黨亞民,蔣 濤,楊元喜,孫和平,姜衛(wèi)平,朱建軍,薛樹強,張小紅,蔚保國,羅志才0,李星星,肖 云,章傳銀,張寶成,李子申,馮 偉2,任 夏,王 虎

1. 中國測繪科學研究院,北京 100036; 2. 地理信息工程國家重點實驗室,陜西 西安 710054; 3. 西安測繪研究所,陜西 西安 710054; 4. 中國科學院精密測量科學與技術創(chuàng)新研究院,湖北 武漢 430071; 5. 中國科學院大學,北京 100049; 6. 武漢大學衛(wèi)星導航定位技術研究中心,湖北 武漢 430079; 7. 中南大學地球科學與信息物理學院,湖南 長沙 410083; 8. 武漢大學測繪學院,湖北 武漢 430079; 9. 中國電子科技集團公司第五十四研究所衛(wèi)星導航系統(tǒng)與裝備科技國家重點實驗室,河北 石家莊 050081; 10. 華中科技大學物理學院,湖北 武漢 430074; 11. 中國科學院空天信息創(chuàng)新研究院,北京 100094; 12. 中山大學測繪科學與技術學院,廣東 珠海 519082

2019至2023年期間,中國大地測量工作者緊盯國家經濟發(fā)展和國防建設發(fā)展需求,順利完成了多項有影響力的重大工程和研究工作。北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)于2021年7月31號正式向全球用戶提供定位導航定時(PNT)服務和國際搜救服務,向國內用戶提供星基精密單點定位(PPP-B2b)服務和星基導航增強服務[1-2];歷盡艱辛,綜合運用多種大地測量技術,于2020年12月完成了2020珠峰高程測量[3];突破系列衛(wèi)星平臺和載荷關鍵技術,于2021年成功發(fā)射了我國第一組低-低跟蹤重力測量衛(wèi)星[4];于2023年3月成功發(fā)射了我國第一組低-低伴飛海洋測高衛(wèi)星[5];初步實現了我國海底大地測量基準試驗網建設,研制了成套海底信標裝備,突破了海洋大地測量基準建設系列關鍵技術[6-8];毫米級大地測量坐標基準建設的關鍵技術攻關取得重要進展[9-11];為了實現從深空到深海的無縫PNT服務,近兩年,我國綜合PNT論證取得實質性進展,彈性PNT已經從理論框架逐漸走向了彈性終端研制、彈性觀測模型構建和彈性隨機模型優(yōu)化研究等,并取得系列研究成果[12-15];室內定位導航、復雜環(huán)境的定位導航取得豐富的研究成果[16-17];地球重力場、垂直基準、非線性地球參考框架建設相關理論、大地測量數據處理理論與方法等也取得了有影響力的學術產出[18-24];智能化大地測量數據處理也進行了初步嘗試[25-26]。本文重點梳理了近4年我國大地測量的主要成就,同時也為中國大地測量未來發(fā)展重點提出了建議。

1 非線性地球參考框架構建與維持

高精度地球參考框架(地球基準框架)作為大地測量的空間基準,是國家重要的基礎設施。但由于受到與地球物理現象有關的非線性因素的影響,ITRF框架的整體維持精度仍處于厘米級水平。因此,精準刻畫出基準站的線性運動、非線性運動和地心運動的真實軌跡是實現毫米級地球參考框架構建與維持技術的關鍵。需要指出的是,我國北斗全球衛(wèi)星導航系統(tǒng),以及系列甚長基線干涉測量系統(tǒng)和衛(wèi)星激光測量站的建設,使得建立我國自主可控、高精度的全球/中國區(qū)域地球參考框架成為可能。我國區(qū)域框架升級至全球化的“新跨越”,將會進一步夯實國家綜合PNT體系頂層基準的地基。

1.1 地球參考框架動態(tài)維持

研究建立1毫米精度的大地測量坐標基準框架是當前國際大地測量學界的重要挑戰(zhàn),也是我國區(qū)域坐標框架建設的目標[9]。毫米級基準框架的實現需要對應的毫米級的動態(tài)維持技術。目前,中國學者在框架維持技術方面?zhèn)戎匮芯苛嘶诰€性速度的線性維持技術、綜合考慮基準站非線性運動和地心運動的非線性維持技術等[10,18]。通過對全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)測站坐標非線性變化規(guī)律及其分布與影響機制研究,表明環(huán)境負荷和熱膨脹效應是造成基準站的年周期幅度變化的重要原因,周年性系統(tǒng)誤差、高階電離層延遲和噪聲模型也會產生一定的影響[27-28]。當然,毫米級動態(tài)基準框架的維持還有系列科學和技術問題需要解決,如GNSS處理模型的進一步精化、地球物理影響機制和基準站坐標時間序列非線性運動模型精度的耦合效應探索、歷元基準框架的精度與穩(wěn)定性提升技術等[3]。

1.2 區(qū)域基準框架維持與垂直形變

高精度區(qū)域坐標基準框架是國家經濟建設和大型工程建設的基礎。目前,我國北斗全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)在構建高精度區(qū)域基準框架中與美國全球定位系統(tǒng)(GPS)保持同一水平,融合北斗數據維持區(qū)域基準框架,可提升區(qū)域基準框架可靠性,進一步促進了GNSS技術在區(qū)域基準框架和數據服務的動態(tài)監(jiān)測和維護中的作用,改進了區(qū)域參考系維護的理論和方法[29]。基于GNSS數據研究了珠峰區(qū)域塊體模型和三維地殼形變特征[30-31],結果表明該區(qū)域地殼垂直形變由南至北跨喜馬拉雅山脈呈明顯階梯型分布特征;2015年尼泊爾震后印度板塊與歐亞板塊存在加速匯聚趨勢,從而導致地殼隆升速率增大。

