空間大地測量的應(yīng)用論文-

1、空間大地測量的應(yīng)用摘要通過學(xué)習(xí)空間大地測量學(xué)的課程,結(jié)合空間大地各項技術(shù)的最新成果與進(jìn)展,系統(tǒng)介紹了目前空間大地測量的各項技術(shù)在各領(lǐng)域的應(yīng)用。關(guān)鍵字空間大地測量;應(yīng)用;大地測量技術(shù)分類號近年來,隨著VLBI技術(shù)和衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的飛速發(fā)展,大地測量學(xué)經(jīng)歷了一場劃時代的革命性的變革,克服了傳統(tǒng)的經(jīng)典大地測量學(xué)的時空局限,進(jìn)入了以空間大地測量為主的現(xiàn)代大地測量的新階段。空間大地測量所求得的點位精度、地球定向參數(shù)(極移、日長變化等的精度、地球重力場模型的精度和分辨率比以前都有了極大的提高?？臻g大地測量已經(jīng)成為建立和維持地球參考框架、測定地球定向參數(shù)、研究地殼形變與各種地球動力學(xué)現(xiàn)象、監(jiān)測地質(zhì)災(zāi)害的主要手

2、段之一,并滲透到人類的生產(chǎn)、生活、科研和各種經(jīng)濟(jì)活動中,從而使大地測量處于地球科學(xué)多種分支學(xué)科的交匯邊緣,成為推動地球科學(xué)發(fā)展的前沿學(xué)科之一,加強(qiáng)了大地測量學(xué)在地球科學(xué)中的戰(zhàn)略地位。利用自然天體或人造天體的來精確測定點的位置,確定地球的形狀、大小、外部重力場,以及它們隨時間的變化狀況的一整套理論和方法稱為空間大地測量學(xué)。隨著空間大地測量成為實現(xiàn)大地測量學(xué)科各類目標(biāo)的主要技術(shù)手段, 正主導(dǎo)著學(xué)科未來的發(fā)展方向和科學(xué)地位, 目前正向更高的水平發(fā)展?？臻g大地測量技術(shù)除了衛(wèi)星重力探測技術(shù)(衛(wèi)星測高、衛(wèi)星跟蹤衛(wèi)星和衛(wèi)星重力梯度測量以外,主要包括全球定位系統(tǒng)(G P S 、甚長基線干涉測量(VLB I 和

3、激光測距(L R (包括衛(wèi)星激光測距(S L R 和激光測月技術(shù)(L L R 。(一空間大地測量在衛(wèi)星重力探測技術(shù)方面的應(yīng)用地球重力場的研究始終是大地測量學(xué)科發(fā)展最活躍的領(lǐng)域之一。人類認(rèn)識地球重力場的水平不僅取決于在全球范圍內(nèi)測定重力和探測重力場信息的技術(shù)發(fā)展水平, 而且還取決于確定地球重力場的理論發(fā)展水平。目前進(jìn)行重力探測的方法主要有地面重力測量、衛(wèi)星重力測量和航空重力測量。地面重力測量仍然是獲取高精度、高分辨率重力數(shù)據(jù)的手段之一。主要是采用各種先進(jìn)的重力儀來測量重力場。在地球物理、地質(zhì)勘探、大地水準(zhǔn)面的確定及海平面的變化等方向提供著重力場變化的支持。另外,地面重力測量的另一主要應(yīng)用領(lǐng)域是監(jiān)

4、測地球動力學(xué)現(xiàn)象,包括潮汐(固體潮、海潮和負(fù)荷潮、環(huán)境變化(如地下水的季節(jié)性變化及地震和火山等引起的重力場效應(yīng)。重力探測技術(shù)的重要進(jìn)展是開創(chuàng)了衛(wèi)星重力探測時代, 包括觀測衛(wèi)星軌道攝動以確定低階重力場模型, 利用衛(wèi)星海洋測高直接確定海洋大地水準(zhǔn)面以及GPS 結(jié)合水準(zhǔn)測量直接測定大陸大地水準(zhǔn)面。這一重力探測技術(shù)的突破, 其重大意義在于提供了一種可全球覆蓋重復(fù)采集重力場信息的高效率技術(shù)手段。主要應(yīng)用在測定地球自轉(zhuǎn)參數(shù)、維持TTRF 系統(tǒng)、監(jiān)測全球和局部或區(qū)域板塊運動;應(yīng)用衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)確定高分辨率海洋重力異常、海洋大地水準(zhǔn)面及海面地形;建立數(shù)字地形模型, 從而改善全球和局部或區(qū)域數(shù)字地形模型的質(zhì)量;海

