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综述 | 中国大年夜地测量研究进展(2019—2023)_基准_模子

落叶飘零 2025-01-05 09:44:20 0

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本文内容来源于《测绘学报》2023年第9期

中国大地丈量研究进展(2019—2023)
党亚民1, 蒋涛1, 杨元喜2,3, 孙和平4,5, 姜卫平6, 朱建军7, 薛树强1, 张小红8, 蔚保国9, 罗志才10, 李星星8, 肖云2,3, 章传银1, 张宝成4, 李子申11, 冯伟12, 任夏2,3, 王虎1
1. 中国测绘科学研究院, 北京 100036;2. 地理信息工程国家重点实验室, 陕西 西安 710054;3. 西安测绘研究所, 陕西 西安 710054;4. 中国科学院精密丈量科学与技能创新研究院, 湖北 武汉 430071;5. 中国科学院大学, 北京 100049;6. 武汉大学卫星导航定位技能研究中央, 湖北 武汉 430079;7. 中南大学地球科学与信息物理学院, 湖南 长沙 410083;8. 武汉大学测绘学院, 湖北 武汉 430079;9. 中国电子科技集团公司第五十四研究所卫星导航系统与装备科技国家重点实验室, 河北 石家庄 050081;10. 华中科技大学物理学院, 湖北 武汉 430074;11. 中国科学院空天信息创新研究院, 北京 100094;12. 中山大学测绘科学与技能学院, 广东 珠海 519082
择要：2023年7月11日至2023年7月20日, 第28届国际大地丈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, 国际大地丈量协会中国委员会(CNC-IAG)组织海内十余家单位编写了“中国大地丈量国家报告(2019—2023)”, 分别总结了2019至2023年4年期间的中国大地丈量各分支学科研究进展。
本文紧张归纳和总结了中国大地丈量学科近几年的整体进展, 侧重各领域代表性研究进展, 紧张内容包括基准框架、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丈量6个研究方向。
此外, 结合国际大地丈量及干系交叉学科的发展趋势, 对我国大地丈量学科未来发展提出了几点建议。
关键词：IUGG 基准框架 PNT 重力场 垂直基准 导航定位 海洋大地丈量
引文格式：党亚民, 蒋涛, 杨元喜, 等. 中国大地丈量研究进展(2019—2023)[J]. 测绘学报，2023，52(9)：1419-1436. DOI: 10.11947/j.AGCS.2023.20230343
DANG Yamin, JIANG Tao, YANG Yuanxi, et al. Research progress of geodesy in China (2019—2023)[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica, 2023, 52(9): 1419-1436. DOI: 10.11947/j.AGCS.2023.20230343
阅读全文：http://xb.chinasmp.com/article/2023/1001-1595/20230901.htm
引 言
2019至2023年期间，中国大地丈量事情者紧盯国家经济发展和国防培植发展需求，顺利完成了多项有影响力的重大工程和研究事情。
北斗卫星导航系统于2021年7月31号正式向环球用户供应定位导航定时(PNT)做事和国际搜救做事，向海内用户供应星基精密单点定位(PPP-B2b)做事和星基导航增强做事[1-2]；千辛万苦，综合利用多种大地丈量技能，于2020年12月完成了2020珠峰高程丈量[3]；打破系列卫星平台和载荷关键技能，于2021年成功发射了我国第一组低-低跟踪重力丈量卫星[4]；于2023年3月成功发射了我国第一组低-低伴飞海洋测高卫星[5]；初步实现了我国海底大地丈量基准试验网培植，研制了成套海底信标装备，打破了海洋大地丈量基准培植系列关键技能[6-8]；毫米级大地丈量坐标基准培植的关键技能攻关取得主要进展[9-11]；为了实现从深空到深海的无缝PNT做事，近两年，我国综合PNT论证取得本色性进展，弹性PNT已经从理论框架逐渐走向了弹性终端研制、弹性不雅观测模型构建和弹性随机模型优化研究等，并取得系列研究成果[12-15]；室内定位导航、繁芜环境的定位导航取得丰富的研究成果[16-17]；地球重力场、垂直基准、非线性地球参考框架培植干系理论、大地丈量数据处理理论与方法等也取得了有影响力的学术产出[18-24]；智能化大地丈量数据处理也进行了初步考试测验[25-26]。
本文重点梳理了近4年我国大地丈量的紧张造诣，同时也为中国大地丈量未来发展重点提出了建议。
1 非线性地球参考框架构建与坚持
