设现代测绘基准的实施战略
4.1建设我国现代测绘基准的目标114
4.2我国平面基准和坐标系的实施战略115
4.3我国高程基准和精密水准网的实施战略117
4.4我国重力基准及全国大地水准面精化的实施战略118
4.5省辖市测绘基准实施战略119
参考文献………………………………………………………………………………121
测绘基准是“数字中国”地理空间基础框架的重要组成部分,它是进行各种测量工作的起算数据和起算面,是确定地理空间信息的几何形态和时空分布的基础,是在数学空间里表示地理要素在真实世界的空间位置的参考基准,以保证地理空间信息在时间域和空间域上的整体性。
根据中华人民共和国测绘法第二章“测绘基准和测绘系统”规定,“国家设立或采用全国统一的大地基准、高程基准、……重力基准……”。
大地(平面)基准主要包括国家坐标系统和坐标框架;高程基准主要包括国家高程系统和国家高程控制网(精密水准网);重力基准主要包括国家重力系统、国家重力基准网和全国大地水准面。
测绘基准为国民经济建设、国防建设和社会可持续发展提供了不可缺少的、重要的测绘保障。
当前,为了满足建设信息化社会和“数字中国”的需要,更迫切要求着手建立我国现代化的测绘基准。
本文将叙述与测绘基准有关的国际大地测量的发展动向,我国测绘基准发展现状及存在的问题,最后论述建设我国现代测绘基准的国家、省(直辖市)和省辖市三级实施战略。
1国际大地测量发展动向
1.1卫星定位技术的新进展
1.1.1ITRF框架的不断更新和发展
国际地球参考框架InternationalTerrestrialReferenceFrame(ITRF)是由国际地球自转服务局(IERS)根据一定要求,建立地面观测台站进行空间大地测量,并根据协议地球参考系的定义,采用一组国际推荐的模型和常数系统,对观测数据进行处理,解算出各观测台站在某一历元的台站坐标及速度场。
由此建立的这个协议的地球参考框架,就是协议地球参考系的具体实现。
从1988年IERS建立了ITRF88起,到今年3月份建立最新的ITRF2000,共有10个ITRF结果,构成了一个连续的ITRF序列。
ITRF的建立是利用了甚长基线干涉测量VLBI、激光测距SLR、激光测月LLR、GPS和星载多普勒定轨定位系统DORIS等空间大地测量技术的观测结果。
在早期,仅有VLBI、SLR和LLR观测结果。
从1991年建立ITRF91时,即开始引入GPS观测成果;由于全球LLR的观测台站很少,该技术对建立ITRF的贡献不大,故从ITRF94开始,不再使用LLR观测资料;随着DORIS观测精度的提高,从ITRF96开始,增加了DORIS的观测资料。
IERS全球台站的数量也是不断增加的。
在建立ITRF88时,全球台站仅有96个,而到现在已有300多个台站。
但其分布状况还有待进一步改善(南北半球分布不均,各大板块分布不均,还有的分布在板块边缘)。
根据IUGG1991年的决议和IERS1996年决议,建议地球参考框架原点是“包括海洋和大气的地球质量中心”。
在1994年以前,主要利用SLR和LLR确定ITRF的原点。
从1994年开始,主要利用SLR和GPS来共同确定其原点。
在利用这些技术测定站坐标时,所用的历表或确定的卫星轨道均是参考于地球质心的,所以由此建立的坐标原点应是地球质心。
但是由于观测误差和数据处理中各种误差源的影响,实际建立的各个ITRF原点都不能严格位于地球质心。
因此,在各ITRF间进行比较和转换时,应包括坐标原点的平移参数。
根据定义,ITRF的尺度是引力相对论意义下局部地心框架的尺度,实用中则是由各个分析中心采用的时间系统、光速、地球引力常数GM以及在卫星动力学模型中进行的相对论改正来确定的。