1.3 CGCS2000坐標框架的更新與維持

2000國家大地坐標系(CGCS2000)及其坐標基準框架的更新、維持與應用是大地測量工作者永恒的課題之一,我國學者在中國大陸水平運動速度場模型、板塊歐拉矢量運動模型、坐標轉換格網模型構建與應用方面取得系列成果[32-33],為中國動態(tài)大地坐標框架最優(yōu)實現提供了理論與算法支撐;將監(jiān)督聚類統(tǒng)計理論應用于基準站的優(yōu)選,同時提出了大規(guī)模站網的間距分區(qū)法,并用板塊運動改正實現CGCS2000參考歷元的坐標歸算。在CGCS2000坐標系毫米級精度維持理論中,有學者提出顧及板塊運動的坐標框架更新方法,首先將站點坐標對準ITRF,并考慮到板塊的移動,將這些坐標修正到CGCS2000框架坐標中;此外,有多位學者利用分析中心提供的無約束平差法方程組合來估計區(qū)域控制站精確坐標[34]。

1.4 中國大陸長期GNSS觀測數據重新處理

豐富的GNSS數據源和顧及大地震同震/震后影響改正的嚴密數據處理,是保證中國大陸地殼運動速度場精度和可靠性的基礎性要素。為此,中國學者基于更新的Repro3算法模型對GNSS數據進行了統(tǒng)一重處理,以獲取更為“干凈、可靠”的GNSS坐標時間序列,并結合中國大陸大地震歷史記錄,顧及復雜非線性因素(速度、階躍、周期、同震/震后形變)影響,重新解算了GNSS時序模型,并獲取高精度中國大陸GNSS水平速度場[35];有學者總結了大規(guī)模GNSS網數據一體化處理優(yōu)化原則與質量評估方案[36],提出了基于改進周期圖譜法和整體最小二乘理論的非均勻GNSS坐標時間序列分析方法,考慮了觀測誤差、系數陣誤差和虛假譜峰的影響[37],提升了GNSS速度場估計精度;針對非線性震后形變模型,采用附加約束非線性規(guī)劃自動估計最優(yōu)地震弛豫時間,提高了時序模型的整體精度[38];此外,有學者提出了一種基于譜分析和假設檢驗的時間序列精化模型,可以對基站運動軌跡模型的正確性和各解算參數的顯著性進行檢驗評估[39]。

1.5 中國大陸現今GNSS速度場模型與形變

在精細化構建中國大陸格網速度場模型過程中,提出了局部無縫Delaunay三角網反距離加權法,該模型不僅考慮了站點距離和方位信息,還能刻畫出更為精細的局部特征,同時克服了邊緣地區(qū)整體三角網跨度過大以及塊體邊緣三角網不連續(xù)的缺點[40];為提高中國大陸區(qū)域水平速度場的精度,并精細地刻畫其自身的局部運動特征,構建了基于歐拉矢量模型的中國大陸省級塊體相對運動模型和部分省內子塊體相對運動模型,并利用非監(jiān)督聚類算法對地殼運動復雜區(qū)域的水平速度場進行子塊體劃分[41]?；诓逯档玫街袊箨懢鶆蛩礁窬W速度場,分析了中國大陸平面的應變特征,探索了中國大陸地殼變形的分布特征及其與強震的強相關關系[35];利用改進的K-Means++聚類分析方法將中國大陸劃分為7個塊體,結果表明與現有的地塊劃分成果符合度較高,具有較強的可靠性與可信度[35]。

1.6 北斗地心基準框架的初步實現與評估

當前國際和區(qū)域坐標基準框架主要以GPS觀測技術實現,將北斗系統(tǒng)融入區(qū)域大地坐標框架維持是中國大地測量工作的主要任務之一。目前,已有學者利用全球MGEX站北斗觀測數據初步實現并評估了新一代利用BDS-3技術構建的全球地心基準框架(CTRF2020),其參考歷元為2020年1月1日,主要成果表現形式為一系列框架點與參考歷元的高精度坐標和速度[42]。CTRF2020的初步實現與評估,為未來實現以BDS-3技術為主、多空間大地測量技術為輔的綜合性地球參考框架維持提供參考借鑒。

2 綜合PNT與彈性PNT

以GNSS為代表的天基定位、導航和定時(PNT)技術極大地改變了PNT信息傳遞與服務方式,促進了全球、全天時、全天候的PNT基準統(tǒng)一。然而,天基PNT存在落地信號弱、易被干擾和遮蔽等問題,美、歐等世界強國(地區(qū))開始重視其他PNT手段的發(fā)展,我國學者也著手研究更加合理的PNT應用和服務模式,以確保用戶獲取PNT信息的連續(xù)性、可靠性和安全性[12]。

