黨亞民1, 蔣濤1
, 楊元喜2,3, 孫和平4,5, 姜衛(wèi)平6, 朱建軍7, 薛樹(shù)強(qiáng)1, 張小紅8, 蔚保國(guó)9, 羅志才10, 李星星8, 肖云2,3, 章傳銀1, 張寶成4, 李子申11, 馮偉12, 任夏2,3, 王虎1
1. 中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院, 北京 100036;
2. 地理信息工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安 710054;
3. 西安測(cè)繪研究所, 陜西 西安 710054;
4. 中國(guó)科學(xué)院精密測(cè)量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院, 湖北 武漢 430071;
5. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049;
6. 武漢大學(xué)衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)研究中心, 湖北 武漢 430079;
7. 中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院, 湖南 長(zhǎng)沙 410083;
8. 武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院, 湖北 武漢 430079;
9. 中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與裝備科技國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 河北 石家莊 050081;
10. 華中科技大學(xué)物理學(xué)院, 湖北 武漢 430074;
11. 中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院, 北京 100094;
12. 中山大學(xué)測(cè)繪科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 廣東 珠海 519082
摘要：2023年7月11日至2023年7月20日, 第28屆國(guó)際大地測(cè)量學(xué)和地球物理學(xué)聯(lián)合會(huì)(The International Union of Geodesy and Geophysics, IUGG)大會(huì)在德國(guó)柏林舉行。按照IUGG傳統(tǒng), 國(guó)際大地測(cè)量協(xié)會(huì)中國(guó)委員會(huì)(CNC-IAG)組織國(guó)內(nèi)十余家單位編寫(xiě)了“中國(guó)大地測(cè)量國(guó)家報(bào)告(2019—2023)”, 分別總結(jié)了2019至2023年4年期間的中國(guó)大地測(cè)量各分支學(xué)科研究進(jìn)展。本文主要?dú)w納和總結(jié)了中國(guó)大地測(cè)量學(xué)科近幾年的整體進(jìn)展, 側(cè)重各領(lǐng)域代表性研究進(jìn)展, 主要內(nèi)容包括基準(zhǔn)框架、綜合PNT與彈性PNT、重力場(chǎng)與垂直基準(zhǔn)、GNSS精密產(chǎn)品、多源傳感器組合導(dǎo)航和海洋大地測(cè)量6個(gè)研究方向。此外, 結(jié)合國(guó)際大地測(cè)量及相關(guān)交叉學(xué)科的發(fā)展趨勢(shì), 對(duì)我國(guó)大地測(cè)量學(xué)科未來(lái)發(fā)展提出了幾點(diǎn)建議。
關(guān)鍵詞：IUGG 基準(zhǔn)框架 PNT 重力場(chǎng) 垂直基準(zhǔn) 導(dǎo)航定位 海洋大地測(cè)量
閱讀全文：http://xb.chinasmp.com/article/2023/1001-1595/20230901.htm
引 言
2019至2023年期間，中國(guó)大地測(cè)量工作者緊盯國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國(guó)防建設(shè)發(fā)展需求，順利完成了多項(xiàng)有影響力的重大工程和研究工作。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)于2021年7月31號(hào)正式向全球用戶(hù)提供定位導(dǎo)航定時(shí)(PNT)服務(wù)和國(guó)際搜救服務(wù)，向國(guó)內(nèi)用戶(hù)提供星基精密單點(diǎn)定位(PPP-B2b)服務(wù)和星基導(dǎo)航增強(qiáng)服務(wù)[1-2]；歷盡艱辛，綜合運(yùn)用多種大地測(cè)量技術(shù)，于2020年12月完成了2020珠峰高程測(cè)量[3]；突破系列衛(wèi)星平臺(tái)和載荷關(guān)鍵技術(shù)，于2021年成功發(fā)射了我國(guó)第一組低-低跟蹤重力測(cè)量衛(wèi)星[4]；于2023年3月成功發(fā)射了我國(guó)第一組低-低伴飛海洋測(cè)高衛(wèi)星[5]；初步實(shí)現(xiàn)了我國(guó)海底大地測(cè)量基準(zhǔn)試驗(yàn)網(wǎng)建設(shè)，研制了成套海底信標(biāo)裝備，突破了海洋大地測(cè)量基準(zhǔn)建設(shè)系列關(guān)鍵技術(shù)[6-8]；毫米級(jí)大地測(cè)量坐標(biāo)基準(zhǔn)建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)取得重要進(jìn)展[9-11]；為了實(shí)現(xiàn)從深空到深海的無(wú)縫PNT服務(wù)，近兩年，我國(guó)綜合PNT論證取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展，彈性PNT已經(jīng)從理論框架逐漸走向了彈性終端研制、彈性觀測(cè)模型構(gòu)建和彈性隨機(jī)模型優(yōu)化研究等，并取得系列研究成果[12-15]；室內(nèi)定位導(dǎo)航、復(fù)雜環(huán)境的定位導(dǎo)航取得豐富的研究成果[16-17]；地球重力場(chǎng)、垂直基準(zhǔn)、非線性地球參考框架建設(shè)相關(guān)理論、大地測(cè)量數(shù)據(jù)處理理論與方法等也取得了有影響力的學(xué)術(shù)產(chǎn)出[18-24]；智能化大地測(cè)量數(shù)據(jù)處理也進(jìn)行了初步嘗試[25-26]。