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野外基线长度量值的溯源问题杨俊志1 薛英2 （1中国测绘科学研究院 2郑州测绘学院）拜读了计量老前辈欧阳俊研究员发表在中国计量2008年第12期上的 “大地连苍穹 测距米为宗”一文，使我们深受感动：该文不仅论述了建立国家测绘基线尺检定系统在统一我国野外基线长度量值方面所起的重要作用，而且还道出了建立和维护这一检定装置的艰辛。作为后来者，除对前辈们的杰出贡献深表敬意之外，只有认真努力工作，才能将他们开创的事业发扬光大，为我国测绘计量事业做出自己的贡献。 长度计量是人类认识自然和改造自然不可缺少的活动，是计量学科最基础的内容。国际单位制中长度计量的单位是“米”，将全世界统一的国际长度基准“米”传递至各国的长度基准，然后再由国家长度基准传递至野外基线，通过野外基线将“米”传递至各种待定量，构成了测绘计量的重要内容，也是国家量传体系的重要组成部分。本文简述了用因瓦基线尺、电磁波测距技术及全球导航卫星系统测量野外距离的相关话题，供我国计量界的同行了解相关情况。一、 因瓦基线尺用于野外长度测量中国自古就重视长度的统一，但历代长度的尺度标准并不统一。随着国际交往的日益频繁，科学技术的相互融合，人们需要一个不仅在国内统一，而且与世界一致的长度标准。在1949年前，我国没有精确的长度标准，在使用上也有各种长度单位。1949年以后，我国开始推行米制以逐步取代其它长度单位制。1959年3月，国务院决定统一计量单位，6月25日正式确定米制为我国的基本单位制。为确定地面建构筑物的位置及地球的形状，需要测量目标点之间的距离、方位及高度。由于野外环境条件较差，用尺子高精度丈量较长距离是一项非常费时费力的艰苦工作，人们常常用三角测量的方法来取代距离测量。采用三角测量的前提是必须已知一条边的长度，该边称为基线边。从1950年代开始，我国开始采用24m因瓦基线尺进行基线边丈量，这些基线尺是从德国、法国及苏联进口的。作为将室内长度基准传递到野外基线的因瓦基线尺，必须对其进行检定以求得各项改正。为此，总参测绘局于1952年在其大院内建立了一条600m长的基线，作为比对基线尺的野外长度标准，这是我国的第一条基线。在我国未建立基线尺室内检定装置之前，测量基线边所用的基线尺均送苏联莫斯科测绘学院进行检定。1957年地质部测绘局在西安北郊建成了600m长的基线，几经周转，该基线最后交由陕西测绘局管理。自该基线建立以来，每年用14根或7根基线尺进行丈量，每次基线的丈量精度在1/147万1/357万之间，长度的年变化小于0.2mm。1957年，国家测绘总局决定建立基线尺检定室。1958年冬至1959年春，在武汉测绘学院建立了国家的第一个基线尺检定室。1959年，国家测绘总局与国家计量局协议联合建立基线实验室以统一国家大地测量长度标准。二、 电磁波测距技术用于野外长度测量从1938年起，在瑞典地理调查局工作的物理学家贝格斯特兰（E.Bergstrand）开始研究用克尔盒法取代旋转齿轮法测量光速。为此他设计了这样的一套测量系统：由仪器以一定频率发射光脉冲，经一定距离处的棱镜反射后，仪器接收光脉冲后计算出光速。1947年，贝格斯特兰将该套测量系统安置在相距6km的基线上进行光速测量，获得的光速值为：299793.10.2km/s。1948年8月，贝格斯特兰在瑞典奥斯陆举行的国际大地测量学协会上发表了一篇论文，他建议采用与测量光速相逆的过程来测量未知距离。在参加这次会议之前，贝格斯特兰要求瑞典AGA公司为他的光速测量仪安装一个仪器壳。会后，贝格斯特兰要求AGA公司将该仪器商品化并将该类仪器命名为Geodimeter(取自“ Geodetic Distance Measurement”，意为“大地距离测量”)。1953年，Geodimeter商品化后的第一种型号面市。美国购买了5台仪器并随后进行了检定，检定结果表明该仪器距离测量的精度可达1/300000，这样的精度完全可以与最好的因瓦基线尺的测量结果相媲美。由于Geodimeter采用普通光源，所以将其称为光波测距仪。1957年南非国家通信研究所研制成功了微波测距仪Tellurometer。光波测距仪Geodimeter和微波测距仪Tellurometer属于长程仪器，不仅精度较低、体积大、价格昂贵，而且使用也极为不便。这在一定程度上限制了这类仪器的推广。1960年代中期，以发光二极管发出的红外光为光源的短程测距仪研制成功，这种仪器称为红外光电测距仪（也简称光电测距仪）。由于这类仪器具有精度高、价格便宜、使用方便等优点，受到了广大测量人员的欢迎。