2.1 綜合PNT信息源體系建設

2016年,中國學者率先提出綜合PNT概念,與美國2010年提出的PNT體系的核心差別是強調多物理原理構建的綜合PNT體系,實現從深空到深海PNT服務的無縫覆蓋。早期的綜合PNT是所有PNT信息源的簡單集成,但并未對PNT信息源屬性進行精細劃分。經過不斷的論證,中國學者將綜合PNT體系分解成綜合PNT基礎設施和綜合PNT應用體系[12]。其中,綜合PNT基礎設施主要指經過精心設計和建設的PNT信息源基礎設施;綜合PNT應用體系則指基于各類PNT基礎設施信源和自然界信源的PNT集成應用體系,如綜合利用脈沖星信號、重力感知、磁力感知、慣導、視覺、聲學等PNT信源實現的PNT應用模式。

綜合PNT基礎設施無疑是綜合PNT體系建設的核心和基礎,其建設應當在國家層面進行統(tǒng)籌和規(guī)劃,確保資源合理規(guī)劃和利用,并實現PNT信息源從深空到深海的無縫覆蓋。綜合PNT基礎設施包括拉格朗日點導航星座、高軌衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GNSS)、低軌導航增強星座、地基長波無線電導航定位系統(tǒng)、地面可用的通信基站網、海面導航定位浮標網、海底聲學導航信標網等。目前我國已有遠程長波導航臺站6個,還將繼續(xù)優(yōu)化布局,升級改造,擴大覆蓋范圍;通信基站站網布設廣泛,目前已有超過480萬座通信基站和超過50萬座5G基站,可作為地基PNT服務的重要增量,中國移動也發(fā)布了全球最大的“5G+北斗”高精度定位平臺“One Point”,可以提供亞米級、厘米級甚至毫米級定位服務[43];地基增強系統(tǒng)建成地面站全國一張網,可向廣大用戶提供實時米級、分米級、厘米級和事后毫米級高精度定位和增強服務;海底大地基準網建設和水下導航信標裝備研制取得突破,研制了適應水下3000 m水深的“喚醒式”水下信標裝置,并在南海海域布設了海底PNT試驗信標網,可以實現10 m精度的定位導航服務[6-7]。

2.2 彈性PNT應用模式

綜合PNT基礎設施提供了多物理原理的PNT信息源,自然界還廣泛存在天然PNT信息源。為了合理使用PNT基礎設施信息源、天然PNT信息源和用戶自感知PNT信息源(如慣性導航、光學和圖像信息源),實現用戶PNT應用的最優(yōu)化,中國學者提出了彈性PNT融合應用思想。該思想與國際上其他彈性授時概念、彈性定位導航概念的核心差別在于,中國學者提出的彈性PNT包括:PNT傳感器彈性集成、各類PNT感知函數模型彈性優(yōu)化、隨機模型彈性調整和多源信息彈性融合等多源PNT應用全過程的彈性化。

彈性PNT概念自2018年提出后,快速成為研究熱點,學者們不僅對彈性PNT內涵進行了辨析[7,44],還針對不同應用場景,提出了多種彈性PNT模型,并嘗試將深度學習和神經網絡等智能算法融入PNT數據處理[25]。在水下PNT彈性應用方面,中國學者構建了附加周期誤差項和分段多項式相結合的彈性觀測模型以補償水聲觀測系統(tǒng)誤差影響[45-46],構建了隨機游走噪聲以及抗差估計相結合的聲學隨機模型[46-47];在城市PNT彈性應用方面,構建了觀測先驗置信度與貝葉斯最大似然后驗估計相結合的觀測權重動態(tài)更新模型[48],提出了通過梯度提升與決策樹相結合的慣導誤差補償模型[49]。在室內和地下等非暴露空間場景,Wi-Fi、藍牙、UWB、偽衛(wèi)星等無線電信號的彈性融合以及慣導、重磁匹配等自主導航手段的彈性集成取得豐富的研究結果[16-17]。

3 地球重力場與垂直基準

近年來我國重力衛(wèi)星任務成功實施,國產重力儀研發(fā)工作穩(wěn)步推進,建立了多個超高階重力場模型和純衛(wèi)星重力場模型,參與了國際大地測量協(xié)會(IAG)科羅拉多大地水準面建模試驗,首次在珠峰地區(qū)實施航空重力測量并實現國際高程參考系統(tǒng)。本節(jié)從重力測量、靜態(tài)和時變重力場、海洋重力場、大地水準面與垂直基準及重力場理論算法和軟件等方面總結近年來地球重力場與垂直基準領域的研究進展。

3.1 重力測量

我國建立了一個由80多個站點組成的連續(xù)觀測重力網絡,重力儀器包括GWR超導重力儀、PET/gPhone、DZW、GS15和TRG-1等各類型重力儀,在地球動力學和地球內部構造研究方面發(fā)揮了重要作用,特別是我國超導重力觀測站,與全球40多個站點一起參與全球地球動力學國際合作項目,作出了重要貢獻[50]。中國科學院精密測量科學與技術創(chuàng)新研究院研制的CHZII型?？罩亓x和中國航天科技集團公司研制的SAG系列重力儀正在逐步走向成熟。2018年,向陽紅6號科考船搭載6個型號的海洋重力儀(CHZ-II、SAG-2M、SGA-WZ、ZL11、俄羅斯GT-2M和美國LCR)在南海海域開展對比試驗,試驗結果表明,國產重力儀的精度接近GT-2M重力儀,高于LCR重力儀[51];中科院精測院、浙江工業(yè)大學、中國船舶重工集團有限公司分別開展了量子絕對重力儀的研發(fā)和試驗,解決了冷原子絕對重力儀研制的部分關鍵問題[52-53]。