本文重點(diǎn)梳理了近4年我國(guó)大地測(cè)量的主要成就，同時(shí)也為中國(guó)大地測(cè)量未來(lái)發(fā)展重點(diǎn)提出了建議。
高精度地球參考框架(地球基準(zhǔn)框架)作為大地測(cè)量的空間基準(zhǔn)，是國(guó)家重要的基礎(chǔ)設(shè)施。但由于受到與地球物理現(xiàn)象有關(guān)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(jí)水平。因此，精準(zhǔn)刻畫(huà)出基準(zhǔn)站的線性運(yùn)動(dòng)、非線性運(yùn)動(dòng)和地心運(yùn)動(dòng)的真實(shí)軌跡是實(shí)現(xiàn)毫米級(jí)地球參考框架構(gòu)建與維持技術(shù)的關(guān)鍵。需要指出的是，我國(guó)北斗全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，以及系列甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量系統(tǒng)和衛(wèi)星激光測(cè)量站的建設(shè)，使得建立我國(guó)自主可控、高精度的全球/中國(guó)區(qū)域地球參考框架成為可能。我國(guó)區(qū)域框架升級(jí)至全球化的“新跨越”，將會(huì)進(jìn)一步夯實(shí)國(guó)家綜合PNT體系頂層基準(zhǔn)的地基。
1.1 地球參考框架動(dòng)態(tài)維持
研究建立1毫米精度的大地測(cè)量坐標(biāo)基準(zhǔn)框架是當(dāng)前國(guó)際大地測(cè)量學(xué)界的重要挑戰(zhàn)，也是我國(guó)區(qū)域坐標(biāo)框架建設(shè)的目標(biāo)[9]。毫米級(jí)基準(zhǔn)框架的實(shí)現(xiàn)需要對(duì)應(yīng)的毫米級(jí)的動(dòng)態(tài)維持技術(shù)。目前，中國(guó)學(xué)者在框架維持技術(shù)方面?zhèn)戎匮芯苛嘶诰€性速度的線性維持技術(shù)、綜合考慮基準(zhǔn)站非線性運(yùn)動(dòng)和地心運(yùn)動(dòng)的非線性維持技術(shù)等[10, 18]。通過(guò)對(duì)全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)測(cè)站坐標(biāo)非線性變化規(guī)律及其分布與影響機(jī)制研究，表明環(huán)境負(fù)荷和熱膨脹效應(yīng)是造成基準(zhǔn)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(huì)產(chǎn)生一定的影響[27-28]。當(dāng)然，毫米級(jí)動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)框架的維持還有系列科學(xué)和技術(shù)問(wèn)題需要解決，如GNSS處理模型的進(jìn)一步精化、地球物理影響機(jī)制和基準(zhǔn)站坐標(biāo)時(shí)間序列非線性運(yùn)動(dòng)模型精度的耦合效應(yīng)探索、歷元基準(zhǔn)框架的精度與穩(wěn)定性提升技術(shù)等[3]。
1.2 區(qū)域基準(zhǔn)框架維持與垂直形變
高精度區(qū)域坐標(biāo)基準(zhǔn)框架是國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)和大型工程建設(shè)的基礎(chǔ)。目前，我國(guó)北斗全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在構(gòu)建高精度區(qū)域基準(zhǔn)框架中與美國(guó)全球定位系統(tǒng)(GPS)保持同一水平，融合北斗數(shù)據(jù)維持區(qū)域基準(zhǔn)框架，可提升區(qū)域基準(zhǔn)框架可靠性，進(jìn)一步促進(jìn)了GNSS技術(shù)在區(qū)域基準(zhǔn)框架和數(shù)據(jù)服務(wù)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和維護(hù)中的作用，改進(jìn)了區(qū)域參考系維護(hù)的理論和方法[29]?；贕NSS數(shù)據(jù)研究了珠峰區(qū)域塊體模型和三維地殼形變特征[30-31]，結(jié)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(shì)，從而導(dǎo)致地殼隆升速率增大。
1.3 CGCS2000坐標(biāo)框架的更新與維持