特别是从1970年代中期开始，将光电测距仪与电子测角技术融合成为一体的全站仪研制成功，使得测距测角一次完成，极大地推动了光电测距仪的普及与发展。目前，全站仪已广泛地应用到各类工程实践中，成为测绘工作的常规仪器。据粗略估计，我国拥有各类电磁波测距仪10万台。当然，也有采用激光作为光源的光电测距仪。在1980年代后期，国外曾经生产出测量精度达的精密激光测距仪ME5000。我国于1950年代末开始引进电磁波测距仪并开始利用电磁波测距仪来测量三角网的基线边。由于电磁波测距仪存在加常数、乘常数及周期误差，需要采用一定的技术手段对其进行检定。三、 全球导航卫星系统(GNSS) 用于野外长度测量通过观测天体确定地面点的位置是一项古老的技术。近代则通过观测人造卫星来快速确定地面点的位置。导航卫星系统包括三大部分:空间部分（即空间卫星星座）；地面控制部分（即地面监控系统）；用户设备部分（即卫星信号接收机）。由于地面监控站的坐标为已知，在地面监控站接收到卫星的无线电信号后，计算出卫星的坐标。然后将卫星的坐标发射到卫星上，再由卫星转发。用户接收机通过同时接收至少三颗卫星的定位信息后，按照后方交会的原理即可确定用户接收机的空间位置，继而求得两接收机之间的距离。目前能够提供全球导航卫星定位服务的系统有：GPS卫星全球定位系统、GLONASS全球导航卫星系统、北斗卫星导航系统、WAAS广域增强系统、EGNOS欧洲静地卫星导航重叠系统、DORIS星载多普勒无线电定轨定位系统、PRARE精确距离及其变率测量系统、QZSS准天顶卫星系统、GAGAN GPS静地卫星增强系统，以及正在建设的Galileo卫星导航定位系统、北斗二代卫星导航定位系统和IRNSS印度区域导航卫星系统。由于卫星轨道误差、信号传播路径误差及接收机自身误差等将导致测量结果不准确，也需要对接收机的性能进行检定。四、 当前野外基线场的现状从前面的叙述可知，当今测量野外长度的测量方法不仅仅限于因瓦基线尺配合三角测量等传统方法，而且也包含了电磁波测距技术及导航卫星定位技术等。如何将不同方法获得的结果统一到国家的长度基准上，是当前测绘界及计量界面临的一项艰巨任务。国内外比较通行的方法是在野外建立足够长的基线作为国家长度量值的工作基准。基线的布点形式分为由多个点组成的一条直线（称为基线场）或由多个点组成的网（称为基线网）。由此可见野外基线场为国家长度量值的工作计量器具，在传承和保持国家的长度量值的统一性方面具有十分重要的作用。1、 国内相关情况1）从总参测绘局于1952年在其大院内建立的600m基线起，我国已经建有长度从几百米至18km的多条基线，基本满足了基线尺、电磁波测距仪及全球导航卫星系统接收机的检定需要。其中检定电磁波测距仪用的基线主要依据国家标准GB16789-1997 比长基线测量规范的技术要求建立。该标准规定了使用24m因瓦线尺对基线进行丈量，统一的技术规范在一定的程度上满足了我国电磁波测距仪的量值溯源问题。2）世界著名的芬兰大地测量研究所，在过去的二十年内，分别为我国丈量了二条维塞拉基线即：北京长阳（1985年，1990年，1994年）、四川成都（1998年11月）。由于长阳基线地下水位变化，使得部分标志点不稳定，同时由于北京六环路的影响，该基线现已报废。成都基线场也由于开发区征用土地，于去年报废了。此外，总参测绘研究所在1985年至90年期间，多次利用自己的维塞拉干涉仪，丈量了西安礼泉基线，其石英标准尺则送芬兰溯源。3）部队使用的基线，一般是通过高精度测距仪ME5000（0.2mm+0.210-6D）与维塞拉基线比对，同时使用DI2002定期核查来保证其准确度。4） 香港船湾基线，十个观测墩，精度（1mm+110-6D）。据了解，使用DI2002丈量。5） 台湾桃园基线，1993年由维塞拉干涉仪丈量，432m的不确定度为0.04mm。1997年，当地工业技术研究院的两位专家携带两台ME5000赴芬兰奴米拉基线检定后，再对台湾桃园基线的进行丈量，以保证台湾地区的野外长度量值能够溯源到国际标准。2 国外情况1）芬兰大地测量研究所于1933年建立了长度为864m奴米拉（Nummela）基线，从1947年开始前后共用维塞拉干涉仪丈量过14次，每次的测量精度优于，最长距离（864m）在近50年内的变化小于0.6mm。这些数据表明：奴米拉基线不仅量值准确，而且基线点稳定可靠。2）在/CBLINES/calibration.shtml可以很容易查到美国国家关于测距仪校准基线（EDMI calibration baseline）进行管理的所有规定和资料。美国在各个州的不同政府部门、院校、专业社区建立了300多条校准基线，提供当地的长度标准。