高精度地球参考框架(地球基准框架)作为大地丈量的空间基准，是国家主要的根本举动步伐。
但由于受到与地球物理征象有关的非线性成分的影响，ITRF框架的整体坚持精度仍处于厘米级水平。
因此，精准刻画出基准站的线性运动、非线性运动和地心运动的真实轨迹是实现毫米级地球参考框架构建与坚持技能的关键。
须要指出的是，我国北斗环球卫星导航系统，以及系列甚长基线干涉丈量系统和卫星激光丈量站的培植，使得建立我国自主可控、高精度的环球/中国区域地球参考框架成为可能。
我国区域框架升级至环球化的“新超过”，将会进一步夯实国家综合PNT体系顶层基准的地基。
1.1 地球参考框架动态坚持
研究建立1毫米精度的大地丈量坐标基准框架是当前国际大地丈量学界的主要寻衅，也是我国区域坐标框架培植的目标[9]。
毫米级基准框架的实现须要对应的毫米级的动态坚持技能。
目前，中国学者在框架坚持技能方面侧重研究了基于线性速率的线性坚持技能、综合考虑基准站非线性运动和地心运动的非线性坚持技能等[10, 18]。
通过对环球导航卫星系统(GNSS)测站坐标非线性变革规律及其分布与影响机制研究，表明环境负荷和热膨胀效应是造成基准站的年周期幅度变革的主要缘故原由，周年性系统偏差、高阶电离层延迟和噪声模型也会产生一定的影响[27-28]。
当然，毫米级动态基准框架的坚持还有系列科学和技能问题须要办理，如GNSS处理模型的进一步精化、地球物理影响机制和基准站坐标韶光序列非线性运动模型精度的耦合效应探索、历元基准框架的精度与稳定性提升技能等[3]。
1.2 区域基准框架坚持与垂直形变
高精度区域坐标基准框架是国家经济培植和大型工程培植的根本。
目前，我国北斗环球卫星导航系统在构建高精度区域基准框架中与美国环球定位系统(GPS)保持同一水平，领悟北斗数据坚持区域基准框架，可提升区域基准框架可靠性，进一步促进了GNSS技能在区域基准框架和数据做事的动态监测和掩护中的浸染，改进了区域参考系掩护的理论和方法[29]。
基于GNSS数据研究了珠峰区域块体模型和三维地壳形变特色[30-31]，结果表明该区域地壳垂直形变由南至北跨喜马拉雅山脉呈明显阶梯型分布特色；2015年尼泊尔震后印度板块与欧亚板块存在加速汇聚趋势，从而导致地壳隆升速率增大。
1.3 CGCS2000坐标框架的更新与坚持
2000国家大地坐标系(CGCS2000)及其坐标基准框架的更新、坚持与运用是大地丈量事情者永恒的课题之一，我国学者在中国大陆水平运动速率场模型、板块欧拉矢量运动模型、坐标转换格网模型构建与运用方面取得系列成果[32-33]，为中国动态大地坐标框架最优实现供应了理论与算法支撑；将监督聚类统计理论运用于基准站的优选，同时提出了大规模站网的间距分区法，并用板块运动改正实现CGCS2000参考历元的坐标归算。
在CGCS2000坐标系毫米级精度坚持理论中，有学者提出顾及板块运动的坐标框架更新方法，首先将站点坐标对准ITRF，并考虑到板块的移动，将这些坐标改动到CGCS2000框架坐标中；此外，有多位学者利用剖析中央供应的无约束平差法方程组合来估计区域掌握站精确坐标[34]。
1.4 中国大陆长期GNSS不雅观测数据重新处理
丰富的GNSS数据源和顾及大地震同震/震后影响改正的严密数据处理，是担保中国大陆地壳运动速率场精度和可靠性的根本性要素。
为此，中国学者基于更新的Repro3算法模型对GNSS数据进行了统一重处理，以获取更为“干净、可靠”的GNSS坐标韶光序列，并结合中国大陆大地震历史记录，顾及繁芜非线性成分(速率、阶跃、周期、同震/震后形变)影响，重新解算了GNSS时序模型，并获取高精度中国大陆GNSS水平速率场[35]；有学者总结了大规模GNSS网数据一体化处理优化原则与质量评估量划[36]，提出了基于改进周期图谱法和整体最小二乘理论的非均匀GNSS坐标韶光序列剖析方法，考虑了不雅观测偏差、系数阵偏差和虚假谱峰的影响[37]，提升了GNSS速率场估计精度；针对非线性震后形变模型，采取附加约束非线性方案自动估计最优地震弛豫韶光，提高了时序模型的整体精度[38]；此外，有学者提出了一种基于谱剖析和假设考验的韶光序列精化模型，可以对基站运动轨迹模型的精确性和各解算参数的显著性进行考验评估[39]。
1.5 中国大陆现今GNSS速率场模型与形变
在风雅化构建中国大陆格网速率场模型过程中，提出了局部无缝Delaunay三角网反间隔加权法，该模型不仅考虑了站点间隔和方位信息，还能刻画出更为风雅的局部特色，同时战胜了边缘地区整体三角网跨度过大以及块体边缘三角网不连续的缺陷[40]；为提高中国大陆区域水平速率场的精度，并风雅地刻画其自身的局部运动特色，构建了基于欧拉矢量模型的中国大陆省级块体相对运动模型和部分省内子块体相对运动模型，并利用非监督聚类算法对地壳运动繁芜区域的水平速率场进行子块体划分[41]。
基于插值得到中国大陆均匀水平格网速率场，剖析了中国大陆平面的应变特色，探索了中国大陆地壳变形的分布特色及其与强震的强干系关系[35]；利用改进的K-Means++ 聚类剖析方法将中国大陆划分为7个块体，结果表明与现有的地块划分成果符合度较高，具有较强的可靠性与可信度[35]。