2000國(guó)家大地坐標(biāo)系(CGCS2000)及其坐標(biāo)基準(zhǔn)框架的更新、維持與應(yīng)用是大地測(cè)量工作者永恒的課題之一，我國(guó)學(xué)者在中國(guó)大陸水平運(yùn)動(dòng)速度場(chǎng)模型、板塊歐拉矢量運(yùn)動(dòng)模型、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換格網(wǎng)模型構(gòu)建與應(yīng)用方面取得系列成果[32-33]，為中國(guó)動(dòng)態(tài)大地坐標(biāo)框架最優(yōu)實(shí)現(xiàn)提供了理論與算法支撐；將監(jiān)督聚類(lèi)統(tǒng)計(jì)理論應(yīng)用于基準(zhǔn)站的優(yōu)選，同時(shí)提出了大規(guī)模站網(wǎng)的間距分區(qū)法，并用板塊運(yùn)動(dòng)改正實(shí)現(xiàn)CGCS2000參考?xì)v元的坐標(biāo)歸算。在CGCS2000坐標(biāo)系毫米級(jí)精度維持理論中，有學(xué)者提出顧及板塊運(yùn)動(dòng)的坐標(biāo)框架更新方法，首先將站點(diǎn)坐標(biāo)對(duì)準(zhǔn)ITRF，并考慮到板塊的移動(dòng)，將這些坐標(biāo)修正到CGCS2000框架坐標(biāo)中；此外，有多位學(xué)者利用分析中心提供的無(wú)約束平差法方程組合來(lái)估計(jì)區(qū)域控制站精確坐標(biāo)[34]。
1.4 中國(guó)大陸長(zhǎng)期GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù)重新處理
豐富的GNSS數(shù)據(jù)源和顧及大地震同震/震后影響改正的嚴(yán)密數(shù)據(jù)處理，是保證中國(guó)大陸地殼運(yùn)動(dòng)速度場(chǎng)精度和可靠性的基礎(chǔ)性要素。為此，中國(guó)學(xué)者基于更新的Repro3算法模型對(duì)GNSS數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)一重處理，以獲取更為“干凈、可靠”的GNSS坐標(biāo)時(shí)間序列，并結(jié)合中國(guó)大陸大地震歷史記錄，顧及復(fù)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(shí)序模型，并獲取高精度中國(guó)大陸GNSS水平速度場(chǎng)[35]；有學(xué)者總結(jié)了大規(guī)模GNSS網(wǎng)數(shù)據(jù)一體化處理優(yōu)化原則與質(zhì)量評(píng)估方案[36]，提出了基于改進(jìn)周期圖譜法和整體最小二乘理論的非均勻GNSS坐標(biāo)時(shí)間序列分析方法，考慮了觀測(cè)誤差、系數(shù)陣誤差和虛假譜峰的影響[37]，提升了GNSS速度場(chǎng)估計(jì)精度；針對(duì)非線性震后形變模型，采用附加約束非線性規(guī)劃自動(dòng)估計(jì)最優(yōu)地震弛豫時(shí)間，提高了時(shí)序模型的整體精度[38]；此外，有學(xué)者提出了一種基于譜分析和假設(shè)檢驗(yàn)的時(shí)間序列精化模型，可以對(duì)基站運(yùn)動(dòng)軌跡模型的正確性和各解算參數(shù)的顯著性進(jìn)行檢驗(yàn)評(píng)估[39]。
1.5 中國(guó)大陸現(xiàn)今GNSS速度場(chǎng)模型與形變
在精細(xì)化構(gòu)建中國(guó)大陸格網(wǎng)速度場(chǎng)模型過(guò)程中，提出了局部無(wú)縫Delaunay三角網(wǎng)反距離加權(quán)法，該模型不僅考慮了站點(diǎn)距離和方位信息，還能刻畫(huà)出更為精細(xì)的局部特征，同時(shí)克服了邊緣地區(qū)整體三角網(wǎng)跨度過(guò)大以及塊體邊緣三角網(wǎng)不連續(xù)的缺點(diǎn)[40]；為提高中國(guó)大陸區(qū)域水平速度場(chǎng)的精度，并精細(xì)地刻畫(huà)其自身的局部運(yùn)動(dòng)特征，構(gòu)建了基于歐拉矢量模型的中國(guó)大陸省級(jí)塊體相對(duì)運(yùn)動(dòng)模型和部分省內(nèi)子塊體相對(duì)運(yùn)動(dòng)模型，并利用非監(jiān)督聚類(lèi)算法對(duì)地殼運(yùn)動(dòng)復(fù)雜區(qū)域的水平速度場(chǎng)進(jìn)行子塊體劃分[41]。基于插值得到中國(guó)大陸均勻水平格網(wǎng)速度場(chǎng)，分析了中國(guó)大陸平面的應(yīng)變特征，探索了中國(guó)大陸地殼變形的分布特征及其與強(qiáng)震的強(qiáng)相關(guān)關(guān)系[35]；利用改進(jìn)的K-Means++ 聚類(lèi)分析方法將中國(guó)大陸劃分為7個(gè)塊體，結(jié)果表明與現(xiàn)有的地塊劃分成果符合度較高，具有較強(qiáng)的可靠性與可信度[35]。
1.6 北斗地心基準(zhǔn)框架的初步實(shí)現(xiàn)與評(píng)估
當(dāng)前國(guó)際和區(qū)域坐標(biāo)基準(zhǔn)框架主要以GPS觀測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)，將北斗系統(tǒng)融入?yún)^(qū)域大地坐標(biāo)框架維持是中國(guó)大地測(cè)量工作的主要任務(wù)之一。目前，已有學(xué)者利用全球MGEX站北斗觀測(cè)數(shù)據(jù)初步實(shí)現(xiàn)并評(píng)估了新一代利用BDS-3技術(shù)構(gòu)建的全球地心基準(zhǔn)框架(CTRF2020)，其參考?xì)v元為2020年1月1日，主要成果表現(xiàn)形式為一系列框架點(diǎn)與參考?xì)v元的高精度坐標(biāo)和速度[42]。CTRF2020的初步實(shí)現(xiàn)與評(píng)估，為未來(lái)實(shí)現(xiàn)以BDS-3技術(shù)為主、多空間大地測(cè)量技術(shù)為輔的綜合性地球參考框架維持提供參考借鑒。