我國第一個衛(wèi)星跟蹤衛(wèi)星模式的重力衛(wèi)星系統(tǒng)于2021年底成功發(fā)射,該系統(tǒng)采用高-低和低-低衛(wèi)衛(wèi)跟蹤混合測量模式來獲取全球重力場及其時變信息。在軌測試結果顯示,衛(wèi)星系統(tǒng)工作狀態(tài)正常,各項指標滿足設計要求,顯著提升了我國衛(wèi)星系統(tǒng)的研制水平和空間微重力測量能力。利用2022年4月1日至2022年8月30日期間的衛(wèi)星數據反演了60階次時變地球重力場模型,該模型可以很好地表征全球水文變化,與GRACE FO衛(wèi)星結果的RMS差值僅為2 cm,可為大地測量、地球物理、地震、水資源管理、冰川學、海洋學和國防安全等提供重要數據支撐[4]。

3.2 靜態(tài)重力場和時變重力場

靜態(tài)重力場建模方面,武漢大學基于橢球諧分析和系數變換理論,綜合GOCE重力衛(wèi)星、衛(wèi)星測高海洋重力異常和EGM2008模型陸地重力異常數據及衛(wèi)星模型法方程構建了2190階重力場模型SGG-UGM-2[19]。中國測繪科學研究院采用基于橢球諧系數的塊對角陣最小二乘方法,利用GOCO06S模型、全球地面重力異常和衛(wèi)星測高海洋重力異常數據構建了2190階重力場模型CASM-EGM2020,應用于全球地理信息資源建設工程。武漢大學、同濟大學、西南石油大學和廣東工業(yè)大學分別利用GRACE和GOCE重力衛(wèi)星數據建立了純衛(wèi)星重力場模型WHU-SWPU-GOGR2022S(300階次)、Tongji-GMMG2021s(300階次)、SWPU-GRACE2021S(180階階次)和GOSG02S(300階次)。

時變重力場研究方面,華中科技大學基于動力法和短弧法混合處理策略[20],使用GRACE L1B和AOD數據,構建了月重力場模型序列HUST-Grace2019和HUST-Grace2020。同濟大學利用優(yōu)化的短弧法構建了GRACE月重力場模型序列Tongji-Grace2018,引入濾波后GRACE質量變化估計作為空間約束,構建了月重力場模型序列Tongji-RegGrace2019,應用時無須再進行濾波處理,與GRACE官方Mascon解精度相當[54]。武漢大學分別基于動力法和改進能量積分法構建了月重力場模型序列WHU RL02和WHU-GRACE-GPD01[55]。西南交通大學采用改進參數化策略解算了月重力場模型序列SWJTU-GRACE-RL02p[56]。西南石油大學利用動力法解算得到展開至96階的月重力場模型序列SWPU-GRACE2021[57]。

海洋重力場研究方面,中國學者驗證了HY-2A/GM數據有助于提升海洋重力場反演精度,并聯合多源衛(wèi)星測高和海洋測深數據構建了全球海洋重力異常數據集GMGA1[58]、GMGA2[59]和NSOAS22[60]。新一代寬刈幅干涉測高衛(wèi)星SWOT能夠以高精度和高分辨率進行大范圍的海面高度測量,SWOT單周期和多周期數據模擬結果表明,重力場反演精度和分辨率優(yōu)于傳統(tǒng)測高衛(wèi)星組合[61-62]。利用SARAL/Altika等多源衛(wèi)星數據建立了南中國海1′×1′海洋重力異常模型SCSGA V1.0[63]。利用多源衛(wèi)星測高數據解算得到全球重力異常Grav_Alti_WHU,聯合船測水深數據構建了全球海底地形模型BAT_WHU2020[64]。

3.3 大地水準面與垂直基準

中國測繪科學研究院參與國際大地測量協(xié)會(IAG)科羅拉多大地水準面建模試驗,利用譜組合方法聯合衛(wèi)星、地面和航空重力數據構建了大地水準面模型,模型相對于GNSS水準數據的標準差為3 cm[21,65-66];在2020珠峰高程測量中,首次開展珠峰地區(qū)航空重力測量和峰頂地面重力測量,聯合地面和航空重力數據建立了精度為3.8 cm的珠峰重力似大地水準面,首次在珠峰地區(qū)實現國際高程參考系統(tǒng),獲取了高精度峰頂正高[3,22,66-67];提出了聯合GNSS站網和地表質量負荷數據的區(qū)域高程基準框架維持方法。武漢大學聯合超高階重力場模型與中國GNSS水準數據,分別利用異常位法、正常高反算法及高程異常差法確定了中國1985國家高程基準與全球高程基準之間的垂直偏差[68]。自然資源部大地測量數據處理中心分析了全國一等水準點高程近20年的變化[23],綜合利用國家一等水準網、國家GNSS大地控制網等數據建立了中國大陸垂直運動模型[24]。自然資源部第一海洋研究所聯合利用長期驗潮站、衛(wèi)星測高等多源數據,在山東沿海等海域實現了CGCS2000和1985國家高程基準向海域延伸及陸海垂直基準之間的相互轉換[69]。