1.6 北斗地心基准框架的初步实现与评估
当前国际和区域坐标基准框架紧张以GPS不雅观测技能实现，将北斗系统融入区域大地坐标框架坚持是中国大地丈量事情的紧张任务之一。
目前，已有学者利用环球MGEX站北斗不雅观测数据初步实现并评估了新一代利用BDS-3技能构建的环球地心基准框架(CTRF2020)，其参考历元为2020年1月1日，紧张成果表现形式为一系列框架点与参考历元的高精度坐标和速率[42]。
CTRF2020的初步实现与评估，为未来实现以BDS-3技能为主、多空间大地丈量技能为辅的综合性地球参考框架坚持供应参考借鉴。
2 综合PNT与弹性PNT
以GNSS为代表的天基定位、导航和定时(PNT)技能极大地改变了PNT信息通报与做事办法，促进了环球、全天时、全天候的PNT基准统一。
然而，天基PNT存在落地旗子暗记弱、易被滋扰和遮蔽等问题，美、欧等天下强国(地区)开始重视其他PNT手段的发展，我国学者也动手研究更加合理的PNT运用和做事模式，以确保用户获取PNT信息的连续性、可靠性和安全性[12]。
2.1 综合PNT信息源体系培植
2016年，中国学者率先提出综合PNT观点，与美国2010年提出的PNT体系的核心差别是强调多物理事理构建的综合PNT体系，实现从深空到深海PNT做事的无缝覆盖。
早期的综合PNT是所有PNT信息源的大略集成，但并未对PNT信息源属性进行风雅划分。
经由不断的论证，中国学者将综合PNT体系分解成综合PNT根本举动步伐和综合PNT运用体系[12]。
个中，综合PNT根本举动步伐紧张指经由精心设计和培植的PNT信息源根本举动步伐；综合PNT运用体系则指基于各种PNT根本举动步伐信源和自然界信源的PNT集成运用体系，如综合利用脉冲星旗子暗记、重力感知、磁力感知、惯导、视觉、声学等PNT信源实现的PNT运用模式。
综合PNT根本举动步伐无疑是综合PNT体系培植的核心和根本，其培植应该在国家层面进行统筹和方案，确保资源合理方案和利用，并实现PNT信息源从深空到深海的无缝覆盖。
综合PNT根本举动步伐包括拉格朗日点导航星座、高轨卫星定位系统(GNSS)、低轨导航增强星座、地基长波无线电导航定位系统、地面可用的通信基站网、海面导航定位浮标网、海底声学导航信标网等。
目前我国已有远程长波导航台站6个，还将连续优化布局，升级改造，扩大覆盖范围；通信基站站网布设广泛，目前已有超过480万座通信基站和超过50万座5G基站，可作为地基PNT做事的主要增量，中国移动也发布了环球最大的“5G+北斗”高精度定位平台“One Point”，可以供应亚米级、厘米级乃至毫米级定位做事[43]；地基增强系统建成地面站全国一张网，可向广大用户供应实时米级、分米级、厘米级和事后毫米级高精度定位和增强做事；海底大地基准网培植和水下导航信标装备研制取得打破，研制了适应水下3000 m水深的“唤醒式”水下信标装置，并在南海海疆布设了海底PNT试验信标网，可以实现10 m精度的定位导航做事[6-7]。
2.2 弹性PNT运用模式
综合PNT根本举动步伐供应了多物理事理的PNT信息源，自然界还广泛存在天然PNT信息源。
为了合理利用PNT根本举动步伐信息源、天然PNT信息源和用户自感知PNT信息源(如惯性导航、光学和图像信息源)，实现用户PNT运用的最优化，中国学者提出了弹性PNT领悟运用思想。
该思想与国际上其他弹性授时观点、弹性定位导航观点的核心差别在于，中国学者提出的弹性PNT包括：PNT传感器弹性集成、各种PNT感知函数模型弹性优化、随机模型弹性调度和多源信息弹性领悟等多源PNT运用全过程的弹性化。
弹性PNT观点自2018年提出后，快速成为研究热点，学者们不仅对弹性PNT内涵进行了辨析[7, 44]，还针对不同运用处景，提出了多种弹性PNT模型，并考试测验将深度学习和神经网络等智能算法融入PNT数据处理[25]。
在水下PNT弹性运用方面，中国学者构建了附加周期偏差项和分段多项式相结合的弹性不雅观测模型以补偿水声不雅观测系统偏差影响[45-46]，构建了随机游走噪声以及抗差估计相结合的声学随机模型[46-47]；在城市PNT弹性运用方面，构建了不雅观测先验置信度与贝叶斯最大似然后验估计相结合的不雅观测权重动态更新模型[48]，提出了通过梯度提升与决策树相结合的惯导偏差补偿模型[49]。
在室内和地下等非暴露空间场景，Wi-Fi、蓝牙、UWB、伪卫星等无线电旗子暗记的弹性领悟以及惯导、重磁匹配等自主导航手段的弹性集成取得丰富的研究结果[16-17]。
3 地球重力场与垂直基准
近年来我国重力卫星任务成功履行，国产重力仪研发事情稳步推进，建立了多个超高阶重力场模型和纯卫星重力场模型，参与了国际大地丈量协会(IAG)科罗拉多大地水准面建模试验，首次在珠峰地区履行航空重力丈量并实现国际高程参考系统。
本节从重力丈量、静态和时变重力场、海洋重力场、大地水准面与垂直基准及重力场理论算法和软件等方面总结近年来地球重力场与垂直基准领域的研究进展。
3.1 重力丈量
