我国现代化测绘基准的发展战略.doc

我国现代化测绘基准的发展战略目 录1 国际大地测量发展动向1.1 卫星定位技术的新进展 831.2 地球重力场研究的进展 902 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 972.2 空间大地测量的发展 1012.3 地球重力场研究的进展 1062.4 高程系统的发展 1093 目前我国测绘基准存在的问题3.1 平面基准存在的问题 1103.2 高程基准存在的问题 1123.3 重力基准存在的问题 1134 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 1144.2 我国平面基准和坐标系的实施战略 1154.3 我国高程基准和精密水准网的实施战略 1174.4 我国重力基准及全国大地水准面精化的实施战略 1184.5 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1.1.1 ITRF框架的不断更新和发展国际地球参考框架International Terrestrial Reference Frame (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1 IERS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ITRF88VLBI SLR LLR88.0AM0-2 AM1-2AM0-2 AM1-296ITRF89VLBI SLR LLR88.0AM0-2 AM1-2AM0-2 AM1-2105ITRF90VLBI SLR LLR88.0AM0-2 AM1-2AM0-2 AM1-2124ITRF91VLBI SLR LLR GPS88.0AM0-2 NNR-NUVEL1少量实测AM0-2 NNR-NUVEL1130ITRF92VLBI SLR LLR GPS88.0AM0-2 NNR-NUVEL1实测AM0-2 NNR-NUVEL1152ITRF93VLBI SLR LLR GPS93.0AM0-2 NNR-NUVEL1A实测NNR-NUVEL1A157ITRF94VLBI SLR GPS93.0实测(NNR-NUVEL1A约束)NNR-NUVEL1AITRF96VLBI SLR GPS DORIS97.0实测214ITRF97VLBI SLR GPS DORIS97.0实测290ITRF2000VLBI SLR GPS DORIS97.0实测3251.1.2 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“International GPS Service for Geodynamics”改为“International GPS Service”，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2 2000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20 cm10 cm5 cm星钟预报快速最终实时17小时后10天后30 ns0.5 ns0.3 ns跟踪站坐标和速度每周综合解2-4周后3-5 mm3 mm/a极位置（Xp Yp）快速最终17小时后10天后0.2 m()s0.1 m()s极运动速度（）快速最终17小时后10天后0.4 m()s/d0.2 m()s/dUT1-UTC快速最终17小时后10-12天后100 s50 s日长快速最终1-2天后10-12天后60 s /d30 s /d对流层天顶路径延迟最终4周内4 mm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（Governing Board）及其执行机构中心局（Central Bureau）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2030m。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 II F上，将增设第三频率1176.45 MHz。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 II R，以进一步增强GPS卫星的自身功能。从目前资料可知，Block II 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 II 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-III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20152020年完全运行。