以GNSS為代表的天基定位、導(dǎo)航和定時(shí)(PNT)技術(shù)極大地改變了PNT信息傳遞與服務(wù)方式，促進(jìn)了全球、全天時(shí)、全天候的PNT基準(zhǔn)統(tǒng)一。然而，天基PNT存在落地信號(hào)弱、易被干擾和遮蔽等問(wèn)題，美、歐等世界強(qiáng)國(guó)(地區(qū))開(kāi)始重視其他PNT手段的發(fā)展，我國(guó)學(xué)者也著手研究更加合理的PNT應(yīng)用和服務(wù)模式，以確保用戶(hù)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(shè)
2016年，中國(guó)學(xué)者率先提出綜合PNT概念，與美國(guó)2010年提出的PNT體系的核心差別是強(qiáng)調(diào)多物理原理構(gòu)建的綜合PNT體系，實(shí)現(xiàn)從深空到深海PNT服務(wù)的無(wú)縫覆蓋。早期的綜合PNT是所有PNT信息源的簡(jiǎn)單集成，但并未對(duì)PNT信息源屬性進(jìn)行精細(xì)劃分。經(jīng)過(guò)不斷的論證，中國(guó)學(xué)者將綜合PNT體系分解成綜合PNT基礎(chǔ)設(shè)施和綜合PNT應(yīng)用體系[12]。其中，綜合PNT基礎(chǔ)設(shè)施主要指經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)和建設(shè)的PNT信息源基礎(chǔ)設(shè)施；綜合PNT應(yīng)用體系則指基于各類(lèi)PNT基礎(chǔ)設(shè)施信源和自然界信源的PNT集成應(yīng)用體系，如綜合利用脈沖星信號(hào)、重力感知、磁力感知、慣導(dǎo)、視覺(jué)、聲學(xué)等PNT信源實(shí)現(xiàn)的PNT應(yīng)用模式。
綜合PNT基礎(chǔ)設(shè)施無(wú)疑是綜合PNT體系建設(shè)的核心和基礎(chǔ)，其建設(shè)應(yīng)當(dāng)在國(guó)家層面進(jìn)行統(tǒng)籌和規(guī)劃，確保資源合理規(guī)劃和利用，并實(shí)現(xiàn)PNT信息源從深空到深海的無(wú)縫覆蓋。綜合PNT基礎(chǔ)設(shè)施包括拉格朗日點(diǎn)導(dǎo)航星座、高軌衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GNSS)、低軌導(dǎo)航增強(qiáng)星座、地基長(zhǎng)波無(wú)線電導(dǎo)航定位系統(tǒng)、地面可用的通信基站網(wǎng)、海面導(dǎo)航定位浮標(biāo)網(wǎng)、海底聲學(xué)導(dǎo)航信標(biāo)網(wǎng)等。目前我國(guó)已有遠(yuǎn)程長(zhǎng)波導(dǎo)航臺(tái)站6個(gè)，還將繼續(xù)優(yōu)化布局，升級(jí)改造，擴(kuò)大覆蓋范圍；通信基站站網(wǎng)布設(shè)廣泛，目前已有超過(guò)480萬(wàn)座通信基站和超過(guò)50萬(wàn)座5G基站，可作為地基PNT服務(wù)的重要增量，中國(guó)移動(dòng)也發(fā)布了全球最大的“5G+北斗”高精度定位平臺(tái)“One Point”，可以提供亞米級(jí)、厘米級(jí)甚至毫米級(jí)定位服務(wù)[43]；地基增強(qiáng)系統(tǒng)建成地面站全國(guó)一張網(wǎng)，可向廣大用戶(hù)提供實(shí)時(shí)米級(jí)、分米級(jí)、厘米級(jí)和事后毫米級(jí)高精度定位和增強(qiáng)服務(wù)；海底大地基準(zhǔn)網(wǎng)建設(shè)和水下導(dǎo)航信標(biāo)裝備研制取得突破，研制了適應(yīng)水下3000 m水深的“喚醒式”水下信標(biāo)裝置，并在南海海域布設(shè)了海底PNT試驗(yàn)信標(biāo)網(wǎng)，可以實(shí)現(xiàn)10 m精度的定位導(dǎo)航服務(wù)[6-7]。
2.2 彈性PNT應(yīng)用模式
綜合PNT基礎(chǔ)設(shè)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(chǔ)設(shè)施信息源、天然PNT信息源和用戶(hù)自感知PNT信息源(如慣性導(dǎo)航、光學(xué)和圖像信息源)，實(shí)現(xiàn)用戶(hù)PNT應(yīng)用的最優(yōu)化，中國(guó)學(xué)者提出了彈性PNT融合應(yīng)用思想。該思想與國(guó)際上其他彈性授時(shí)概念、彈性定位導(dǎo)航概念的核心差別在于，中國(guó)學(xué)者提出的彈性PNT包括：PNT傳感器彈性集成、各類(lèi)PNT感知函數(shù)模型彈性?xún)?yōu)化、隨機(jī)模型彈性調(diào)整和多源信息彈性融合等多源PNT應(yīng)用全過(guò)程的彈性化。