我国建立了一个由80多个站点组成的连续不雅观测重力网络，重力仪器包括GWR超导重力仪、PET/gPhone、DZW、GS15和TRG-1等各种型重力仪，在地球动力学和地球内部布局研究方面发挥了主要浸染，特殊是我国超导重力不雅观测站，与环球40多个站点一起参与环球地球动力学国际互助项目，作出了主要贡献[50]。
中国科学院精密丈量科学与技能创新研究院研制的CHZII型海空重力仪和中国航天科技集团公司研制的SAG系列重力仪正在逐步走向成熟。
2018年，旭日红6号科考船搭载6个型号的海洋重力仪(CHZ-Ⅱ、SAG-2M、SGA-WZ、ZL11、俄罗斯GT-2M和美国LCR)在南海海疆开展比拟试验，试验结果表明，国产重力仪的精度靠近GT-2M重力仪，高于LCR重力仪[51]；中科院精测院、浙江工业大学、中国船舶重工集团有限公司分别开展了量子绝对重力仪的研发和试验，办理了冷原子绝对重力仪研制的部分关键问题[52-53]。
我国第一个卫星跟踪卫星模式的重力卫星系统于2021年底成功发射，该系统采取高-低和低-低卫卫跟踪稠浊丈量模式来获取环球重力场及其时变信息。
在轨测试结果显示，卫星系统事情状态正常，各项指标知足设计哀求，显著提升了我国卫星系统的研制水平和空间微重力丈量能力。
利用2022年4月1日至2022年8月30日期间的卫星数据反演了60阶次时变地球重力场模型，该模型可以很好地表征环球水文变革，与GRACE FO卫星结果的RMS差值仅为2 cm，可为大地丈量、地球物理、地震、水资源管理、冰川学、海洋学和国防安全等供应主要数据支撑[4]。
3.2 静态重力场和时变重力场
静态重力场建模方面，武汉大学基于椭球谐剖析和系数变换理论，综合GOCE重力卫星、卫星测高海洋重力非常和EGM2008模型陆地重力非常数据及卫星模型法方程构建了2190阶重力场模型SGG-UGM-2[19]。
中国测绘科学研究院采取基于椭球谐系数的块对角阵最小二乘方法，利用GOCO06S模型、环球地面重力非常和卫星测高海洋重力非常数据构建了2190阶重力场模型CASM-EGM2020，运用于环球地理信息资源培植工程。
武汉大学、同济大学、西南石油大学和广东工业大学分别利用GRACE和GOCE重力卫星数据建立了纯卫星重力场模型WHU-SWPU-GOGR2022S(300阶次)、Tongji-GMMG2021s (300阶次)、SWPU-GRACE2021S(180阶阶次)和GOSG02S(300阶次)。
时变重力场研究方面，华中科技大学基于动力法和短弧法稠浊处理策略[20]，利用GRACE L1B和AOD数据，构建了月重力场模型序列HUST-Grace2019和HUST-Grace2020。
同济大学利用优化的短弧法构建了GRACE月重力场模型序列Tongji-Grace2018，引入滤波后GRACE质量变革估计作为空间约束，构建了月重力场模型序列Tongji-RegGrace2019，运用时无须再进行滤波处理，与GRACE官方Mascon解精度相称[54]。
武汉大学分别基于动力法和改进能量积分法构建了月重力场模型序列WHU RL02和WHU-GRACE-GPD01[55]。
西南交通大学采取改进参数化策略解算了月重力场模型序列SWJTU-GRACE-RL02p[56]。
西南石油大学利用动力法解算得到展开至96阶的月重力场模型序列SWPU-GRACE2021[57]。
海洋重力场研究方面，中国学者验证了HY-2A/GM数据有助于提升海洋重力场反演精度，并联合多源卫星测高和海洋测深数据构建了环球海洋重力非常数据集GMGA1[58]、GMGA2[59]和NSOAS22[60]。
新一代宽刈幅干涉测高卫星SWOT能够以高精度和高分辨率进行大范围的海面高度丈量，SWOT单周期和多周期数据仿照结果表明，重力场反演精度和分辨率优于传统测高卫星组合[61-62]。
利用SARAL/Altika等多源卫星数据建立了南中国海1′×1′海洋重力非常模型SCSGA V1.0[63]。
利用多源卫星测高数据解算得到环球重力非常Grav_Alti_WHU，联合船测水深数据构建了环球海底地形模型BAT_WHU2020[64]。
3.3 大地水准面与垂直基准
中国测绘科学研究院参与国际大地丈量协会(IAG)科罗拉多大地水准面建模试验，利用谱组合方法联合卫星、地面和航空重力数据构建了大地水准面模型，模型相对付GNSS水准数据的标准差为3 cm[21, 65-66]；在2020珠峰高程丈量中，首次开展珠峰地区航空重力丈量和峰顶地面重力丈量，联合地面和航空重力数据建立了精度为3.8 cm的珠峰重力似大地水准面，首次在珠峰地区实现国际高程参考系统，获取了高精度峰顶正高[3, 22, 66-67]；提出告终合GNSS站网和地表质量负荷数据的区域高程基准框架坚持方法。
武汉大学联合超高阶重力场模型与中国GNSS水准数据，分别利用非常位法、正常高反算法及高程非常差法确定了中国1985国家高程基准与环球高程基准之间的垂直偏差[68]。
自然资源部大地丈量数据处理中央剖析了全国一等水准点高程近20年的变革[23]，综合利用国家一等水准网、国家GNSS大地掌握网等数据建立了中国大陆垂直运动模型[24]。