自1995年开始,ITRF尺度由若干个合格的VLBI、SLR和GPS站解算尺度取加权平均加以确定。
由于各分析中心在建立各自的ITRF时,同时给出相应的地球定向参数EOP序列。
不同的ITRF有不同的EOP序列。
因此,它们的定向也各不相同,相互之间的这种差异可通过坐标系统中的三个旋转参数来得到统一。
为了维持ITRF的稳定,需解算各观测台站在该参考框架中的位移速度,建立一个相应的速度场。
ITRF早期的速度场采用的是根据热点数据建立的AM1-2和根据岩石圈无整体旋转约束导出的AM0-2板块绝对运动模型给出的估计值。
ITRF91和ITRF92的速度场采用实测速度与根据岩石圈无整体旋转约束条件和热点数据导出的NNR-NUVEL1模型估计值联合平差得到的估计值。
ITRF93的速度场与ITRF91和ITRF92大致相同,只是采用的板块运动模型为修正后的NNR-NUVEL1A模型。
ITRF94的速度场采用了由NNR-NUVEL1A模型约束的实测站速度。
自ITRF96开始,ITRF的速度场不再依赖于任何已有的板块运动模型,而是完全实测的,其精度和可靠性比以往有显著提高[3]。
表1IERS实现的国际地球参考框架ITRF序列演变
观测技术
参考
历元
速度场
板块运动
模型
台站
数目
ITRF88
VLBISLRLLR
88.0
AM0-2AM1-2
AM0-2AM1-2
96
ITRF89
VLBISLRLLR
88.0
AM0-2AM1-2
AM0-2AM1-2
105
ITRF90
VLBISLRLLR
88.0
AM0-2AM1-2
AM0-2AM1-2
124
ITRF91
VLBISLRLLRGPS
88.0
AM0-2NNR-NUVEL1
少量实测
AM0-2NNR-NUVEL1
130
ITRF92
VLBISLRLLRGPS
88.0
AM0-2NNR-NUVEL1
实测
AM0-2NNR-NUVEL1
152
ITRF93
VLBISLRLLRGPS
93.0
AM0-2NNR-NUVEL1A
实测
NNR-NUVEL1A
157
ITRF94
VLBISLRGPS
93.0
实测(NNR-NUVEL1A约束)
NNR-NUVEL1A
ITRF96
VLBISLRGPSDORIS
97.0
实测
214
ITRF97
VLBISLRGPSDORIS
97.0
实测
290
ITRF2000
VLBISLRGPSDORIS
97.0
实测
325
1.1.2国际GPS服务(IGS)的新进展
IGS是1993年由国际大地测量协会(IAG)建立的,自1994年1月1日开始工作。
从1999年1月1日起,IGS的名称从以往的“InternationalGPSServiceforGeodynamics”改为“InternationalGPSService”,这表明IGS服务的领域已不仅仅限于大地测量和地球动力学领域了。
IGS也是天文和地球物理资料分析服务联合会(FAGS)的成员,它在运行中与国际地球自转服务(IERS)保持密切合作。
至2000年,IGS有249个永久性GPS跟踪站,但分布还不够均匀,需进一步优化,特别是要在非洲、亚洲和海洋区域增加跟踪站数目。
IGS有3个全球数据中心:
美国马里兰州NASA哥达德宇航中心、法国巴黎国家地理院和美国加州圣迭戈的海洋研究所,此外还有一批地区性的数据中心。
全球数据中心每天都要进行数据采集、归档和分类,并在网上向用户提供IGS全球GPS跟踪网的观测数据和各分析中心产生的IGS产品。
IGS有7个分析中心:
1个在瑞士伯尔尼大学;1个在加拿大渥太华的加拿大自然资源中心(EMR);2个在德国:
达姆斯塔特的欧洲空间局(ESA)和波茨坦的GFZ;3个在美国:
加州的喷气动力实验室(JPL)、马里兰州的国家海洋和大气管理局(NOAA)以及加州圣迭戈的海洋研究所(SIO)。