最初的基线丈量办法是用几条因瓦带尺配合高精度测量方法来校准全部四个观测墩，后来改为仅校准0m150m的那条边，而其余所有边则用两台高精度电磁波测距仪来完成。如今美国基线政策规定：NGS（国家大地测量局）将不再用钢尺来校准0m150m观测墩之间的距离。取而代之的是，NGS将采用更为严格的电子测距的方法且伴之有效的计算机软件来测量该段距离。电子测距仪将使基线获得很高的相对测量精度，这是对测量方法的一种改进，使得NGS传统的因瓦尺方法变得过时。3） 加拿大大地测量局GSD（Geodetic Survey Division）在全加拿大建立44条基线，给各地的测量员提供电磁波测距仪测试和标准化。GSD通过德国慕尼黑维塞拉标准基线(standard baseline)将量值传递给渥太华的加拿大国家大地基线(National Geodetic Base Line (NGBL)，尔后再传递给全国各地的校准基线。量值的传递仪器为精密电磁波测距仪ME5000或Geomensor CR204。4） 澳大利亚规定野外基线量值的传递可以用标准钢带尺，也可以用光电测距仪。其中电磁波测距仪规定使用ME5000或Geomensor。这两种仪器在使用前，应该与国家频率标准进行比较，获得证书。5）瑞士徕卡测量仪器公司，其测距仪属于世界一流。测距仪量值的溯源通过60m激光干涉仪获得，而激光干涉仪则向瑞士联邦计量检定局溯源。此外，他们还建有野外基线场，通过解析法考察仪器的精度。五、野外基线场长度值的溯源方法归纳前述内容可知：野外基线的长度量值采用三种方式进行溯源：光干涉即维塞拉光干涉法丈量基线，干涉仪石英基准尺则送至国家计量院进行检定；因瓦基线尺丈量基线，因瓦尺由国家计量院进行检定；精密测距仪（如ME5000、Geomensor CR204及DI2002等）测量，则需要分别对测距仪的频率和距离两个量值进行溯源，频率由国家计量院或授权机构进行检定，距离则采用直接与维塞拉基线进行比对的方式。 在国外，一般采用方法和方法进行量值溯源，而我国目前普遍采用方法进行量值溯源。六、不同溯源方法的量值统一性问题无论采用何种溯源方法，对于同一条野外基线场来说，其量值应该是一致的。但根据国内外大量实际测量结果表明，以光干涉法或精密测距仪丈量的基线与以因瓦基线尺丈量的基线间有在明显的系统误差。其主要原因是： 因瓦基线尺的实际温度可以在室内准确测量，而在野外则存在较大困难； 因瓦基线尺的分划线室内检定时用读数显微镜读取，而在野外测量时则是直接用肉眼读取； 在室内检定因瓦基线尺时，其悬挂时间相对来说较长，可以使因瓦基线尺充分稳定，而野每尺段基线尺的悬挂时间相对来说很短；因瓦基线尺每段个尺段只有24m长，每段个尺段的系统误差累积到最后成果中。正如芬兰著名大地测量学家库卡梅基指出的那样：因瓦基线尺由于室内和野环境条件差异必然引起系统误差，且这种系统误差不能直接从基线尺的测量结果中分离和消除。目前能够查到国外有关这方面的研究结果是加拿大大地测量局于1985年1987年间使用ME5000（0.2mm+0.210-6D）和Geomensor（0.1mm+0.110-6D）测距仪与因瓦尺丈量的原国家基线NGBL进行了7次比对，发现二者之间存在约有5ppm的系统差，而这7次不同仪器测量的最大互差则为1.7ppm。另据国内一些检定机构的检定结果也表明：用ME5000测距仪与以因瓦基线尺丈量的基线进行比对后发现，两种方法测量的结果存在着一个系统差，这个系统差的量值大约为310-6D。七、对我国今后工作的建议1基线的等级及量值的统一借鉴美国和加拿大管理野外基线的经验，建立野外长度的工作基准即标准基线和用于检定其他普通测量设备的校准基线。标准基线属于国家长度基准量值的工作基准，不仅要求基线点位稳定，环境条件基本一致，而且要求长度要足够，有一条或两条就能够满足要求。标准基线建议采用维塞拉干涉法进行丈量。而校准基线则应属于下一等级标准，用于日常大量的电磁波测距仪及卫星接收机的检定、校准工作。而校准基线的丈量，则可以因瓦尺和高精度测距仪进行。如前所述，根据目前的初步研究结果表明：ME5000精密测距仪的测距成果等与因瓦基线尺丈量的成果之间存在约为310-6D的系统误差。由于因瓦基线尺与精密测距仪ME5000之间的测量精度相当，且目前国内没有更高的标准基线来判定这一系统差是由哪种方法引起的。即使是建立了非常准确的维塞拉基线，由于该基线较短（一般400米左右，条件特别好的800多米），要确切获得该系统误差亦存在困难。为此必须研究出切实可靠的测试方法来处理此问题。这种系统差将成为我们在大地测量技术上与国际接轨的一个瓶颈，同时也给国际间实验室测量数据的互认带来了困难，应该引起技术监督主管部门的高度重视。2更新长度量值传递方法虽然我国军方早已采用精密测距仪ME50