自然资源部第一海洋研究所联合利用长期验潮站、卫星测高档多源数据，在山东沿海等海疆实现了CGCS2000和1985国家高程基准向海疆延伸及陆海垂直基准之间的相互转换[69]。
3.4 重力场理论算法和软件
中国学者开展了一系列重力场理论算法和软件研究，谈论了两种不同边界面的球近似第二大地边值问题[70]；研究了基于双向卫星时频通报光学原子钟比对不雅观测的重力位测定方法[71]；提出了基于六边形网格剖分的环球重力场构造，推导了对应的球谐剖析和综合算法公式[72-73]；推导了残余地形模型(RTM)大地水准面高的调和改正公式[74]；提出了等角格网和高斯格网的球谐剖析算法[75]；提出了一种适用于补偿各种海空重力仪动态效应剩余影响的通用模型，推导了打算地球外部及地面重力非常垂向梯度环球积分模型的分步改化公式，提出了补偿传统改化模型理论毛病的改动公式[76-77]；研发了高精度重力场逼近与大地水准面打算系统PAGravf和地球潮汐负荷效应与形变监测打算系统ETideLoad[78]。
4 GNSS精密产品天生与运用
GNSS高精度做事常日利用环球广泛分布的参考网数据天生卫星轨道和钟差等精密产品，并将其运用于精密定位等诸多领域。
本节先容了武汉大学IGS剖析中央与数据中央的发展现状，归纳了GNSS非差非组合数据理论与运用的研究进展，总结了精密电离层建模与运用的近期成果，谈论了当前广域实时精密定位的技能水平。
4.1 武汉大学IGS剖析中央与数据中央培植
武汉大学IGS剖析中央和数据中央近年来为中国和环球用户供应了更加丰富、精密的GNSS数据和产品。
自2019年起，武汉大学IGS剖析中央开始供应包括我国北斗在内的多系统GNSS终极产品，涵盖卫星轨道、钟差和地球自转参数等产品。
自2022年起，武汉大学终极产品天生采纳了ITRF2020框架并考虑了IGS第三次重处理见地，同时实现了非差模糊度固定以提升轨道和钟差产品精度[79]。
除了对数据处理配置的改变，数据处理模型也得到了提升，尤其是针对我国北斗系统，建立了增强的拓展CODE轨道模型[80]，校准了卫星天线相位中央偏差和变革，考虑了不同类型卫星的姿态掌握模式[81]。
此外，武汉大学剖析中央还供应环球电离层产品[82]，并于2020年底开始发布实时电离层产品[83]。
武汉大学剖析中央自加入IGS实时事情组以来，建立了实时卫星钟差滤波模型[84]，为GLONASS实时钟差估计供应了频间偏差产品[85]，供应了快速卫星相位偏差产品并开源了PRIDE PPP-AR软件[86]。
此外，武汉大学还通过绝对天线校正供应天线相位中央改正产品。
上述所有数据和产品均可从武汉大学IGS剖析中央和数据中央获取(http://www.igs.gnsswhu.cn/)。
4.2 GNSS非差非组合数据处理理论与运用
在当前多频多模GNSS背景下，非差非组合数据处理上风明显，逐步成为了主流数据处理方法。
中国学者近年来在GNSS非差非组合数据处理理论与运用方面取得了丰富的研究成果，紧张包括以PPP技能为代表的单测站数据处理和以PPP-RTK技能为代表的多测站数据处理。
PPP技能利用外部轨道和钟差等产品处理单测站GNSS数据以获取高精度位置信息。
中国学者将GPS单系统PPP拓展至北斗、伽利略等多系统PPP[87]，将双频PPP拓展至多频和单频，具备了全频全部系、不同吸收机类型兼容的数据处理能力[88]。
此外，冲破了传统PPP模型的吸收机码偏差时不变假设，建立了顾及吸收机码偏差变革的改进PPP模型[89]。
除卫星轨道和钟差外，PPP-RTK技能进一步为用户供应卫星相位偏差和大气产品，实现快速精密定位。
近年来，为战胜北斗二号多路径效应等伪距未模型化偏差的影响，建立了仅用相位的PPP-RTK模型[90]。
为实现GLONASS PPP-RTK，提出了频分多址整数可估PPP-RTK模型[91]，构建了码分多址和频分多址全频全部系非差非组合PPP-RTK数据处理理论体系[92]。
顾及区域电离层延迟特性，建立了电离层加权区域PPP-RTK模型[93]，可提高模型强度并提升产品估值精度。
为实现广域多测站非差非组合数据处理，提出了全视PPP-RTK模型[94]和分布式数据处理方法[95]，降落了模型繁芜度且提升了数据处理效率。
4.3 精密电离层建模与运用
电离层是空间大气的主要组成部分之一。
近年来，浩瀚中国学者致力于精密电离层建模与运用，取得了丰硕成果，紧张包括：北斗电离层改正模型、实时电离层监测与建模、低轨增强GNSS的电离层建模、基于人工智能的电离层预测、电离层扰动监测和肃清，以及电离层精密产品有关运用等。
北斗三号电离层改正模型利用球谐展开描述环球垂直电离层分布，向用户播发9个模型参数，该模型在98%的样本中优于IGS GIM模型的改动能力75%[96-97]。
由于GNSS监测站的分布不均，部分区域(如海上和极地)电离层建模精度仍十分有限。
中国学者近年来利用仿真LEO数据和中国风云等实测LEO数据建立了增强电离层模型[98-99]，并探索了利用GNSS、LEO、卫星测高和电离层掩星等多源数据进一步提升电离层建模精度的方法[100]。