分析中心接收并处理来自1个或多个数据中心的GPS观测资料,生产每天的IGS产品。
这些成果提供给全球数据中心、国际地球自转服务(IERS)和其他团体。
IGS还有7个工作组,它们是:
(1)参考框架加密组,其主要任务是维持并扩大由数百到数千个全球均匀分布的GPS跟踪站的位置和速度定义的参考框架;
(2)精密时间及时间传递组,它是由IGS和国际度量衡局BIPM共同建立的工作组;(3)地球低轨道计划(LEO)工作组,它为卫星重力测量及卫星气象等科学应用卫星提供近实时的星载GPS精密轨道、钟差及完备性信、(4)国际GLONASS导航服务工作组,将俄罗斯的GLONASS数据并入IGS中,完成定轨和站位置计算,并将结果提供给GLONASS用户;(5)对流层工作组:
以地基GPS监测全球和区域的水气分布,进行全球气象研究和气象预报;(6)电离层工作组,利用层析技术和模型监测全球电离层电子浓度和离子流分布,提供电离层产生的群延迟,研制电离层梯度图;(7)海平面监测工作组,通过在验潮站上进行GPS观测监测海平面变化,并对T/P、JASON等卫星测高计进行校准。
表22000年各种IGS产品的适时性及其精度
产品的名称
产品的类型
产品的适时性
精度
星历
预报
快速
最终
实时
17小时后
10天后
20cm
10cm
5cm
星钟
预报
快速
最终
实时
17小时后
10天后
30ns
0.5ns
0.3ns
跟踪站坐标和速度
每周综合解
2-4周后
3-5mm
3mm/a
极位置
(XpYp)
快速
最终
17小时后
10天后
0.2m(")s
0.1m(")s
极运动速度
(
)
快速
最终
17小时后
10天后
0.4m(")s/d
0.2m(")s/d
UT1-UTC
快速
最终
17小时后
10-12天后
100µs
50µs
日长
快速
最终
1-2天后
10-12天后
60µs/d
30µs/d
对流层天顶路径延迟
最终
4周内
4mm
电离层电子
总含量梯度
最终
4周内
2个电子总含量单位
IGS由16人组成的管理委员会(GoverningBoard)及其执行机构——中心局(CentralBureau)负责管理。
前者讨论并通过有关IGS的各项决议,制定政策,对IGS各个机构及其功能进行监督;后者则根据前者的决议和政策规定,对IGS进行全面管理。
IGS的产品主要包括:
(1)高精度GPS卫星星历;
(2)地球定向参数;(3)IGS跟踪站的坐标和速度;(4)每个IGS跟踪站每天或每小时的相位和伪距观测值;(5)GPS卫星和跟踪站钟差信息;(6)电离层信息;(7)对流层信息。
IGS产品分为最终产品、快速产品和预报产品3类,每类产品的适时性和精度都不同,详见下表[2]。
这些成果的精度足以满足下列地球科学研究:
(1)实现ITRF的改进;
(2)监测固体地球的形变;(3)监测地球自转;(4)监测水圈的各种变化(海平面、冰层等);(5)科学卫星的轨道确定;(6)电离层的监测;(7)气象学研究,最终用于天气预报[3]。
1.1.3卫星定位系统的更新和发展
(1)GPS系统自身的更新
美国为了充分利用GPS系统的商业价值,独霸全球的导航定位市场,近年来对GPS系统自身进行了一系列的更新。
首先,从2000年5月2日起,美国停止实施“SA”政策,从而将GPS实时定位精度从100m提高到20~30m。
计划在2003年前,将在GPS卫星发射的L2频率加载C/A码(目前仅有P码)。
在2005年前,在GPS新型工作卫星Block
F上,将增设第三频率1176.45MHz。
将加大频带宽度,降低噪声,减少多路径干扰;大大减弱电离层效应影响,有利相位观测中整周模糊度的精确快速解算,提高动态和静态定位精度。