彈性PNT概念自2018年提出后，快速成為研究熱點(diǎn)，學(xué)者們不僅對(duì)彈性PNT內(nèi)涵進(jìn)行了辨析[7, 44]，還針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)景，提出了多種彈性PNT模型，并嘗試將深度學(xué)習(xí)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等智能算法融入PNT數(shù)據(jù)處理[25]。在水下PNT彈性應(yīng)用方面，中國(guó)學(xué)者構(gòu)建了附加周期誤差項(xiàng)和分段多項(xiàng)式相結(jié)合的彈性觀測(cè)模型以補(bǔ)償水聲觀測(cè)系統(tǒng)誤差影響[45-46]，構(gòu)建了隨機(jī)游走噪聲以及抗差估計(jì)相結(jié)合的聲學(xué)隨機(jī)模型[46-47]；在城市PNT彈性應(yīng)用方面，構(gòu)建了觀測(cè)先驗(yàn)置信度與貝葉斯最大似然后驗(yàn)估計(jì)相結(jié)合的觀測(cè)權(quán)重動(dòng)態(tài)更新模型[48]，提出了通過(guò)梯度提升與決策樹(shù)相結(jié)合的慣導(dǎo)誤差補(bǔ)償模型[49]。在室內(nèi)和地下等非暴露空間場(chǎng)景，Wi-Fi、藍(lán)牙、UWB、偽衛(wèi)星等無(wú)線電信號(hào)的彈性融合以及慣導(dǎo)、重磁匹配等自主導(dǎo)航手段的彈性集成取得豐富的研究結(jié)果[16-17]。
近年來(lái)我國(guó)重力衛(wèi)星任務(wù)成功實(shí)施，國(guó)產(chǎn)重力儀研發(fā)工作穩(wěn)步推進(jìn)，建立了多個(gè)超高階重力場(chǎng)模型和純衛(wèi)星重力場(chǎng)模型，參與了國(guó)際大地測(cè)量協(xié)會(huì)(IAG)科羅拉多大地水準(zhǔn)面建模試驗(yàn)，首次在珠峰地區(qū)實(shí)施航空重力測(cè)量并實(shí)現(xiàn)國(guó)際高程參考系統(tǒng)。本節(jié)從重力測(cè)量、靜態(tài)和時(shí)變重力場(chǎng)、海洋重力場(chǎng)、大地水準(zhǔn)面與垂直基準(zhǔn)及重力場(chǎng)理論算法和軟件等方面總結(jié)近年來(lái)地球重力場(chǎng)與垂直基準(zhǔn)領(lǐng)域的研究進(jìn)展。
3.1 重力測(cè)量
我國(guó)建立了一個(gè)由80多個(gè)站點(diǎn)組成的連續(xù)觀測(cè)重力網(wǎng)絡(luò)，重力儀器包括GWR超導(dǎo)重力儀、PET/gPhone、DZW、GS15和TRG-1等各類(lèi)型重力儀，在地球動(dòng)力學(xué)和地球內(nèi)部構(gòu)造研究方面發(fā)揮了重要作用，特別是我國(guó)超導(dǎo)重力觀測(cè)站，與全球40多個(gè)站點(diǎn)一起參與全球地球動(dòng)力學(xué)國(guó)際合作項(xiàng)目，作出了重要貢獻(xiàn)[50]。中國(guó)科學(xué)院精密測(cè)量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院研制的CHZII型?？罩亓x和中國(guó)航天科技集團(tuán)公司研制的SAG系列重力儀正在逐步走向成熟。2018年，向陽(yáng)紅6號(hào)科考船搭載6個(gè)型號(hào)的海洋重力儀(CHZ-Ⅱ、SAG-2M、SGA-WZ、ZL11、俄羅斯GT-2M和美國(guó)LCR)在南海海域開(kāi)展對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，國(guó)產(chǎn)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(cè)院、浙江工業(yè)大學(xué)、中國(guó)船舶重工集團(tuán)有限公司分別開(kāi)展了量子絕對(duì)重力儀的研發(fā)和試驗(yàn)，解決了冷原子絕對(duì)重力儀研制的部分關(guān)鍵問(wèn)題[52-53]。
我國(guó)第一個(gè)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(cè)量模式來(lái)獲取全球重力場(chǎng)及其時(shí)變信息。在軌測(cè)試結(jié)果顯示，衛(wèi)星系統(tǒng)工作狀態(tài)正常，各項(xiàng)指標(biāo)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，顯著提升了我國(guó)衛(wèi)星系統(tǒng)的研制水平和空間微重力測(cè)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(shù)據(jù)反演了60階次時(shí)變地球重力場(chǎng)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(jié)果的RMS差值僅為2 cm，可為大地測(cè)量、地球物理、地震、水資源管理、冰川學(xué)、海洋學(xué)和國(guó)防安全等提供重要數(shù)據(jù)支撐[4]。
3.2 靜態(tài)重力場(chǎng)和時(shí)變重力場(chǎng)
靜態(tài)重力場(chǎng)建模方面，武漢大學(xué)基于橢球諧分析和系數(shù)變換理論，綜合GOCE重力衛(wèi)星、衛(wèi)星測(cè)高海洋重力異常和EGM2008模型陸地重力異常數(shù)據(jù)及衛(wèi)星模型法方程構(gòu)建了2190階重力場(chǎng)模型SGG-UGM-2[19]。中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院采用基于橢球諧系數(shù)的塊對(duì)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(cè)高海洋重力異常數(shù)據(jù)構(gòu)建了2190階重力場(chǎng)模型CASM-EGM2020，應(yīng)用于全球地理信息資源建設(shè)工程。