GPS-III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1215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GPS L1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I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3.5 ns。导航信号类似GPS的C/A码，由L1和L2频率发射，发射功率为2530 w。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。1.1.4 GPS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100200km（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40 km，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13m）；（2）实时高精度DGPS（精度为15cm）；（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。1.1.5 GPS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1015km时，精度为24cm；距离为100200km时，精度为1020cm；距离超过1000km时，精度为0.50.8m4。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。西澳大利亚建立了STATE FIX网，该网包括80个GPS站，其中有17个站与AFN重合，基线长从45km到450km不等，平均为200km，平差后水平分量为3cm，高程分量为5cm，个别点达到10cm。澳大利亚高程基准（AHD）自1971年建立以来没有变化，它是97230km双路线水准测量平差的结果。平差中以澳大利亚沿岸30个验潮站在1966到1968年间的平均海面作为AHD的高程零点5。（3）美国：目前美国的CORS有224个永久GPS跟踪站，其中许多站位于加利福尼亚州。这种分布密度对许多用户（加州以外）来说是不能满足其要求的。为了提高精度，降低成本，缩短观测时间，它们需要与作为起始点的高精度GPS点距离待定点越近越好；另一方面，同时具有精确大地高和正高的GPS点，为精化大地水准面也提供了重要数据。因此美国从1987年起，开始在各州布设A、B级规格的高精度GPS网（HPGN），后来改为高精度参考网（HARN），此项工作至1998年完成。此后又开始布设联邦基本网（FBN）、合作基本网（CBN）和用户加密网（UDN）。FBN与CBN是州范围的GPS测量网，构成高级的国家空间参考系（NSRS）。FBN网站间距为75125km，全美国共建1400个埋石点。CBN网站间距为2550km，全美国共建14600个埋石点。UDN是连接到FBN或CBN的地区加密网，其最大站距为25km。FBN的目标是每个站点GPS三维测量（大地经度、大地纬度和大地高）的精度都不低于2cm；同时进行水准联测，正高高程精度不低于3cm；若进行了重力联测，则要求重力值精度不低于50G；此外还要求每个点地壳运动水平和垂直速率精度不低于mm/a。CBN和UDN点仅进行三维测量，且精度指标比FBN的精度依次降低一些。这项工作尚在进行之中，但从已完成的情况来看，FBN和CBN网中大约仅一半的点进行了水准联测，而只有很少的点进行了重力测量，但每一个水准联测的点上都有按模型推算的重力值，以满足水准改正和平差的需要。FBN网由美国大地测量局（NGS）负责建立和维持，CBN网由NGS与州或地方测量单位合作布设。美国的高程基准是采用1998年北美高程基准NAVD88，它是美国80000km准观测平差的结果。1998年根据美国国会的要求，NGS提交了一份国家高程现代化的研究报告，该报告迄今尚未正式公布，其基本思想是综合利用GPS水准、重力测量和卫星测高数据精化大地水准面至厘米级，以达到通过GPS测量来代替水准测量建立高程控制的目的6,7,34。从以上介绍的情况可以看出，目前大地控制网正处于从传统的模式向现代模式转变的过程中，各国前进的方向都是相同的，只是前进的速度不同而已。在最终的模式足够密度的GPS连续运行参考站网加上足够精确的大地水准面模型建立起来以前，传统的大地控制网和水准测量还必须保持，此外还需要布设各种等级的GPS加密网以满足用户的需要。1.2 地球重力场研究的进展1.2.1 重力测量技术的进展（1）地面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。绝对重力测量的精度已达到G级。在电子机械技术的支持下，G级便携式相对重力仪已被广泛应用于大范围重力测量。利用超导技术产生的高稳定度恒定电流和磁场试制成功的超导重力仪，其精度更是优于1G，甚至达到0.1G，可用于监测重力场的时变量。