5、洋重力異常數(shù)據(jù)的地球物理解釋及時變海面高的海洋動力環(huán)境解釋隨著新一代衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)精度的提高, 衛(wèi)星測高技術(shù)的應(yīng)用將更加廣泛。另外,航空重力測量是在區(qū)域范圍內(nèi)獲取高精度、高分辨率重力場信息的有效技術(shù)手段, 從原理上一般可分為航空重力標(biāo)量測量、航空重力矢量測量和航空重力梯度測量。近幾年來, GPS、INS及高靈敏度、高穩(wěn)定度梯度儀的發(fā)展及應(yīng)用, 使航空重力測量的研究取得了突破性進(jìn)展。(二空間大地測量中全球定位系統(tǒng)(GPS技術(shù)的應(yīng)用GPS是英文Global Positioning System (全球定位系統(tǒng)的簡稱。GPS最初是指20世紀(jì)70年代由美國陸?？杖娐?lián)合研制的新一代空間衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。

6、其主要目的是為陸、海、空三大領(lǐng)域提供實時、全天候和全球性的導(dǎo)航服務(wù),并用于情報收集、核爆監(jiān)測和應(yīng)急通訊等一些軍事目的。而如今,各國、各組織都在發(fā)展建設(shè)自己的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng),如美國的GPS、俄羅斯的GLONASS、歐盟的Galileo系統(tǒng)、中國的Compass(北斗。隨著GP S 的改進(jìn)和完善, 特別是新一代GPS衛(wèi)星的發(fā)射,全球定位系統(tǒng)將具有更多的功能和更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域, 導(dǎo)致GPS 理論、技術(shù)及應(yīng)用開發(fā)的研究非?；钴S,這一領(lǐng)域的主要研究成果和進(jìn)展包括:地基GPS 站網(wǎng)的應(yīng)用更加廣泛這主要包括測定地球自轉(zhuǎn)參數(shù)、維持TTRF 系統(tǒng)、監(jiān)測全球和局部或區(qū)域板塊運動、結(jié)合驗潮站數(shù)據(jù)監(jiān)測絕對海平而變化

7、、測定大氣可降水份以研究全球氣候的變化和改善中短期大氣頂報模型、用于守時和定時、監(jiān)測地震和火山等自然災(zāi)害以及統(tǒng)一高程基準(zhǔn)等?？栈托腔鵊PS 技術(shù)進(jìn)人實用化階段, G P S 氣象學(xué)的研究已成為G P S 應(yīng)用研究的熱點之一。根據(jù)G P S 接收機(jī)的位置,G P S 遙感大氣水汽含量可分為地基和空基兩種技術(shù), 地基G PS 遙感技術(shù)能以較高的平面分辨率測定大氣中可降水份, 目前其精度可達(dá)到lm m -2 m m。空基G PS 用掩星法可提供電離層離子濃度和大氣中可降水份的連續(xù)水平截面信息, 結(jié)合地基G PS 的垂直截面信息, 可生成三維層析成像資料。氣象資料可用于研究全球氣候變化和改善天氣預(yù)報

8、模型。G P S 測高將成為G PS 應(yīng)用研究的新方FlJ。低軌衛(wèi)星(或空間載體攜帶的G PS 接收機(jī)設(shè)置了兩個天線, 一個用于天線平臺的定位, 另一個用于接收從洋面或冰面上反射回來的G P S 信號, 以確定接收機(jī)至洋面或冰面的高度。在此,要特別介紹一下中國的北斗系統(tǒng)。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是中國自行研制開發(fā)的區(qū)域性有源三維衛(wèi)星定位與通信系統(tǒng)(CNSS,北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)致力于向全球用戶提供高質(zhì)量的定位、導(dǎo)航和授時服務(wù),其建設(shè)與發(fā)展則遵循開放性、自主性、兼容性、漸進(jìn)性這4項原則。時至今日,共有9顆衛(wèi)星被送到軌道運行,建成了北斗系統(tǒng)的第一階段。最后,北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)空間段將由5顆靜止軌道衛(wèi)星和30顆非

9、靜止軌道衛(wèi)星組成,將在各個領(lǐng)域為中國科技的發(fā)展帶來更過支持。(三空間大地測量中V L BI技術(shù)的應(yīng)用甚長基線干涉測量(very long baseline interferometry,VLBI,是利用電磁波干涉測量在多個測站上同步接收河外射電源(類星體發(fā)射的無線電信號進(jìn)行測站間時間延遲干涉處理以測定測站間相對位置以及從測站到射電源的方向的技術(shù)與方法。最近10 年來,VLBI 觀測結(jié)果的可靠性和重要性得到了愈來愈廣泛的承認(rèn)。該技術(shù)在大地測量和天體測量中,主要用于建立和維持天體參考系和地球參考系;監(jiān)測地球自轉(zhuǎn)變化和極移;監(jiān)測全球板塊運動和區(qū)域性地殼形變;并為其他大地測量技術(shù)提供高精度標(biāo)準(zhǔn)。目前,