从1997年起,即开始发射新型工作卫星Block
R,以进一步增强GPS卫星的自身功能。
从目前资料可知,Block
R卫星有以下特点:
能够作GPS卫星之间的距离测量;能够在轨自主更新和精化GPS卫星的广播星历和星钟A系数;能够进行GPS卫星之间的在轨数据通讯;无需地面监控系统的干预,即能自主运行180天,作导航定位服务,而且在第180天时,用户测距精度仍可达到7.4m。
随后发射的更新一代卫星Block
F,其卫星信号功率更强,抗干扰能力更好,不仅增加发射第三频率,而且具有更多功能[8]。
最近披露的GPS-
计划除了继承GPS更新计划以外,重点是放弃现有24颗中高轨道(MEO)卫星星座方案,采用全新的33颗HEO+GEO卫星的星座(HEO为高椭圆倾角轨道,GEO为在赤道上空的静止卫星)。
卫星上将采用精度为20ns的新原子钟,取代目前80ns的原子钟;并提高空间信号的完善性,要求对星上故障或信号超差在60s内发出通知(目前需30min以上);采用新的M码以增强保密和防干扰功能;还将提高功率并采用点波束发射。
计划从2001年进行3年的研究,然后选定方案并进行卫星设计和制造,2009年将首次发射卫星,预计2015~2020年完全运行。
GPS-
计划将对军用平台提供25年的卫星导航服务。
(2)GLONASS系统更新计划
GLONASS目前还剩下不足10颗在轨工作卫星。
俄罗斯计划在2001年要以12~15颗卫星继续维持星座运行,到2004年将发射增加第二民用频率、设计寿命为7年的第二代GLONASS-M卫星,还计划研制第三代全新的、设计寿命为10年的GLONASS-K卫星,从而对GLONASS星座进行升级更新。
但俄罗斯能否有足够的财力实现这些计划,还有待观察。
(3)星基的GPS增强系统SBAS
为了增强现有的GPS和GLONASS系统的导航性能,美国联邦航空局(FAA)、欧洲和日本分别提出了三种星基的增强系统:
WAAS、EGNOS和MSAS系统。
这三种SBAS系统的功能大致相同,其特点是:
第一,通过地球静止卫星(GEO)发布包括GPS卫星星历误差改正、卫星钟差改正和电离层改正的信息;第二,通过GEO卫星发播GPS和GEO卫星的完好性数据;第三,GEO卫星的导航载荷发射GPSL1测距信号。
但是上述三种SBAS系统与计划采用作为增强的GEO卫星不同。
SBAS除空间部分(GEO)外,还包括复杂的地面系统(参考站、主站、地球站)和用户接收机。
这三个系统正在加紧建设中。
WAAS和EGNOS计划在2002年全面运行。
MSAS将于2005年全面运行。
它们的目标都是满足民航飞机从起飞、航路、终端区,非精密进近,一直到
类精密进近的要求。
它们建成后,将形成一个全球无缝导航系统,使用一种GPS导航设备,飞机即可飞遍全球[8]。
(4)伽利略(Callileo)导航系统
欧洲从2000年起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(Callileo)的导航卫星系统。
伽利略计划是由欧盟提出的,由民用部门控制的卫星导航系统,这是继EGNOS之后欧洲朝着发展自己的卫星导航技术方向迈出的重要一步。
伽利略系统是一个开放式系统,能够与GPS系统兼容,建成后,将与新一代GPS系统一起构成未来的全球无缝的导航卫星系统(GNSS),并向全球用户提供卫星导航信号。
伽利略系统将由30颗MEO卫星组成全球星座,其卫星轨道高度为23200km,倾角为56o,30颗卫星分布在3个平面内。
定轨依靠分布全球的约6个站的多普勒和伪距测量,轨道精度径向为1m,横向和法向量为3.3m。
卫星的同步测量由5到10个地面站进行,每站配置铯原子钟,它用导航信号的伪距测量确定时间同步。
同步精度在沿可视范围内为3.5ns。