近年来，地面重力测量工作主要集中在以下两个方面：（i）建立或改善重力基准网，这仍然是地面绝对和相对重力测量的主要任务。如伊朗建立了由19个点组成的重力基本网，其中绝对重力点9个，相对重力点10个。由12个中欧和东欧国家联合实施的UNIGRACE计划，其目的在于统一中欧和东欧国家的重力基准，为地球物理、地质勘探、大地水准面确定及海平面变化等科学研究服务。乌克兰也对本国的重力基准进行了重新联测和平差计算，并在测量中采用了FG5-101、FG5-107、JILAG-5和ZZG等绝对重力仪。（ii）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。如日本利用微重力测量、绝对重力测量和精密水准测量技术研究了Beppu地区的地下水变化情况。采用LaCoste&Romberg G-534重力仪，于1993年2月至1998年1月在Beppu地区的11个观测站上进行了40次微重力测量，1995年6月-1997年9月获取了大量绝对重力观测数据，并于1995年6月-1998年9月实施了7次精密水准测量。对这些观测数据采用主分量分析（PCA），结果表明，一阶分量和二阶分量几乎占总体变化的90%，同时一阶分量反映了浅层地下水的变化情况，而二阶分量描述了深层地下水的空间分布及其变化。奥地利应用重力和精密水准测量方法探测本国地震活动地区或板块运动较活跃地区的高程变化，并对其作出地球动力学解释，已取得初步结果。日本东京大学地震研究所还通过对1998年9月3日发生在日本岩手山西南的霞石里氏6.1级地震进行绝对和相对重力测量，在世界上首次探测到地震引起的绝对重力变化。绝对重力变化达到-6G，远远大于FG5重力仪1G的观测误差1。（2）空间重力测量用空间技术进行重力场测量的理论和技术空间重力测量学的发展是大地重力学进入21世纪的一个标志。经过30年的准备工作，当前空间重力测量的理论和技术主要表现在3个方面，即：高轨卫星追踪低轨卫星技术、低轨卫星追踪低轨卫星技术和卫星重力梯度测定技术（SGG），前二者统称为卫星追踪卫星技术（SST）。德国已于2000年成功地发射了CHAMP（Challenging Mini-Satellite Payload）卫星。CHAMP是用于地球物理研究的小卫星，它是高度为300-450km的低轨卫星，设计寿命5年，主要用于测定地球重力场、电离层、对流层和磁场。测定轨道和高低卫-卫跟踪（SST）的星载设施有GPS、接受SLR跟踪的激光反射镜和测定非重力加速度的一种传感器，以削弱非保守力的影响，更准确地求定地球重力场和大地水准面。确定大地水准面的精度在长于500km的波段为1cm。CHAMP是利用GPS卫星（高轨）跟踪低轨卫星，即高-低SST。GRACE（Gravity Recovery and Climate Experiment）是“探测重力场和气象实验”的卫星，这是由美国和德国预定在2002年前后发射的合作计划。它和CHAMP有2年共存的重叠期，GRACE用于测定地球重力场的设施类同CHAMP，但它是一个同时以高低和低低SST技术求定重力场的卫星，即它能提供它自身与CHAMP、与GPS等卫星间的距离变化率，以求定地球重力场。GRACE和CHAMP主要依靠SST技术推算重力场的中波、长波部分，而短波部分主要依靠地面重力资料。GOCE（Gravity Field and Stead-State Ocean Circulation）是欧洲空间局（ESA）地球探索卫星系列中的第一个所谓“重力场和静态洋流探索”卫星，它将由ESA研制并计划于2004-2005年发射。它有星载重力梯度仪（SGG），一个GPS/GLONASS接收机，用于定位和实施高低SST，还有一个无阻尼装置，以补偿非保守力。GOCE利用SGG和SST技术来测定地球重力场。SGG对地球重力场的中、短波部分比较敏感，而SST则对中、长波部分比较敏感，因此GOCE所提供的地球重力场的分辨率达100km（相应250阶次），精度达到几个G。确定大地水准面的模拟精度在长于200km的波段为1cm。这3颗卫星所提供的地球重力场信息是空间重力测量在精度和分辨率方面的一个重大进展，而且它还能实时提供重力场长波随时间变化的信息。新一代卫星重力探测计划的实现，将使全球重力场的确定提高到一个全新的水平，中、长波段大地水准面的精度将提高1-2个量级，从而可以满足现代大地测量、地球物理和海洋学研究对地球重力场信息的要求，对深入了解地球内部结构及其动力学机制以及整个地球系统（固体圈、水圈和大气圈）的相互作用和变化产生深远影响1。（3） 航空重力测量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。其研究可追溯到20世纪50年代末，但受当时测定载体速度和加速度的精度限制，阻碍了该技术的进一步研究和应用。直到80年代中期，雷达测高技术和高稳定度平台（如阻尼平台系统）的发展及应用，使得航空重力测量技术重新得到发展，并取得初步结果。