10、該技術(shù)被認(rèn)為是全球尺度相對定位、確定日長、極移以及連接天體參考框架最精密可靠的技術(shù)手段。在我國,VLBI技術(shù)也得到的廣泛應(yīng)用。中國的VLBI網(wǎng)目前由北京、上海、昆明和烏魯木齊的四個望遠(yuǎn)鏡以及位于上海的天文臺的數(shù)據(jù)處理中心組成。這樣一個網(wǎng)所構(gòu)成的望遠(yuǎn)鏡分辨率相當(dāng)于口徑為3000多公里的巨大的綜合望遠(yuǎn)鏡,測角精度可以達(dá)到百分之幾角秒,甚至更高。VLBI測軌分系統(tǒng)的具體任務(wù)是獲得衛(wèi)星的VLBI測量數(shù)據(jù),包括時延、延遲率和衛(wèi)星的角位置,并參與軌道的確定和預(yù)報。具體的任務(wù),比如說完成衛(wèi)星在24小時、48小時周期的調(diào)相軌道段的測軌任務(wù)。完成衛(wèi)星在地月轉(zhuǎn)移軌道段、月球捕獲軌道段以及環(huán)月軌道段的測軌任務(wù)。并且

11、還要參加調(diào)相軌道、地月轉(zhuǎn)移軌道、月球捕獲軌道段的準(zhǔn)實時軌道的確定和預(yù)報。而更為大家所熟知的嫦娥一號衛(wèi)星的精密測、定軌任務(wù),就是VLBI作為分系統(tǒng)參與到繞月探測工程首次飛行任務(wù)中測控系統(tǒng)的一個分系統(tǒng),共同保證了嫦娥一號的成功發(fā)射。(四空間大地測量中激光測距(LR技術(shù)的應(yīng)用激光測距是目前精度最高的絕對(地心定位技術(shù), 仍然具有很大的發(fā)展?jié)摿?。它對大地測量的主要貢獻(xiàn)在于:建立全球地心參考系, 精確測定地球自轉(zhuǎn)參數(shù)及其潮汐與非潮汐變化, 測定地球質(zhì)心運動和地球平均引力場(包括地心引力常數(shù)G M , 監(jiān)測地球重力場的長波時變量以及測高衛(wèi)星的軌道確定和校準(zhǔn)等其中,又細(xì)分為激光測月( LLR 和激光測衛(wèi)(

12、SLR技術(shù)。激光側(cè)月(LLR 是由地面激光測距站向安置在月球上反射鏡陣列發(fā)射激光脈沖, 以該脈沖往返時間來測量地面站至月球的距離。激光測衛(wèi)(SLR的原理是: 由地面激光測距站向載有反射鏡的衛(wèi)星發(fā)射激光脈沖, 由取樣,電路截取其極小部分能量作為基準(zhǔn)信號, 送至測時裝置; 激光脈沖的大部分由光學(xué)系統(tǒng)發(fā)射至衛(wèi)星, 由接收, 經(jīng)放大和整形后送至測時裝置, 與基準(zhǔn)信號比較, 便得到脈沖往返地面站與衛(wèi)星之間經(jīng)歷的時間,換算為距離。結(jié)語現(xiàn)在的空間大地測量技術(shù),除了衛(wèi)星重力探測技術(shù)(衛(wèi)星測高、衛(wèi)星跟蹤衛(wèi)星和衛(wèi)星重力梯度測量以外,主要包括全球定位系統(tǒng)(G P S 、甚長基線干涉測量(VLB I 和激光測距(L

13、R (包括衛(wèi)星激光測距(S L R 和激光測月技術(shù)(L L R 。尤其隨著VLBI 技術(shù)與GPS系統(tǒng)在空間大地測量領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,大地測量正在朝著方法更加優(yōu)化,精度更高的方向發(fā)展。空間大地測量在地球定向參數(shù)(極移、日長變化等的測定、地球重力場模型的建立、建立和維持地球參考框架、研究地殼形變與各種地球動力學(xué)現(xiàn)象、監(jiān)測地質(zhì)災(zāi)害等各個方面越來越成為不可替代的技術(shù)手段。同時,在海洋探索方面,空間大地測量的相關(guān)技術(shù)同樣在測定地球自轉(zhuǎn)參數(shù)及其潮汐與非潮汐變化海洋重力異常、確定海洋大地水準(zhǔn)面及海面地形等方面發(fā)揮著越來越重要的作用?？梢哉f為地球科學(xué)的發(fā)展奠定了相當(dāng)堅實的基礎(chǔ)。反觀中國在空間大地測量方面的發(fā)展,是在令人自豪。如我國獨立研制的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)將在建成之后,為我們的大地測量的發(fā)展貢獻(xiàn)更多力量。中國的VLBI技術(shù)的發(fā)展也是突飛猛進(jìn),現(xiàn)已在各個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,如大地坐標(biāo)系的維護(hù)、精密定位定軌等。相信中國在地球科學(xué)方面的發(fā)展必定日新月異,創(chuàng)造出更多成績。參考文獻(xiàn)1 陳俊勇.空間大地測量的進(jìn)展 J.測繪通報,1999(10:1-72 陳俊