3.4 重力場理論算法和軟件

中國學者開展了一系列重力場理論算法和軟件研究,討論了兩種不同邊界面的球近似第二大地邊值問題[70];研究了基于雙向衛(wèi)星時頻傳遞光學原子鐘比對觀測的重力位測定方法[71];提出了基于六邊形網格剖分的全球重力場結構,推導了對應的球諧分析和綜合算法公式[72-73];推導了殘余地形模型(RTM)大地水準面高的調和改正公式[74];提出了等角格網和高斯格網的球諧分析算法[75];提出了一種適用于補償各類海空重力儀動態(tài)效應剩余影響的通用模型,推導了計算地球外部及地面重力異常垂向梯度全球積分模型的分步改化公式,提出了補償傳統(tǒng)改化模型理論缺陷的修正公式[76-77];研發(fā)了高精度重力場逼近與大地水準面計算系統(tǒng)PAGravf和地球潮汐負荷效應與形變監(jiān)測計算系統(tǒng)ETideLoad[78]。

4 GNSS精密產品生成與應用

GNSS高精度服務通常利用全球廣泛分布的參考網數據生成衛(wèi)星軌道和鐘差等精密產品,并將其應用于精密定位等諸多領域。本節(jié)介紹了武漢大學IGS分析中心與數據中心的發(fā)展現狀,歸納了GNSS非差非組合數據理論與應用的研究進展,總結了精密電離層建模與應用的近期成果,討論了當前廣域實時精密定位的技術水平。

4.1 武漢大學IGS分析中心與數據中心建設

武漢大學IGS分析中心和數據中心近年來為中國和全球用戶提供了更加豐富、精密的GNSS數據和產品。自2019年起,武漢大學IGS分析中心開始提供包括我國北斗在內的多系統(tǒng)GNSS最終產品,涵蓋衛(wèi)星軌道、鐘差和地球自轉參數等產品。自2022年起,武漢大學最終產品生成采納了ITRF2020框架并考慮了IGS第三次重處理意見,同時實現了非差模糊度固定以提升軌道和鐘差產品精度[79]。除了對數據處理配置的改變,數據處理模型也得到了提升,尤其是針對我國北斗系統(tǒng),建立了增強的拓展CODE軌道模型[80],校準了衛(wèi)星天線相位中心偏差和變化,考慮了不同類型衛(wèi)星的姿態(tài)控制模式[81]。此外,武漢大學分析中心還提供全球電離層產品[82],并于2020年底開始發(fā)布實時電離層產品[83]。武漢大學分析中心自加入IGS實時工作組以來,建立了實時衛(wèi)星鐘差濾波模型[84],為GLONASS實時鐘差估計提供了頻間偏差產品[85],提供了快速衛(wèi)星相位偏差產品并開源了PRIDE PPP-AR軟件[86]。此外,武漢大學還通過絕對天線校正提供天線相位中心改正產品。上述所有數據和產品均可從武漢大學IGS分析中心和數據中心獲取(http:∥www.igs.gnsswhu.cn/)。

結合傳輸設備、蓄電池的實時/在線網管監(jiān)測與檢測數據、充放電實驗數據、歷史運行狀態(tài)性能等動態(tài)數據，設備和業(yè)務統(tǒng)計資源靜態(tài)數據、歷史缺陷和檢修工單等流程數據、設備動環(huán)信息等數據，建立設備狀態(tài)變化分類預測模型，整體反應設備狀態(tài)，感知設備狀態(tài)和網絡狀態(tài)。

4.2 GNSS非差非組合數據處理理論與應用

在當前多頻多模GNSS背景下,非差非組合數據處理優(yōu)勢明顯,逐步成為了主流數據處理方法。中國學者近年來在GNSS非差非組合數據處理理論與應用方面取得了豐富的研究成果,主要包括以PPP技術為代表的單測站數據處理和以PPP-RTK技術為代表的多測站數據處理。PPP技術利用外部軌道和鐘差等產品處理單測站GNSS數據以獲取高精度位置信息。中國學者將GPS單系統(tǒng)PPP拓展至北斗、伽利略等多系統(tǒng)PPP[87],將雙頻PPP拓展至多頻和單頻,具備了全頻全系統(tǒng)、不同接收機類型兼容的數據處理能力[88]。此外,打破了傳統(tǒng)PPP模型的接收機碼偏差時不變假設,建立了顧及接收機碼偏差變化的改進PPP模型[89]。除衛(wèi)星軌道和鐘差外,PPP-RTK技術進一步為用戶提供衛(wèi)星相位偏差和大氣產品,實現快速精密定位。近年來,為克服北斗二號多路徑效應等偽距未模型化誤差的影響,建立了僅用相位的PPP-RTK模型[90]。為實現GLONASS PPP-RTK,提出了頻分多址整數可估PPP-RTK模型[91],構建了碼分多址和頻分多址全頻全系統(tǒng)非差非組合PPP-RTK數據處理理論體系[92]。顧及區(qū)域電離層延遲特性,建立了電離層加權區(qū)域PPP-RTK模型[93],可提高模型強度并提升產品估值精度。為實現廣域多測站非差非組合數據處理,提出了全視PPP-RTK模型[94]和分布式數據處理方法[95],降低了模型復雜度且提升了數據處理效率。