进入90年代以来，GPS、惯性测量系统（INS）及高灵敏度高稳定度梯度仪的应用，导致航空重力测量的研究取得了突破性进展。这一进展体现在：航空重力标量测量技术进入实用化阶段；提出了航空重力矢量测量和航空重力梯度测量的概念，发展了多种航空重力测量系统，如INS/GPS组合系统、INS重力梯度测量组合系统及INS/GPS重力梯度测量组合系统等。航空重力测量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，这取决于航空重力传感器的定向方法。航空重力标量测量系统可细分为：基于阻尼二轴平台的航空重力测量系统、基于舒拉调谐平台或惯性平台的航空重力测量系统、航空惯性重力测量系统及捷联式航空重力测量系统。国际大地测量协会（IAG）特别研究组SSG3.164对航空重力测量的仪器、原理和数据处理方法等作了大量的研究和实验，特别是过去几年里在改进传统航空重力仪的精度和分辨率，以及在发展新的航空重力测量系统或集成式航空系统方面取得了重大突破。国际上有多个研究机构和大学加入了这一领域的研究。美国海军研究实验室（NRL）继1991、1992年在格陵兰（Greenland）地区完成航空重力测量以来，先后于1992、19941997年在北极地区实施了一系列航空重力测量计划，采用LaCoste&Romberg S型海洋/航空重力仪和P-3飞机（飞行速度为450km/h，飞行高度为300600m），航空重力测量的精度达到2G，分辨率为10-15km。NRL还于1997年在圣地亚哥（San Diego）的西南地区实施了航空重力测量，其分辨率提高到8km。在过去几年里，NRL还在航空重力测量系统和数据处理方法方面作了显著改进和完善。丹麦国家测量与地政局（KMS）采用LaCoste&Romberg S-99型重力仪于1998年在北格陵兰地区和Disko海湾进行了航空重力测量，通过改进数据处理方法，其精度达到了2G，分辨率为6km。加拿大卡尔加里大学在捷联式惯性标量重力测量（SISG）方面取得了重要研究成果。基于Honeywell LASEREF 惯性系统，卡尔加里大学研制了SISG系统的样机，并于1995年6月-1996年9月实施了两次飞行实验，实验结果分析表明，其精度可达2-3G。以三加速度仪为基础，一种称为旋转不变式标量重力测量（RISG）系统正在研究和发展之中，这种系统的实现，使得航空重力测量系统不需要定向平台。基于SATR-3i合成孔径雷达干涉测量(SAR)系统，Intermap发展了航空惯性重力测量系统，其精度可达到1-1.5G。俄亥俄州立大学Jekeli和Hwon(1999年)在航空重力矢量测量方面做了大量工作，将航空重力测量结果与地面重力数据比较，证实航空重力矢量测量的水平分量精度可达到7-8G，垂直分量的精度为3G。在欧洲委员会基金资助下，挪威、丹麦、德国和葡萄牙合作实施了AGMASCO(Airborne Geoid Mapping System for Coastal Oceanography)计划，该计划的目标是：联合航空重力测量系统和航空测高系统发展了一种航空大地水准面测图系统，应用于沿海海洋学的研究。实验结果分析表明，该系统的精度可达到2G，分辨率为57km。此外，英国南极测量组采用改进型LaCoste&Romberg 海洋/航空重力仪于19951996年在南极半岛(Peninsula)地区实施了航空重力测量。为了比较各种航空重力测量系统的性能，KMS采用LaCoste&Romberg S型海洋/航空重力仪、惯性重力测量系统和捷联式加速度计系统进行了联合飞行实验，目前航空重力测量结果正在研究处理之中。日本利用Bell-12直升飞机于1997年从琦玉、茨木到鹿岛进行了3次重力测量试验，得到了在90 km海岸线上的重力剖面图，其RMS精度为3.6G。航空重力测量数据对大地测量的主要贡献在于：确定地球重力场模型和精化局部或区域大地水准面。在格陵兰地区和北极部分地区所收集的航空重力测量数据已用于改善全球重力场模型EGM96。综上所述，传统航空重力测量的精度和分辨率已得到显著改善，在正常条件下，航空重力标量测量系统的精度已达到1-3G，分辨率为510km，这对于全球重力场模型的改善和局部或区域大地水准面的精化将有重要实用价值，但目前还很难满足地球物理勘探的要求（重力异常的精度为12G，分辨率为12km），这主要是现有的GPS技术和数据处理方法限制了GPS加速度的精度。发展包括重力梯度测量技术在内的航空重力测量组合系统是提高航空重力测量精度和分辨率的有效方法。此外，航空重力异常或航空重力大地水准面的向下延拓问题还有待进一步深入研究，特别是在山区，该问题显得非常重要1。1.2.2 地球重力场确定的进展（1）全球数字地形模型(DTM)数字地形模型（DTM）是确定地球重力场必不可少的重要信息源，其质量和分辨率直接影响到确定地球重力场的精度和分辨率。为此IAG自1995年就成立了特别研究组（SSG3.163，即“全球数字地形模型的评价与精化”），旨在利用局部高精度DTM对现有的全球数字地形模型作出评价，并利用新的信息源进行改善。