机器学习、深度学习和神经网络等技能也成功运用于电离层预测并取得系列成果[101-102]。
电离层扰动会对用户定位带来不利影响，我国建立了多个电离层扰动监测网，如中国地壳运动监测网络、空间环境地基综合监测网(子午工程二期)和BDSMART空间大气监测网等，其电离层监测成果将被广泛用于卫星导航、民用航空、空间景象和太阳活动等诸多行业和科学研究领域。
4.4 广域实时精密定位
精密位置是GNSS确定的核心参数之一，同时也是浩瀚其他大地丈量参数解算的根本。
近年来，GNSS精密位置做事逐步由区域拓展至广域，由事后发展至实时。
浩瀚中国学者针对广域实时精密定位在定轨、钟差估计、模糊度固定、大气建模和系统培植等方面开展了丰富的研究。
为实现实时精密定轨，滤波数据处理更换了整体最小二乘解算[103]，非差或双差模糊度固定取代了浮点模糊度估计[104]。
为提升实时钟差估计打算效率和精度，基于QR分解的信息滤波[105]、基于自适应调度的Kalman滤波已得到成功运用[106]。
在多频多模背景下，研究天生了双频宽巷、窄巷及超宽巷卫星相位偏差产品[107]，并拓展至每个频率、每种类型的卫星相位偏差产品[108]。
也有学者考试测验了利用人工智能进行大气延迟改动，提高了大气建模精度和可靠性[14, 109]。
广域实时精密定位做事系统日渐完善，如北斗系统的BDSBAS和PPP-B2b公创办事[1-2]，以及千寻、六分和中国移动等商业公司的广域实时高精度定位做事。
考虑到GNSS旗子暗记的薄弱性，近期研究初步验证了低轨卫星增强GNSS高精度定位的能力[110]。
随着未来成百上千低轨卫星的发射，将实现更加快速可靠的广域实时精密定位做事。
5 多源传感器组合导航
近年来，以数字化、智能化为特色的新技能已经渗透到全场景、实时、高精度定位做事的各个领域。
在各种环境感知智能设备、路径方案、行为决策等方面已经取得阶段性成果。
为理解决繁芜场景下单一定位技能的固有局限性，基于异构传感器相互领悟的多源传感器组合导航技能已成为当前研究的热点之一，取得了一系列创新成果。
本节侧重从多源传感器组合导航模型和方法、平台和软件、数据集等方面梳理组合导航的主要进展。
5.1 组合导航模型和方法
GNSS/INS组合导航技能是目前运用最为广泛的组合导航技能之一。
近年来，中国学者在组合算法的初始对准，信息领悟及运动学约束等方面取得显著打破。
在初始对准方面，提出了GNSS不雅观测赞助的载体多历元速率优化、GNSS与INS轨迹同等性匹配等方法，实现了面向低本钱MEMS IMU组合系统的航向角快速初始化技能[111-114]。
在GNSS不雅观测信息领悟方面，利用惯导设备短韶光递推精度较高的特点，赞助GNSS数据预处理与模糊度固定，提高GNSS旗子暗记失落所时的定位精度[115-117]。
在信息领悟办法上，扩展卡尔曼滤波、无迹卡尔曼滤波及因子图优化算法等都得到了较多研究，提高了信息领悟的通用性和稳健性[118-119]。
此外学者们针对车辆运动特性，将非完全约束(non-holonomic constraint, NHC)、里程计信息与GNSS/INS组合算法相结合，提升了GNSS旗子暗记中断时的导航精度[120-122]。
当GNSS旗子暗记永劫光或频繁受遮挡时，如何抑制GNSS/INS组合算法偏差累积是须要办理的紧张问题。
视觉传感器以其更高精度和更低本钱的上风成为当前GNSS/INS组合算法的最佳补充。
中国学者在基于特色的视觉导航算法方面做了系统研究，其特色可分为基于点、线、面的自然特色和基于神经网络提取的人工特色[123-124]；在组合办法上可分为松组合和紧组合，个中松组合紧张指GNSS解算结果与视觉惯性组合解算结果间进行的领悟[125-127]，而紧组合紧张指GNSS伪距和相位不雅观测、IMU不雅观测和视觉特色基于原始不雅观测层面的组合[128]。
与松组合比较，紧组合可以利用更完全的传感器信息进而得到更为精确的定位结果。
视觉传感器高度依赖纹理特色，从而对环境光照和纹理提出了更高哀求，比较之下激光雷达作为间隔传感器其紧张依赖空间构造特色，可以同视觉传感器实现良好互补。
中国学者提出了DRANSAC-RAIM与多普勒最近点迭代算法，实现了城市环境下GNSS/INS/LiDAR组合快速初始化[129]；以扩展卡尔曼滤波为根本，利用雷达点云的平面与边缘特色点实现GNSS/INS/Vision/LiDAR的紧组合实时解算，为GNSS受限环境供应了亚米级导航定位做事[130]。
除了实时传感器不雅观测之外，高精舆图中的车道信息也是智能车辆实现高精度定位的常用选择，与激光雷达云点舆图或栅格舆图不同，它的保存和处理更加轻便。
中国学者以众包车辆所采集的车道信息为根本，利用空间聚类与逐步拟合算法天生高精舆图车道信息。
通过车载视觉与高精舆图间的车道线匹配，实现车道横向与垂向优于10 cm的位置校正[131-133]。
类脑导航作为多源领悟智能导航领域的前沿课题，同样引起了学者们的广泛关注。
这种方法以人工神经网络为根本，利用不同的神经机制对空间进行感知与表征，实现对导航细胞的功能和构造的建模。