4.3 精密電離層建模與應用

電離層是空間大氣的重要組成部分之一。近年來,眾多中國學者致力于精密電離層建模與應用,取得了豐碩成果,主要包括:北斗電離層改正模型、實時電離層監(jiān)測與建模、低軌增強GNSS的電離層建模、基于人工智能的電離層預測、電離層擾動監(jiān)測和消除,以及電離層精密產品有關應用等。北斗三號電離層改正模型利用球諧展開描述全球垂直電離層分布,向用戶播發(fā)9個模型參數,該模型在98%的樣本中優(yōu)于IGS GIM模型的修正能力75%[96-97]。由于GNSS監(jiān)測站的分布不均,部分區(qū)域(如海上和極地)電離層建模精度仍十分有限。中國學者近年來利用仿真LEO數據和中國風云等實測LEO數據建立了增強電離層模型[98-99],并探索了利用GNSS、LEO、衛(wèi)星測高和電離層掩星等多源數據進一步提升電離層建模精度的方法[100]。機器學習、深度學習和神經網絡等技術也成功應用于電離層預測并取得系列成果[101-102]。電離層擾動會對用戶定位帶來不利影響,我國建立了多個電離層擾動監(jiān)測網,如中國地殼運動監(jiān)測網絡、空間環(huán)境地基綜合監(jiān)測網(子午工程二期)和BDSMART空間大氣監(jiān)測網等,其電離層監(jiān)測成果將被廣泛用于衛(wèi)星導航、民用航空、空間天氣和太陽活動等諸多行業(yè)和科學研究領域。

4.4 廣域實時精密定位

精密位置是GNSS確定的核心參數之一,同時也是眾多其他大地測量參數解算的基礎。近年來,GNSS精密位置服務逐步由區(qū)域拓展至廣域,由事后發(fā)展至實時。眾多中國學者針對廣域實時精密定位在定軌、鐘差估計、模糊度固定、大氣建模和系統(tǒng)建設等方面開展了豐富的研究。為實現實時精密定軌,濾波數據處理替換了整體最小二乘解算[103],非差或雙差模糊度固定取代了浮點模糊度估計[104]。為提升實時鐘差估計計算效率和精度,基于QR分解的信息濾波[105]、基于自適應調整的Kalman濾波已得到成功應用[106]。在多頻多模背景下,研究生成了雙頻寬巷、窄巷及超寬巷衛(wèi)星相位偏差產品[107],并拓展至每個頻率、每種類型的衛(wèi)星相位偏差產品[108]。也有學者嘗試了利用人工智能進行大氣延遲修正,提高了大氣建模精度和可靠性[14,109]。廣域實時精密定位服務系統(tǒng)日漸完善,如北斗系統(tǒng)的BDSBAS和PPP-B2b公開服務[1-2],以及千尋、六分和中國移動等商業(yè)公司的廣域實時高精度定位服務。考慮到GNSS信號的脆弱性,近期研究初步驗證了低軌衛(wèi)星增強GNSS高精度定位的能力[110]。隨著未來成百上千低軌衛(wèi)星的發(fā)射,將實現更加快速可靠的廣域實時精密定位服務。

5 多源傳感器組合導航

近年來,以數字化、智能化為特征的新技術已經滲透到全場景、實時、高精度定位服務的各個領域。在各類環(huán)境感知智能設備、路徑規(guī)劃、行為決策等方面已經取得階段性成果。為了解決復雜場景下單一定位技術的固有局限性,基于異構傳感器相互融合的多源傳感器組合導航技術已成為當前研究的熱點之一,取得了一系列創(chuàng)新成果。本節(jié)側重從多源傳感器組合導航模型和方法、平臺和軟件、數據集等方面梳理組合導航的重要進展。

5.1 組合導航模型和方法

GNSS/INS組合導航技術是目前應用最為廣泛的組合導航技術之一。近年來,中國學者在組合算法的初始對準,信息融合及運動學約束等方面取得顯著突破。在初始對準方面,提出了GNSS觀測輔助的載體多歷元速度優(yōu)化、GNSS與INS軌跡一致性匹配等方法,實現了面向低成本MEMS IMU組合系統(tǒng)的航向角快速初始化技術[111-114]。在GNSS觀測信息融合方面,利用慣導設備短時間遞推精度較高的特點,輔助GNSS數據預處理與模糊度固定,提高GNSS信號失所時的定位精度[115-117]。在信息融合方式上,擴展卡爾曼濾波、無跡卡爾曼濾波及因子圖優(yōu)化算法等都得到了較多研究,提高了信息融合的通用性和穩(wěn)健性[118-119]。此外學者們針對車輛運動特性,將非完整約束(non-holonomic constraint,NHC)、里程計信息與GNSS/INS組合算法相結合,提升了GNSS信號中斷時的導航精度[120-122]。

當GNSS信號長時間或頻繁受遮擋時,如何抑制GNSS/INS組合算法誤差累積是需要解決的首要問題。視覺傳感器以其更高精度和更低成本的優(yōu)勢成為當前GNSS/INS組合算法的最佳補充。中國學者在基于特征的視覺導航算法方面做了系統(tǒng)研究,其特征可分為基于點、線、面的自然特征和基于神經網絡提取的人工特征[123-124];在組合方式上可分為松組合和緊組合,其中松組合主要指GNSS解算結果與視覺慣性組合解算結果間進行的融合[125-127],而緊組合主要指GNSS偽距和相位觀測、IMU觀測和視覺特征基于原始觀測層面的組合[128]。與松組合相比,緊組合可以利用更完整的傳感器信息進而獲得更為精確的定位結果。視覺傳感器高度依賴紋理特征,從而對環(huán)境光照和紋理提出了更高要求,相比之下激光雷達作為距離傳感器其主要依賴空間結構特征,可以同視覺傳感器實現良好互補。中國學者提出了DRANSAC-RAIM與多普勒最近點迭代算法,實現了城市環(huán)境下GNSS/INS/LiDAR組合快速初始化[129];以擴展卡爾曼濾波為基礎,利用雷達點云的平面與邊緣特征點實現GNSS/INS/Vision/LiDAR的緊組合實時解算,為GNSS受限環(huán)境提供了亞米級導航定位服務[130]。除了實時傳感器觀測之外,高精地圖中的車道信息也是智能車輛實現高精度定位的常用選擇,與激光雷達云點地圖或柵格地圖不同,它的保存和處理更加輕便。中國學者以眾包車輛所采集的車道信息為基礎,利用空間聚類與逐步擬合算法生成高精地圖車道信息。通過車載視覺與高精地圖間的車道線匹配,實現車道橫向與垂向優(yōu)于10 cm的位置校正[131-133]。