武漢大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、西南石油大學(xué)和廣東工業(yè)大學(xué)分別利用GRACE和GOCE重力衛(wèi)星數(shù)據(jù)建立了純衛(wèi)星重力場(chǎng)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(shí)變重力場(chǎng)研究方面，華中科技大學(xué)基于動(dòng)力法和短弧法混合處理策略[20]，使用GRACE L1B和AOD數(shù)據(jù)，構(gòu)建了月重力場(chǎng)模型序列HUST-Grace2019和HUST-Grace2020。同濟(jì)大學(xué)利用優(yōu)化的短弧法構(gòu)建了GRACE月重力場(chǎng)模型序列Tongji-Grace2018，引入濾波后GRACE質(zhì)量變化估計(jì)作為空間約束，構(gòu)建了月重力場(chǎng)模型序列Tongji-RegGrace2019，應(yīng)用時(shí)無(wú)須再進(jìn)行濾波處理，與GRACE官方Mascon解精度相當(dāng)[54]。武漢大學(xué)分別基于動(dòng)力法和改進(jìn)能量積分法構(gòu)建了月重力場(chǎng)模型序列WHU RL02和WHU-GRACE-GPD01[55]。西南交通大學(xué)采用改進(jìn)參數(shù)化策略解算了月重力場(chǎng)模型序列SWJTU-GRACE-RL02p[56]。西南石油大學(xué)利用動(dòng)力法解算得到展開(kāi)至96階的月重力場(chǎng)模型序列SWPU-GRACE2021[57]。
海洋重力場(chǎng)研究方面，中國(guó)學(xué)者驗(yàn)證了HY-2A/GM數(shù)據(jù)有助于提升海洋重力場(chǎng)反演精度，并聯(lián)合多源衛(wèi)星測(cè)高和海洋測(cè)深數(shù)據(jù)構(gòu)建了全球海洋重力異常數(shù)據(jù)集GMGA1[58]、GMGA2[59]和NSOAS22[60]。新一代寬刈幅干涉測(cè)高衛(wèi)星SWOT能夠以高精度和高分辨率進(jìn)行大范圍的海面高度測(cè)量，SWOT單周期和多周期數(shù)據(jù)模擬結(jié)果表明，重力場(chǎng)反演精度和分辨率優(yōu)于傳統(tǒng)測(cè)高衛(wèi)星組合[61-62]。利用SARAL/Altika等多源衛(wèi)星數(shù)據(jù)建立了南中國(guó)海1′×1′海洋重力異常模型SCSGA V1.0[63]。利用多源衛(wèi)星測(cè)高數(shù)據(jù)解算得到全球重力異常Grav_Alti_WHU，聯(lián)合船測(cè)水深數(shù)據(jù)構(gòu)建了全球海底地形模型BAT_WHU2020[64]。
3.3 大地水準(zhǔn)面與垂直基準(zhǔn)
中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院參與國(guó)際大地測(cè)量協(xié)會(huì)(IAG)科羅拉多大地水準(zhǔn)面建模試驗(yàn)，利用譜組合方法聯(lián)合衛(wèi)星、地面和航空重力數(shù)據(jù)構(gòu)建了大地水準(zhǔn)面模型，模型相對(duì)于GNSS水準(zhǔn)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差為3 cm[21, 65-66]；在2020珠峰高程測(cè)量中，首次開(kāi)展珠峰地區(qū)航空重力測(cè)量和峰頂?shù)孛嬷亓y(cè)量，聯(lián)合地面和航空重力數(shù)據(jù)建立了精度為3.8 cm的珠峰重力似大地水準(zhǔn)面，首次在珠峰地區(qū)實(shí)現(xiàn)國(guó)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(lián)合GNSS站網(wǎng)和地表質(zhì)量負(fù)荷數(shù)據(jù)的區(qū)域高程基準(zhǔn)框架維持方法。武漢大學(xué)聯(lián)合超高階重力場(chǎng)模型與中國(guó)GNSS水準(zhǔn)數(shù)據(jù)，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(guó)1985國(guó)家高程基準(zhǔn)與全球高程基準(zhǔn)之間的垂直偏差[68]。自然資源部大地測(cè)量數(shù)據(jù)處理中心分析了全國(guó)一等水準(zhǔn)點(diǎn)高程近20年的變化[23]，綜合利用國(guó)家一等水準(zhǔn)網(wǎng)、國(guó)家GNSS大地控制網(wǎng)等數(shù)據(jù)建立了中國(guó)大陸垂直運(yùn)動(dòng)模型[24]。自然資源部第一海洋研究所聯(lián)合利用長(zhǎng)期驗(yàn)潮站、衛(wèi)星測(cè)高等多源數(shù)據(jù)，在山東沿海等海域?qū)崿F(xiàn)了CGCS2000和1985國(guó)家高程基準(zhǔn)向海域延伸及陸海垂直基準(zhǔn)之間的相互轉(zhuǎn)換[69]。
3.4 重力場(chǎng)理論算法和軟件
中國(guó)學(xué)者開(kāi)展了一系列重力場(chǎng)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(wèn)題[70]；研究了基于雙向衛(wèi)星時(shí)頻傳遞光學(xué)原子鐘比對(duì)觀測(cè)的重力位測(cè)定方法[71]；提出了基于六邊形網(wǎng)格剖分的全球重力場(chǎng)結(jié)構(gòu)，推導(dǎo)了對(duì)應(yīng)的球諧分析和綜合算法公式[72-73]；推導(dǎo)了殘余地形模型(RTM)大地水準(zhǔn)面高的調(diào)和改正公式[74]；提出了等角格網(wǎng)和高斯格網(wǎng)的球諧分析算法[75]；提出了一種適用于補(bǔ)償各類(lèi)?？罩亓x動(dòng)態(tài)效應(yīng)剩余影響的通用模型，推導(dǎo)了計(jì)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(bǔ)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(chǎng)逼近與大地水準(zhǔn)面計(jì)算系統(tǒng)PAGravf和地球潮汐負(fù)荷效應(yīng)與形變監(jiān)測(cè)計(jì)算系統(tǒng)ETideLoad[78]。