借助于新型神经形态传感器和打算芯片的快速发展，类脑导航研究能够开拓出具有类脑性能、乃至超越大脑导航能力的新型仿生智能导航技能。
该技能为战胜传统导航技能在智能性、稳健性、适应性和能源效率等方面的局限性供应了一条有前景的技能路线。
目前中国学者致力于开拓导航细胞的打算模型[26, 134-135]、路径整合[136-138]与舆图构建[139-140]，构建了类脑导航干系的神经机制和导航解算的根本体系。
5.2 平台和软件
近年来，除在多源传感器组合导航模型和方法方面取得显著进展外，我国学者在平台和软件开拓方面也取得了重大打破。
武汉大学测绘学院GREAT团队开拓了卫星大地丈量与多源导航GREAT软硬件平台。
平台硬件支持GNSS、IMU、LiDAR、工业相机等传感器弹性配置，采取自研的韶光同步技能实现微秒级硬件韶光同步，平台软件兼容Window/Linux平台，支持基于滤波与因子图的GNSS/INS组合、视觉惯性组合、GNSS/Visual/IMU/LiDAR组合等常见的多源传感器组合算法，能够供应整套多频、多系统的GNSS后处理和实时产品，具备全场景、全天候高精度位置做事能力[141]。
武汉大学测绘学院PLANET团队自主设计了多传感器领悟平台SmartPNT-mate和SmartPNT-mini。
该平台集成了GNSS、IMU、里程计、相机、LiDAR以及高精度韶光同步板卡和嵌入式人工智能打算机。
此外，还开拓了基于扩展卡尔曼滤波和图优化算法的GNSS/INS组合导航系统开源平台，该平台旨在为干系研究者开拓和完善GNSS/INS组合定位算法供应通用化、模块化、且易于扩展的研究根本框架。
上海交通大学开拓了S-Cube软硬件平台，该平台紧张面向SLAM算法的开拓和测试，搭载了GNSS吸收机、工业相机、高精度惯性传感器和LiDAR等多种传感器。
平台所有传感器均采取自主研发的硬件同步方法，可以实现不同传感器间毫秒级韶光延迟。
此外，该平台还支持全景相机等其他传感器的接入。
多传感器领悟导航技能运用前景广阔，涵盖交通、农业、城建等传统领域以及自动驾驶、无人机、智能机器人等新兴领域，必将促进工业制造2025、数字孪生、聪慧城市的快速发展，推动环球一体化PNT在GNSS遮挡条件下的连续定位、导航和授时做事性能，实现更加泛在化、领悟化、智能化的一体化时空系统和智能定位做事。
6 海洋大地丈量
海洋占地球总面积的71%，加强海洋大地丈量学科培植和海洋大地丈量根本举动步伐培植是我国大地丈量的主要任务之一[5]。
近年来，中国在海洋卫星大地丈量和海底大地丈量不雅观测技能方面均取得主冲要破，海洋大地丈量不雅观测模型和算法研究也取得重大进展[5, 142-147]。
6.1 海洋卫星测高和重力丈量
精确测绘海面地形、测定海洋重力场、确定大地水准面、反演海底地形等是海洋卫星大地丈量的主要内容，也是近年来我国航天测绘的主要任务[143]。
2023年，我国发射了低-低跟踪海洋测高卫星(同轨跟飞，相距30 km，轨道高度约900 km)，紧张用于开展海洋重力非常丈量，为海洋大地水准面精化和海底地形反演供应天基不雅观测手段。
该卫星通过测定卫星到海面的间隔，进而测定海面高和环球海疆格网重力非常。
该卫星还创新性地搭载了星载GNSS-R测高仪[5]，用于实现传统激光测高和验潮不雅观测的多机理互补海面高不雅观测，也提升了土壤和海洋环境参数反演能力[148-149]。
近年来，我国也在开展激光多波束测高卫星研制，该卫星对付办理海岸带困难区域以及远海海底地形精确测绘具有主要现实意义[5]。
我国还通过多个国家重大工程，履行了海洋重力丈量，为国家新一代重力基准、高程基准及南海重力场精化奠定了不雅观测根本，个中建立了精度优于3 mGal，分辨率为15 s的南海局部重力场模型，对应区域的海底地形反演相对精度优于5%。
近年来，我国多型海空重力仪已经走出实验室，开展了大量比测试验，技能和精度水平大幅提升，例如国产ZL11-1重力仪与国外LCR和GT-2M重力仪比测表明，基于惯性稳定平台的ZL11-1A海洋重力仪性能已经达到俄罗斯GT-2M同等水平，超过美国双轴稳定平台LCR重力仪[150]。
6.2 海底大地丈量
科学家统计，人类目前对大海的探索仅有5%[151]，因此，海洋不雅观测就成为人类认识海洋不可或缺的技能手段。
海洋科学具有多学科综合交叉的特点，属于学科交叉的前沿，其研究领域紧张集中在海洋物质能量循环、跨圈层流固耦合等方面，而海底大地丈量在地壳布局运动及海洋、大气与固体地球多圈层耦合及其繁芜动力学过程研究中具有重大支撑浸染。
“十三五”期间，我国在国家重点研发操持项目的支持下开启了海底大地丈量基准研究，在南海3000 m深海建立了我国首个海底基准与导航定位试验网[142]，实现了我国海底基准站技能装备“0到1”的打破，使我国首次具备了深海基准不雅观测能力。
2021年，我国又研发了海底短基线多换能器海底基准站，并在南海开展了深海试验验证事情[152]，该基准站不仅可以提高海底基准定位精度，也有望实现单站布设条件下的短基线导航。
2023年，我国又开展了多频多模声呐海底基准站信标研制事情，并在南海开展了长间隔导航定位试验。