類腦導航作為多源融合智能導航領域的前沿課題,同樣引起了學者們的廣泛關注。這種方法以人工神經網絡為基礎,利用不同的神經機制對空間進行感知與表征,實現對導航細胞的功能和結構的建模。借助于新型神經形態(tài)傳感器和計算芯片的快速發(fā)展,類腦導航研究能夠開發(fā)出具有類腦性能、甚至超越大腦導航能力的新型仿生智能導航技術。該技術為克服傳統(tǒng)導航技術在智能性、穩(wěn)健性、適應性和能源效率等方面的局限性提供了一條有前景的技術路線。目前中國學者致力于開發(fā)導航細胞的計算模型[26,134-135]、路徑整合[136-138]與地圖構建[139-140],構建了類腦導航相關的神經機制和導航解算的基礎體系。

5.2 平臺和軟件

多傳感器融合導航技術應用前景廣闊,涵蓋交通、農業(yè)、城建等傳統(tǒng)領域以及自動駕駛、無人機、智能機器人等新興領域,必將促進工業(yè)制造2025、數字孿生、智慧城市的快速發(fā)展,推動全球一體化PNT在GNSS遮擋條件下的連續(xù)定位、導航和授時服務性能,實現更加泛在化、融合化、智能化的一體化時空系統(tǒng)和智能定位服務。

6 海洋大地測量

海洋占地球總面積的71%,加強海洋大地測量學科建設和海洋大地測量基礎設施建設是我國大地測量的重要任務之一[5]。近年來,中國在海洋衛(wèi)星大地測量和海底大地測量觀測技術方面均取得重要突破,海洋大地測量觀測模型和算法研究也取得重大進展[5,142-147]。

6.1 海洋衛(wèi)星測高和重力測量

精確測繪海面地形、測定海洋重力場、確定大地水準面、反演海底地形等是海洋衛(wèi)星大地測量的重要內容,也是近年來我國航天測繪的重要任務[143]。2023年,我國發(fā)射了低-低跟蹤海洋測高衛(wèi)星(同軌跟飛,相距30 km,軌道高度約900 km),主要用于開展海洋重力異常測量,為海洋大地水準面精化和海底地形反演提供天基觀測手段。該衛(wèi)星通過測定衛(wèi)星到海面的距離,進而測定海面高和全球海域格網重力異常。該衛(wèi)星還創(chuàng)新性地搭載了星載GNSS-R測高儀[5],用于實現傳統(tǒng)激光測高和驗潮觀測的多機理互補海面高觀測,也提升了土壤和海洋環(huán)境參數反演能力[148-149]。近年來,我國也在開展激光多波束測高衛(wèi)星研制,該衛(wèi)星對于解決海岸帶困難區(qū)域以及遠海海底地形精確測繪具有重要現實意義[5]。我國還通過多個國家重大工程,實施了海洋重力測量,為國家新一代重力基準、高程基準及南海重力場精化奠定了觀測基礎,其中建立了精度優(yōu)于3 mGal,分辨率為15 s的南海局部重力場模型,對應區(qū)域的海底地形反演相對精度優(yōu)于5%。

近年來,我國多型?？罩亓x已經走出實驗室,開展了大量比測試驗,技術和精度水平大幅提升,例如國產ZL11-1重力儀與國外LCR和GT-2M重力儀比測表明,基于慣性穩(wěn)定平臺的ZL11-1A海洋重力儀性能已經達到俄羅斯GT-2M同等水平,超過美國雙軸穩(wěn)定平臺LCR重力儀[150]。

6.2 海底大地測量

科學家統(tǒng)計,人類目前對大海的探索僅有5%[151],因此,海洋觀測就成為人類認識海洋不可或缺的技術手段。海洋科學具有多學科綜合交叉的特點,屬于學科交叉的前沿,其研究領域主要集中在海洋物質能量循環(huán)、跨圈層流固耦合等方面,而海底大地測量在地殼構造運動及海洋、大氣與固體地球多圈層耦合及其復雜動力學過程研究中具有重大支撐作用?！笆濉逼陂g,我國在國家重點研發(fā)計劃項目的支持下開啟了海底大地測量基準研究,在南海3000 m深海建立了我國首個海底基準與導航定位試驗網[142],實現了我國海底基準站技術裝備“0到1”的突破,使我國首次具備了深?；鶞视^測能力。2021年,我國又研發(fā)了海底短基線多換能器海底基準站,并在南海開展了深海試驗驗證工作[152],該基準站不僅可以提高海底基準定位精度,也有望實現單站布設條件下的短基線導航。2023年,我國又開展了多頻多模聲吶海底基準站信標研制工作,并在南海開展了長距離導航定位試驗。

