空间大地测量的应用论文

空间大地测量的应用摘 要 通过学习空间大地测量学的课程，结合空间大地各项技术的 最新成果与进展，系统介绍了目前空间大地测量的各项技术在各领域 的应用。关键字 空间大地测量；应用；大地测量技术分类号近年来，随着VLBI技术和卫星导航技术 的飞速发展，大地测量学经历了一场划时代 的革命性的变革，克服了传统的经典大地测 量学的时空局限，进入了以空间大地测量为 主的现代大地测量的新阶段。空间大地测量 所求得的点位精度、地球定向参数(极移、 日长变化等)的精度、地球重力场模型的精 度和分辨率比以前都有了极大的提高。空间 大地测量已经成为建立和维持地球参考框 架、测定地球定向参数、研究地壳形变与各 种地球动力学现象、监测地质灾害的主要手 段之一，并渗透到人类的生产、生活、科研 和各种经济活动中，从而使大地测量处于地 球科学多种分支学科的交汇边缘，成为推动 地球科学发展的前沿学科之一，加强了大地 测量学在地球科学中的战略地位。利用自然天体或人造天体的来精确测定 点的位置，确定地球的形状、大小、外部重 力场，以及它们随时间的变化状况的一整套 理论和方法称为空间大地测量学。随着空间 大地测量成为实现大地测量学科各类目标的 主要技术手段, 正主导着学科未来的发展方 向和科学地位, 目前正向更高的水平发展。 空间大地测量技术除了卫星重力探测技术 (卫星测高、卫星跟踪卫星和卫星重力梯度测 量)以外，主要包括全球定位系统(G P S)、 甚长基线干涉测量(VLB I)和激光测距(L R ) (包括卫星激光测距(S L R )和激光测月技术 (L L R ) )。(一) 空间大地测量在卫星重力探测技术 方面的应用 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。人类认识地球重力 场的水平不仅取决于在全球范围内测定重力 和探测重力场信息的技术发展水平， 而且还 取决于确定地球重力场的理论发展水平。目 前进行重力探测的方法主要有地面重力测 量、卫星重力测量和航空重力测量。地面重力测量仍然是获取高精度、高分 辨率重力数据的手段之一。主要是采用各种 先进的重力仪来测量重力场。在地球物理、 地质勘探、大地水准面的确定及海平面的变 化等方向提供着重力场变化的支持。另外， 地面重力测量的另一主要应用领域是监测地 球动力学现象,包括潮汐（固体潮、海潮和负 荷潮）、环境变化（如地下水的季节性变化） 及地震和火山等引起的重力场效应。重力探测技术的重要进展是开创了卫星 重力探测时代, 包括观测卫星轨道摄动以确 定低阶重力场模型, 利用卫星海洋测高直接 确定海洋大地水准面以及GPS结合水准测量 直接测定大陆大地水准面。这一重力探测技 术的突破, 其重大意义在于提供了一种可全 球覆盖重复采集重力场信息的高效率技术手 段。主要应用在测定地球自转参数、维持TTRF 系统、监测全球和局部或区域板块运动；应 用卫星测高数据确定高分辨率海洋重力异 常、海洋大地水准面及海面地形；建立数字 地形模型, 从而改善全球和局部或区域数字 地形模型的质量；海洋重力异常数据的地球 物理解释及时变海面高的海洋动力环境解释 随着新一代卫星测高数据精度的提高, 卫星 测高技术的应用将更加广泛。另外，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, 从原理上一般可分为航空重力标量测 量、航空重力矢量测量和航空重力梯度测量。 近几年来，GPS、INS及高灵敏度、高稳定度 梯度仪的发展及应用, 使航空重力测量的研 究取得了突破性进展。（二）空间大地测量中全球定位系统（GPS）技术的应用GPS 是英文 Global Posi tion ing Sys tem （全球定位系统）的简称。GPS最初是指20 世纪70年代由美国陆海空三军联合研制的新 一代空间卫星导航定位系统 。其主要目的是 为陆、海、空三大领域提供实时、全天候和 全球性的导航服务，并用于情报收集、核爆 监测和应急通讯等一些军事目的。而如今， 各国、各组织都在发展建设自己的卫星导航 定位系统，如美国的GPS、俄罗斯的 GLONASS、欧盟的Galile o系统、中国的 Compass（北斗）。随着GP S的改进和完善，特别是新一 代GPS卫星的发射，全球定位系统将具有更多 的功能和更广泛的应用领域，导致GPS理 论、技术及应用开发的研究非常活跃，这一 领域的主要研究成果和进展包括：地基GPS 站网的应用更加广泛这主要包括测定地球自 转参数、维持TTRF系统、监测全球和局部或 区域板块运动、结合验潮站数据监测绝对海 平而变化、测定大气可降水份以研究全球气 候的变化和改善中短期大气顶报模型、用于 守时和定时、监测地震和火山等自然灾害以 及统一高程基准等。空基和星基GPS技术 进人实用化阶段，G P S气象学的研究已 成为G P S应用研究的热点之一。根据G P S 接收机的位置,G P S遥感大气水汽含量可分 为地基和空基两种技术，地基G PS遥感技 术能以较高的平面分辨率测定大气中可降水 份，目前其精度可达到lm m 2 m m空基G PS 用掩星法可提供电离层离子浓度和大气 中可降水份的连续水平截面信息, 结合地基 G PS 的垂直截面信息, 可生成三维层析成 像资料。气象资料可用于研究全球气候变化 和改善天气预报模型。GP S测高将成为G PS应用研究的新方F1J。