GNSS高精度服務(wù)通常利用全球廣泛分布的參考網(wǎng)數(shù)據(jù)生成衛(wèi)星軌道和鐘差等精密產(chǎn)品，并將其應(yīng)用于精密定位等諸多領(lǐng)域。本節(jié)介紹了武漢大學(xué)IGS分析中心與數(shù)據(jù)中心的發(fā)展現(xiàn)狀，歸納了GNSS非差非組合數(shù)據(jù)理論與應(yīng)用的研究進(jìn)展，總結(jié)了精密電離層建模與應(yīng)用的近期成果，討論了當(dāng)前廣域?qū)崟r(shí)精密定位的技術(shù)水平。
4.1 武漢大學(xué)IGS分析中心與數(shù)據(jù)中心建設(shè)
武漢大學(xué)IGS分析中心和數(shù)據(jù)中心近年來(lái)為中國(guó)和全球用戶(hù)提供了更加豐富、精密的GNSS數(shù)據(jù)和產(chǎn)品。自2019年起，武漢大學(xué)IGS分析中心開(kāi)始提供包括我國(guó)北斗在內(nèi)的多系統(tǒng)GNSS最終產(chǎn)品，涵蓋衛(wèi)星軌道、鐘差和地球自轉(zhuǎn)參數(shù)等產(chǎn)品。自2022年起，武漢大學(xué)最終產(chǎn)品生成采納了ITRF2020框架并考慮了IGS第三次重處理意見(jiàn)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了非差模糊度固定以提升軌道和鐘差產(chǎn)品精度[79]。除了對(duì)數(shù)據(jù)處理配置的改變，數(shù)據(jù)處理模型也得到了提升，尤其是針對(duì)我國(guó)北斗系統(tǒng)，建立了增強(qiáng)的拓展CODE軌道模型[80]，校準(zhǔn)了衛(wèi)星天線相位中心偏差和變化，考慮了不同類(lèi)型衛(wèi)星的姿態(tài)控制模式[81]。此外，武漢大學(xué)分析中心還提供全球電離層產(chǎn)品[82]，并于2020年底開(kāi)始發(fā)布實(shí)時(shí)電離層產(chǎn)品[83]。武漢大學(xué)分析中心自加入IGS實(shí)時(shí)工作組以來(lái)，建立了實(shí)時(shí)衛(wèi)星鐘差濾波模型[84]，為GLONASS實(shí)時(shí)鐘差估計(jì)提供了頻間偏差產(chǎn)品[85]，提供了快速衛(wèi)星相位偏差產(chǎn)品并開(kāi)源了PRIDE PPP-AR軟件[86]。此外，武漢大學(xué)還通過(guò)絕對(duì)天線校正提供天線相位中心改正產(chǎn)品。上述所有數(shù)據(jù)和產(chǎn)品均可從武漢大學(xué)IGS分析中心和數(shù)據(jù)中心獲取(http://www.igs.gnsswhu.cn/)。
4.2 GNSS非差非組合數(shù)據(jù)處理理論與應(yīng)用
在當(dāng)前多頻多模GNSS背景下，非差非組合數(shù)據(jù)處理優(yōu)勢(shì)明顯，逐步成為了主流數(shù)據(jù)處理方法。中國(guó)學(xué)者近年來(lái)在GNSS非差非組合數(shù)據(jù)處理理論與應(yīng)用方面取得了豐富的研究成果，主要包括以PPP技術(shù)為代表的單測(cè)站數(shù)據(jù)處理和以PPP-RTK技術(shù)為代表的多測(cè)站數(shù)據(jù)處理。PPP技術(shù)利用外部軌道和鐘差等產(chǎn)品處理單測(cè)站GNSS數(shù)據(jù)以獲取高精度位置信息。中國(guó)學(xué)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(jī)類(lèi)型兼容的數(shù)據(jù)處理能力[88]。此外，打破了傳統(tǒng)PPP模型的接收機(jī)碼偏差時(shí)不變假設(shè)，建立了顧及接收機(jī)碼偏差變化的改進(jìn)PPP模型[89]。除衛(wèi)星軌道和鐘差外，PPP-RTK技術(shù)進(jìn)一步為用戶(hù)提供衛(wèi)星相位偏差和大氣產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)快速精密定位。近年來(lái)，為克服北斗二號(hào)多路徑效應(yīng)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(shí)現(xiàn)GLONASS PPP-RTK，提出了頻分多址整數(shù)可估PPP-RTK模型[91]，構(gòu)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(shù)據(jù)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(quán)區(qū)域PPP-RTK模型[93]，可提高模型強(qiáng)度并提升產(chǎn)品估值精度。為實(shí)現(xiàn)廣域多測(cè)站非差非組合數(shù)據(jù)處理，提出了全視PPP-RTK模型[94]和分布式數(shù)據(jù)處理方法[95]，降低了模型復(fù)雜度且提升了數(shù)據(jù)處理效率。
4.3 精密電離層建模與應(yīng)用