雖然我國近年來在海底大地測量裝備、海底大地基準試驗網建設以及導航定位服務方面取得了長足發(fā)展,但與美國長達半個世紀、日本近30年的技術積累與迭代[153]相比,我國海底大地測量尚處起步階段,海底基準站長期工作能力有限,尚未發(fā)展海底基準低成本、無人化觀測維護裝備[5],建議抓住國家綜合時空體系建設機遇,進一步加大海底大地基準科技研發(fā)和基礎設施建設力度,進一步縮短我國與美國、日本等海洋強國在海底大地測量領域的差距。

6.3 海洋觀測數據處理

在海洋控制網優(yōu)化設計方面,提出了海面-海底控制網雙對稱設計原理[142],研究了測量船軌跡對海底定位精度和可靠性的影響[152,154]。海洋聲速是影響水下聲學定位和導航的關鍵參數,國內學者提出利用反向傳播神經網絡算法構建基于空間位置、溫度和鹽度信息的海洋聲速場[155],并提出了聲速場參數增強定位方法以及抗差卡爾曼濾波算法[47,156]。研究表明,基于靜態(tài)聲速剖面觀測的海底定位精度只能達到米級,特別是聲速場的時空變化對高程定位影響尤為明顯,為此,國內學者發(fā)展了顧及時變聲速誤差的彈性聲吶定位模型[145]、削弱環(huán)境誤差的差分定位模型[141,149]和時變聲速影響B(tài)樣條補償模型[8,157-159]。為了控制聲線彎曲影響,通常采用聲線跟蹤定位模型,但該模型計算效率低,且需要考慮主動式聲吶收發(fā)位置的差異,為此國內學者提出了雙程傳播時間聲線跟蹤算法[160-161]、高效高階割線算法[162]和聲線彎曲參數聲吶觀測模型[15]。海底主動式雙程觀測系統(tǒng)除了涉及橢球交會定位原理外[5,163],還面臨精確的GNSS-聲吶換能器臂長誤差影響[164]、海面定位誤差影響[165],從而需要發(fā)展基于先驗臂長參數以及先驗控制點精度約束的海底控制參數貝葉斯估計模型[166],以及更為精準的海底聲吶觀測隨機模型[167]。監(jiān)測海底構造運動是海底大地測量的重要任務,國內學者發(fā)展了鄰近基準站時序聯合分析模型[168]。需要指出,隨著海底觀測無人化技術的不斷進步(包括無人機、AUV、浮標等),未來海洋大地控制網數據處理還面臨實時網解技術以及無聲速剖面測量條件下的高精度定位模型構建等問題[169]。

7 結束語

近年來,我國大地測量在北斗導航衛(wèi)星系統(tǒng)、國產重力衛(wèi)星、北斗GNSS基準站網及位置服務等方面取得了顯著進步,但也應清醒地認識到,我國大地測量在基礎理論原始創(chuàng)新、觀測系統(tǒng)建設、基準框架更新維持、數據開放共享、標準化產品及應用服務等方面與國際先進水平還存在較大差距。例如,我國CGCS2000坐標基準框架是基于20多年前的ITRF97框架(2000歷元)實現的;2001年發(fā)布的國家似大地水準面模型CQG2000,已逾20年未更新;全國驗潮站觀測資源缺乏統(tǒng)籌管理和利用,尚未在國家層面開展陸海無縫垂直基準體系建立和維持;大地測量重基礎設施建設、輕應用服務拓展,數據產品社會化應用服務能力不足、服務范圍窄;投入大量資金建設的大地測量基礎設施和數據資源,無法實現開放共享,處于“冬眠”期,且“蘇醒”期未知,嚴重制約大地測量對經濟建設和社會發(fā)展的基礎性支撐作用,這已成為大地測量科技和行業(yè)發(fā)展的瓶頸問題。

針對以上現狀和問題,結合國際大地測量及其相關交叉學科領域的發(fā)展趨勢,提出以下促進我國大地測量高質量發(fā)展的建議:

(1) 以我國大地測量基礎設施為核心,兼顧全球大地測量基礎設施,構建中國大地測量觀測系統(tǒng)(CGOS),為社會提供公益型大地測量基準、高精度導航定位、自然資源監(jiān)測管理和地質災害監(jiān)測等應用服務。

(2) 基于國際地球參考框架ITRF2020建立我國新一代的地心坐標基準框架,為社會提供自主、開放、高精度坐標基準框架服務。

(3) 建立新一代國家似大地水準面模型,定義國家數字高程基準并定期更新,建立我國1985高程基準與國際高程基準框架的聯接,構建國家陸海無縫垂直基準體系和服務系統(tǒng)。

(4) 依托全國GNSS基準站網,建設國家大地測量基準智能化服務平臺,實現多源大地測量數據科學管理、共享和融合,發(fā)布坐標、高程、重力和深度基準標準化產品,提供高精度大地測量基準、導航定位及其他增值性服務。

(5) 加強人工智能、量子、光學原子鐘、物聯網和云計算等技術在大地測量方面的研發(fā),拓展大地測量科技在自然資源管理、自然災害防治和氣候變化等方面的應用研究。

致謝：特此向參與“中國大地測量國家報告(2019—2023)”(英文)編寫工作的專家,以及過去4年致力于大地測量科學研究的中國學者表示衷心感謝。