导航信号类似GPS的C/A码,由L1和L2频率发射,发射功率为25~30w。
系统设计提供“自主”和“差分”两种定位方式。
其中差分定位方式,在欧洲95%的精度将优于5m(水平方向)和10m(垂直方向),在非洲则分别为5m(水平方向)和17m(垂直方向)。
计划在2003年发射工程试验卫星,到2008年将建成全系统,并投入使用。
与GPS不同,伽利略系统是多国民建、民控、民用,采取无条件免费服务,但对导航接收机及其组合产品要征收销售税,并对某些事关生命安全和有保障的高质量导航信号服务采取有偿服务。
它不受军事要求上的限制,适合民用。
目前该计划遇到经费困难和美国的压力,能否按计划建成,尚难预料[9]。
1.1.4GPS连续运行站网和综合服务系统的发展
在全球地基GPS连续运行站的基础上组成的IGS是GPS连续运行站网和综合服务系统的一个范例。
除了这种全球的连续运行站网和综合服务系统以外,近年来许多国家也建立了在本国范围内的GPS连续运行站网和综合服务系统,这已成为一种新的趋势,值得我们注意。
美国已布设了GPS连续运行参考站网系统(CORS),并由美国大地测量局(NGS)负责。
它除了NGS的GPS跟踪站以外,还包括了美国海岸警备队(USCG)的差分网、美国联邦航空局(FAA)的WAAS网、美国工程兵团(USACE)的跟踪站。
该系统当前的目标是:
(1)使全部美国领域内的用户能更方便地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。
1998年12月,CORS有148个站。
美国NGS宣布,为了强化CORS系统,以每个月增加3个站的速度来改善该系统的空间覆盖率。
至今已发展到224个连续运行站,平均站间距离为100~200km(个别到400km),覆盖全美(包括阿拉斯加),构成新一代动态国家大地参考系统。
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,如互联网很容易下载而得到。
用户用一台GPS接收机在美国任一位置观测,然后通过下载的数据,即可进行事后精密定位。
美国正在研究在CORS系统中影响用户定位精度的各种因素,如用户站和CORS站的间距,用户观测GPS的时间长短,以及广域差分和实时动态精密定位技术及相应的软件。
将来可以实现GPS广域差分和广域RTK技术的集成,使以往大地测量和工程测量中的精密定位,和广泛应用于交通、航空等领域的导航,完全有机地统一成为一个综合系统。
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,但结合英国本土的情况,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。
英国的COGRS由测绘局、环保局、气象局、农业部、海洋实验室共同负责。
目前已有近30个GPS连续运行站。
今后的打算是扩建COGRS系统,并建立一个中心,其主要任务是传输、提供、归档、处理和分析GPS各站数据。
德国已建立了全国范围内的GPS连续运行跟踪网(SAPOS),现由100多个永久GPS跟踪站组成,最终将由200个左右的永久性GPS跟踪站组成,平均站间距离为40km,从而构成德国国家动态大地测量框架。
SAPOS将提供4个不同层次的服务:
(1)实时DGPS(精度为1~3m);
(2)实时高精度DGPS(精度为1~5cm);(3)准实时定位(精度为1cm);(4)高精度事后处理的大地定位(精度优于1cm)。
后者主要用于地球动力学、精密工程和作为动态坐标框架服务。
日本国家地理院计划在全国建立拥有近1200个GPS连续运行站网的综合服务系统—COSMOS。