目前著名的全球数字地形模型包括：NASA/GSFC-NIMA推出的全球5数字高程模型JGP95E，全球30数字高程模型GLOBE,ETOPO5及TerrainBase。在局部数字地形模型方面，南美33数字地形模型DTM3、欧洲2.52.5数字地形模型DTM2.5及包括格陵兰和南极地区在内的10km分辨率的数字高程模型最具代表性。研究表明，ETOPO5、TerrainBase和JGP95E之间存在较大差异，三个模型差异的标准差分别为90m、112m和92m,考虑到三个模型60%的海洋数据是相同的，实际上这3个模型在陆地部分差异的标准差超过100m，由此而引起的重力异常地形改正的标准差在中非地区达到69G。因此，现有全球数字地形模型还不能满足全球或区域大地测量、地球物理及海洋学应用的需要，其精度必须进一步提高。利用ERS1/2、GEOSAT及TOPEX/POSEIDON测高数据可以精化现有的全球和局部数字地形模型。在地形起伏不大的地区，目前机载激光测高的精度可达到1.53.0m。机载激光测高技术和InSAR技术将是改善数字地形模型的有效技术手段。2000年2月，美国奋进号（Endeavour）航天飞机完成了历时10天，测绘了南纬56o北纬60o之间全球面积75%的三维地图，从而获得了迄今为止全球覆盖范围最广的数字地形模型1。从今年8月开始公布部分最新三维世界地图，精度是现有地图的100倍，其信息量有1万亿字节。这种地图将在2002年出齐。（2）地球重力场模型地球重力场模型的精细程度标志着物理大地测量的学科发展进程。IAG自1995年成立特别研究组SSG3.165以来，该研究组始终致力于全球重力场的确定与评价。这一领域的研究非常活跃，目前从事此项研究的主要机构包括史密松天体物理台（SAO）、哥达德宇航中心和美国航空航天局（GSFC/NASA）、俄亥俄州立大学（OSU）、法国空间大地测量研究组和德国地球科学中心（GRGS/GFZ）及UT/CSR等。近年来新推出的重力场模型包括：EGM96、JGM-3、TEG-3、GRIM4-S4/C4和GFZ96，其中EGM96是目前最好的全球重力场模型，它是由美国NASA和美国影像制图局（NIMA）联合发展的，利用最新的卫星跟踪数据、卫星测高数据、航空重力数据和地面重力数据以及全球高分辨率陆海地形数值模型等综合确定的。该模型完全阶次为360，分辨率为50km。该模型重力异常精度在陆地为1530 G，海洋约为1020 G。大地水准面精度在陆地为0.30.9m，海洋为0.10.3m。该模型经过广泛测试已应用于卫星轨道及陆地和海洋大地水准面的确定。此外，德国学者研制出了甚高阶重力场模型GPM98A、B和C系列，俄罗斯推出了360阶全球重力场模型GAO-98, GRGS/GFZ正致力于发展GRIM5全球位模型。随着地球重力场逼近理论与方法的发展，以及重力场信息的日益丰富，特别是上述卫星重力测量计划的实现，全球和局部重力场模型的准确度和分辨率将取得重大突破，全球重力场模型的发展趋向于一个统一的标准模型，而局部重力场模型取决于各个国家的发展水平和应用目的，其精度和分辨率将存在较大差异1。（3）大地水准面精化精化大地水准面是局部重力场逼近的长期目标，也是大地测量应用本身及研究活动构造带地壳运动和时变重力场效应的需要。IAG特别研究组SSG3.167就致力于研究确定陆地和海洋大地水准面的理论和方法。近年来，许多国家均推出了新一代高精度高分辨率（似）大地水准面。如欧洲似大地水准面EGG97、哥伦比亚的GEOCOL99、奥地利的Geoid 2000、美国新近推出的重力大地水准面模型G99SSS和混合大地水准面模型Geoid 99、澳大利亚的AUSGeoid98及瑞士的CHGEO98等。其中EGG97采用了约270万个重力数据，7亿个地形数据及卫星测高数据，重力场长波分量根据地球重力场模型EGM96获得。EGG97覆盖范围是25N77N，35W67.4E，大地水准面计算以1.01.5为一个网格，最后产生了近1278万个网格点的大地水准面差距和高程异常。EGG97的内部精度：高程异常精度为3.9cm/km，外部精度（与GPS水准精度比较）中长波（100km及以上）达到每百公里几个厘米。在对EGG97加以长波分量误差改正后，独立控制点的高程异常误差为12cm。美国的Geoid 99用了约260万个重力数据，30的DTM(在美国西北部用1的 DTM数据)和6169个GPS/水准数据，覆盖24o-58oN和230 o 300 o E的美国大陆及墨西哥和加拿大的部分地区，计算格网为11，与GPS水准不符值的RMS为4.6cm。澳大利亚最新的重力大地水准面AUSGeoid 98用了1996澳大利亚重力数据库和卫星测高重力异常以及9的数字高程模型。它由22的大地水准面与椭球面间的差距及相对于GRS 80椭球的垂线偏差组成，覆盖范围为8o46oS和108 o 160 o E，通过在906个GPS/水准点上比较，其绝对精度为0.364m。瑞士的CHGEO98的精度在平坦地区达到3cm，高山地区为5cm。导致这一领域的研