虽然我国近年来在海底大地丈量装备、海底大地基准试验网培植以及导航定位做事方面取得了长足发展，但与美国长达半个世纪、日本近30年的技能积累与迭代[153]比较，我国海底大地丈量尚处起步阶段，海底基准站长期事情能力有限，尚未发展海底基准低本钱、无人化不雅观测掩护装备[5]，建议捉住国家综合时空体系培植机遇，进一步加大海底大地基准科技研发和根本举动步伐培植力度，进一步缩短我国与美国、日本等海洋强国在海底大地丈量领域的差距。
6.3 海洋不雅观测数据处理
在海洋掌握网优化设计方面，提出了海面-海底掌握网双对称设计事理[142]，研究了丈量船轨迹对海底定位精度和可靠性的影响[152, 154]。
海洋声速是影响水下声学定位和导航的关键参数，海内学者提出利用反向传播神经网络算法构建基于空间位置、温度和盐度信息的海洋声速场[155]，并提出了声速场参数增强定位方法以及抗差卡尔曼滤波算法[47, 156]。
研究表明，基于静态声速剖面不雅观测的海底定位精度只能达到米级，特殊是声速场的时空变革对高程定位影响尤为明显，为此，海内学者发展了顾及时变声速偏差的弹性声呐定位模型[145]、削弱环境偏差的差分定位模型[141, 149]和时变声速影响B样条补偿模型[8, 157-159]。
为了掌握声线波折影响，常日采取声线跟踪定位模型，但该模型打算效率低，且须要考虑主动式声呐收发位置的差异，为此海内学者提出了双程传播韶光声线跟踪算法[160-161]、高效高阶割线算法[162]和声线波折参数声呐不雅观测模型[15]。
海底主动式双程不雅观测系统除了涉及椭球交会定位事理外[5, 163]，还面临精确的GNSS-声呐换能器臂长偏差影响[164]、海面定位偏差影响[165]，从而须要发展基于先验臂长参数以及先验掌握点精度约束的海底掌握参数贝叶斯估计模型[166]，以及更为精准的海底声呐不雅观测随机模型[167]。
监测海底布局运动是海底大地丈量的主要任务，海内学者发展了临近基准站时序联合剖析模型[168]。
须要指出，随着海底不雅观测无人化技能的不断进步(包括无人机、AUV、浮标等)，未来海洋大地掌握网数据处理还面临实时网解技能以及无声速剖面丈量条件下的高精度定位模型构建等问题[169]。
7 结束语
近年来，我国大地丈量在北斗导航卫星系统、国产重力卫星、北斗GNSS基准站网及位置做事等方面取得了显著进步，但也应复苏地认识到，我国大地丈量在根本理论原始创新、不雅观测系统培植、基准框架更新坚持、数据开放共享、标准化产品及运用做事等方面与国际前辈水平还存在较大差距。
例如，我国CGCS2000坐标基准框架是基于20多年前的ITRF97框架(2000历元)实现的；2001年发布的国家似大地水准面模型CQG2000，已逾20年未更新；全国验潮站不雅观测资源缺少统筹管理和利用，尚未在国家层面开展陆海无缝垂直基准体系建立和坚持；大地丈量重根本举动步伐培植、轻运用做事拓展，数据产品社会化运用做事能力不敷、做事范围窄；投入大量资金培植的大地丈量根本举动步伐和数据资源，无法实现开放共享，处于“冬眠”期，且“清醒”期未知，严重制约大地丈量对经济培植和社会发展的根本性支撑浸染，这已成为大地丈量科技和行业发展的瓶颈问题。
针对以上现状和问题，结合国际大地丈量及其干系交叉学科领域的发展趋势，提出以下促进我国大地丈量高质量发展的建议：
(1) 以我国大地丈量根本举动步伐为核心，兼顾环球大地丈量根本举动步伐，构建中国大地丈量不雅观测系统(CGOS)，为社会供应公益型大地丈量基准、高精度导航定位、自然资源监测管理和地质磨难监测等运用做事。
(2) 基于国际地球参考框架ITRF2020建立我国新一代的地心坐标基准框架，为社会供应自主、开放、高精度坐标基准框架做事。
(3) 建立新一代国家似大地水准面模型，定义国家数字高程基准并定期更新，建立我国1985高程基准与国际高程基准框架的联接，构建国家陆海无缝垂直基准体系和做事系统。
(4) 依托全国GNSS基准站网，培植国家大地丈量基准智能化做事平台，实现多源大地丈量数据科学管理、共享和领悟，发布坐标、高程、重力和深度基准标准化产品，供应高精度大地丈量基准、导航定位及其他增值性做事。
(5) 加强人工智能、量子、光学原子钟、物联网和云打算等技能在大地丈量方面的研发，拓展大地丈量科技在自然资源管理、自然磨难防治和气候变革等方面的运用研究。
致谢
特此向参与“中国大地丈量国家报告(2019—2023)”(英文)编写事情的专家，以及过去4年致力于大地丈量科学研究的中国学者表示衷心感谢。
作者简介
第一作者简介：党亚民(1965—)，博士，研究员，博士生导师，紧张研究方向为大地丈量基准、GNSS精密定位和地球动力学。
E-mail: dangym@casm.ac.cn
通信作者：蒋涛, E-mail: jiangtao@casm.ac.cn
初审：张艳玲
复审：宋启凡
终审：金 君

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智能 2025-01-05 阅读0 评论0