这一系统构成了一个格网式的GPS永久站阵列,是日本的重要基础设施,其主要任务是建成超高精度的地壳运动监测网络系统和全国范围内现代电子大地控制网点。
该系统向用户提供GPS数据,以进行各种类型(静态、动态、实时高精度和导航)定位服务,目的是完全取代传统的(包括GPS静态网)控制测量模式。
其应用除了地震监测和预报、大地测量、工程测量及导航服务以外,还用于气象监测和天气预报。
加拿大大地测量局将其建成的永久性GPS卫星跟踪站构成了一个主动控制网(CACS),作为加拿大大地测量的动态参考框架。
其目的同样是通过因特网提供网站地心坐标和相应的GPS卫星跟踪站观测数据,供测量、地球物理和其他用户采用。
GPS单机即可进行事后精密定位。
该系统还提供精密星历、卫星钟差、电离层模型等广域差分修正,其实时定位精度从1m到10m,是可变的,取决于用户采用的GPS接收机的抗干扰性和抗多路径效应的性能,事后处理精度可优于3cm。
瑞士已建成GPS永久跟踪网AGNES,现由9个站组成,将来根据实时动态测量(RTK)应用的需要,对跟踪网将进一步加密。
建立AGNES的目的是作为国家测量和工程测量及差分导航应用的基准,并为研究地球动力学和大气提供科学数据[1]。
1.1.5GPS加密网及高程基准
尽管GPS连续运行参考站网系统中GPS连续运行站(即永久跟踪站)的数量在不断增加,但是对于一些幅员较广的国家如俄罗斯、加拿大、澳大利亚、美国等,GPS连续站的密度仍然不够,站间距离仍然太大。
例如俄罗斯有14个GPS永久站,加拿大有19个GPS永久站,澳大利亚有15个永久站,美国虽然已有224个站,但仍需要在永久站间布设GPS加密网。
尽管这种静态GPS网并不具备前述“现代、动态电子大地控制网”的先进性和超前性,而是更多地保留了传统大地控制网的特点,但它对于满足社会对控制测量的需要,在一段时间内还是必要的。
(1)俄罗斯:
俄罗斯至2000年共有14个GPS永久跟踪站(IGS站),这与其辽阔的国土面积相比,其密度是远远不够的。
迄今为止,俄罗斯国土上的平面与高程系统仍按照国家大地网(SGN)和国家水准网布设。
SGN包括16.4万个天文大地点,30万个三、四等补充网点,20个空间大地网站以及136个多普勒大地网站。
该网在1995-1996年进行了联合平差,平差后分别建立了大地坐标参考系SK95和地心坐标系PZ90并求出两者之间的转换参数。
两者精度大致相同。
其中SK-95的测站坐标精度为:
当相邻点间距为10~15km时,精度为2~4cm;距离为100~200km时,精度为10~20cm;距离超过1000km时,精度为0.5~0.8m[4]。
目前俄罗斯正在布测主要基于空间大地测量技术的基准天文大地网(FAGN),其目标是提供精度为5cm的绝对地心位置和水平精度为1cm、高程精度为2cm的相对位置,而精确的似大地水准面则利用GPS/GLONASS水准及重力资料来解决。
(2)澳大利亚:
澳大利亚有15个永久性GPS跟踪站,它们构成澳大利亚区域GPS网(ARGN)。
该网覆盖了澳洲大陆、海外部分以及南极部分地区。
其中位于澳洲大陆部分称之为澳大利亚基准网(AFN)。
AFN网在历元为1994.0的ITRF92框架中的位置即定义为澳大利亚地心基准GDA94。
1996年,澳大利亚利用GPS技术建立了包括78个站的澳大利亚国家网(ANN),该网即为澳大利亚零级GPS网。
除西澳大利亚以外,澳大利亚各州和地区一级还建立了230个GPS网站,相邻点距约100km,精度为10-6。
1997年澳大利亚将AFN、ANN、各州和地区的GPS点以及传统大地网中大地点总共约8000个点进行了联合平差,平差时AFN和ANN点位置保持不变
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