低轨卫星（或空间载 体）携带的G PS接收机设置了两个天线，一 个用于天线平台的定位, 另一个用于接收从 洋面或冰面上反射回来的G P S信号，以确 定接收机至洋面或冰面的高度。在此，要特别介绍一下中国的北斗系统。 北斗卫星导航系统是中国自行研制开发的区 域性有源三维卫星定位与通信系统（CNSS）， 北斗卫星导航系统致力于向全球用户提供高 质量的定位、导航和授时服务，其建设与发 展则遵循开放性、自主性、兼容性、渐进性 这4项原则。时至今日，共有9颗卫星被送到 轨道运行，建成了北斗系统的第一阶段。最 后，北斗卫星导航系统空间段将由 5颗静止 轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成，将 在各个领域为中国科技的发展带来更过 支持。（三）空间大地测量中V L BI技术的应用甚长基线干涉测量（very long baseline interferometry,VLBI），是利用电磁波干涉 测量在多个测站上同步接收河外射电源（类 星体）发射的无线电信号进行测站间时间延 迟干涉处理以测定测站间相对位置以及从测 站到射电源的方向的技术与方法。最近10 年 来,VLBI观测结果的可靠性和重要性得到了 愈来愈广泛的承认。该技术在大地测量和天 体测量中，主要用于建立和维持天体参考系 和地球参考系；监测地球自转变化和极移； 监测全球板块运动和区域性地壳形变；并为 其他大地测量技术提供高精度标准。目前， 该技术被认为是全球尺度相对定位、确定日 长、极移以及连接天体参考框架最精密可靠 的技术手段。在我国，VLBI技术也得到的广泛应 用。中国的VLBI网目前由北京、上海、 昆明和乌鲁木齐的四个望远镜以及位于 上海的天文台的数据处理中心组成。这样 一个网所构成的望远镜分辨率相当于口 径为3000多公里的巨大的综合望远镜， 测角精度可以达到百分之几角秒，甚至更 高。VLBI测轨分系统的具体任务是获得 卫星的VLBI测量数据，包括时延、延迟率 和卫星的角位置，并参与轨道的确定和预 报。具体的任务，比如说完成卫星在 24小 时、48小时周期的调相轨道段的测轨任 务。完成卫星在地月转移轨道段、月球捕 获轨道段以及环月轨道段的测轨任务。并 且还要参加调相轨道、地月转移轨道、月 球捕获轨道段的准实时轨道的确定和预 报。而更为大家所熟知的嫦娥一号卫星的精 密测、定轨任务，就是VLBI作为分系统 参与到绕月探测工程首次飞行任务中测控系 统的一个分系统，共同保证了嫦娥一号的成 功发射。（四）空间大地测量中激光测距（LR）技术 的应用激光测距是目前精度最高的绝对（地心） 定位技术, 仍然具有很大的发展潜力。它对 大地测量的主要贡献在于:建立全球地心参 考系, 精确测定地球自转参数及其潮汐与非 潮汐变化, 测定地球质心运动和地球平均引 力场（包括地心引力常数G M ）,监测地球重 力场的长波时变量以及测高卫星的轨道确定 和校准等其中，又细分为激光测月（ LLR） 和激光 测卫（SLR）技术。激光侧月（LLR）是由地面 激光测距站向安置在月球上反射镜阵列发射 激光脉冲, 以该脉冲往返时间来测量地面站 至月球的距离。激光测卫（SLR）的原理是: 由地面激光测距站向载有反射镜的卫星发射 激光脉冲, 由取样，电路截取其极小部分能 量作为基准信号, 送至测时装置; 激光脉冲 的大部分由光学系统发射至卫星 , 由接收, 经放大和整形后送至测时装置, 与基准信号 比较, 便得到脉冲往返地面站与卫星之间经 历的时间,换算为距离。结语现在的空间大地测量技术，除了卫星重 力探测技术（卫星测高、卫星跟踪卫星和卫星 重力梯度测量）以外,主要包括全球定位系统 （G P S）、甚长基线干涉测量（VLB I）和激 光测距（L R ）（包括卫星激光测距（S L R ） 和激光测月技术（L L R ）。尤其随着VLBI 技术与GPS系统在空间大地测量领域的广泛 应用，大地测量正在朝着方法更加优化，精 度更高的方向发展。空间大地测量在地球定向参数（极移、 日长变化等）的测定、地球重力场模型的建 立、建立和维持地球参考框架、研究地壳形 变与各种地球动力学现象、监测地质灾害等 各个方面越来越成为不可替代的技术手段。 同时，在海洋探索方面，空间大地测量的相 关技术同样在测定地球自转参数及其潮汐与 非潮汐变化海洋重力异常、确定海洋大地水 准面及海面地形等方面发挥着越来越重要的 作用。可以说为地球科学的发展奠定了相当 坚实的基础。反观中国在空间大地测量方面的发展， 是在令人自豪。如我国独立研制的北斗卫星 导航系统将在建成之后，为我们的大地测量 的发展贡献更多力量。中国的VLB I技术的发 展也是突飞猛进，现已在各个领域得到广泛 应用，如大地坐标系的维护、精密定位定轨 等。相信中国在地球科学方面的发展必定日 新月异，创造出更多成绩。参考文献1 陈俊勇.空间大地测量的进展J.测绘通报，1999（10）:1-72 陈俊勇.空间大地测量技术对确定地面坐标框架、地形变与地球重力场的贡 献和进展J.地球科学进展，2005(10):7-93 岳迎春，陈春明，赵雪莲.空间大地测量新技术及应用J.地理空间信息， 2007(10):23-264 刘经南，罗志才，李建成从第22届IUGG大会看现代大地测量的进展J.武 汉测绘科技大学学报，2000(1):12-145 利用空间大地测量技术研究地球动力学最新进展J. 山东科技大学学报， 2002(3):13-16