電離層是空間大氣的重要組成部分之一。近年來(lái)，眾多中國(guó)學(xué)者致力于精密電離層建模與應(yīng)用，取得了豐碩成果，主要包括：北斗電離層改正模型、實(shí)時(shí)電離層監(jiān)測(cè)與建模、低軌增強(qiáng)GNSS的電離層建模、基于人工智能的電離層預(yù)測(cè)、電離層擾動(dòng)監(jiān)測(cè)和消除，以及電離層精密產(chǎn)品有關(guān)應(yīng)用等。北斗三號(hào)電離層改正模型利用球諧展開(kāi)描述全球垂直電離層分布，向用戶(hù)播發(fā)9個(gè)模型參數(shù)，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(cè)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(guó)學(xué)者近年來(lái)利用仿真LEO數(shù)據(jù)和中國(guó)風(fēng)云等實(shí)測(cè)LEO數(shù)據(jù)建立了增強(qiáng)電離層模型[98-99]，并探索了利用GNSS、LEO、衛(wèi)星測(cè)高和電離層掩星等多源數(shù)據(jù)進(jìn)一步提升電離層建模精度的方法[100]。機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)也成功應(yīng)用于電離層預(yù)測(cè)并取得系列成果[101-102]。電離層擾動(dòng)會(huì)對(duì)用戶(hù)定位帶來(lái)不利影響，我國(guó)建立了多個(gè)電離層擾動(dòng)監(jiān)測(cè)網(wǎng)，如中國(guó)地殼運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)、空間環(huán)境地基綜合監(jiān)測(cè)網(wǎng)(子午工程二期)和BDSMART空間大氣監(jiān)測(cè)網(wǎng)等，其電離層監(jiān)測(cè)成果將被廣泛用于衛(wèi)星導(dǎo)航、民用航空、空間天氣和太陽(yáng)活動(dòng)等諸多行業(yè)和科學(xué)研究領(lǐng)域。
4.4 廣域?qū)崟r(shí)精密定位
精密位置是GNSS確定的核心參數(shù)之一，同時(shí)也是眾多其他大地測(cè)量參數(shù)解算的基礎(chǔ)。近年來(lái)，GNSS精密位置服務(wù)逐步由區(qū)域拓展至廣域，由事后發(fā)展至實(shí)時(shí)。眾多中國(guó)學(xué)者針對(duì)廣域?qū)崟r(shí)精密定位在定軌、鐘差估計(jì)、模糊度固定、大氣建模和系統(tǒng)建設(shè)等方面開(kāi)展了豐富的研究。為實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)精密定軌，濾波數(shù)據(jù)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(diǎn)模糊度估計(jì)[104]。為提升實(shí)時(shí)鐘差估計(jì)計(jì)算效率和精度，基于QR分解的信息濾波[105]、基于自適應(yīng)調(diào)整的Kalman濾波已得到成功應(yīng)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(chǎn)品[107]，并拓展至每個(gè)頻率、每種類(lèi)型的衛(wèi)星相位偏差產(chǎn)品[108]。也有學(xué)者嘗試了利用人工智能進(jìn)行大氣延遲修正，提高了大氣建模精度和可靠性[14, 109]。廣域?qū)崟r(shí)精密定位服務(wù)系統(tǒng)日漸完善，如北斗系統(tǒng)的BDSBAS和PPP-B2b公開(kāi)服務(wù)[1-2]，以及千尋、六分和中國(guó)移動(dòng)等商業(yè)公司的廣域?qū)崟r(shí)高精度定位服務(wù)?？紤]到GNSS信號(hào)的脆弱性，近期研究初步驗(yàn)證了低軌衛(wèi)星增強(qiáng)GNSS高精度定位的能力[110]。隨著未來(lái)成百上千低軌衛(wèi)星的發(fā)射，將實(shí)現(xiàn)更加快速可靠的廣域?qū)崟r(shí)精密定位服務(wù)。
近年來(lái)，以數(shù)字化、智能化為特征的新技術(shù)已經(jīng)滲透到全場(chǎng)景、實(shí)時(shí)、高精度定位服務(wù)的各個(gè)領(lǐng)域。在各類(lèi)環(huán)境感知智能設(shè)備、路徑規(guī)劃、行為決策等方面已經(jīng)取得階段性成果。為了解決復(fù)雜場(chǎng)景下單一定位技術(shù)的固有局限性，基于異構(gòu)傳感器相互融合的多源傳感器組合導(dǎo)航技術(shù)已成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)之一，取得了一系列創(chuàng)新成果。本節(jié)側(cè)重從多源傳感器組合導(dǎo)航模型和方法、平臺(tái)和軟件、數(shù)據(jù)集等方面梳理組合導(dǎo)航的重要進(jìn)展。
5.1 組合導(dǎo)航模型和方法
GNSS/INS組合導(dǎo)航技術(shù)是目前應(yīng)用最為廣泛的組合導(dǎo)航技術(shù)之一。近年來(lái)，中國(guó)學(xué)者在組合算法的初始對(duì)準(zhǔn)，信息融合及運(yùn)動(dòng)學(xué)約束等方面取得顯著突破。在初始對(duì)準(zhǔn)方面，提出了GNSS觀測(cè)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(shí)現(xiàn)了面向低成本MEMS IMU組合系統(tǒng)的航向角快速初始化技術(shù)[111-114]。在GNSS觀測(cè)信息融合方面，利用慣導(dǎo)設(shè)備短時(shí)間遞推精度較高的特點(diǎn)，輔助GNSS數(shù)據(jù)預(yù)處理與模糊度固定，提高GNSS信號(hào)失所時(shí)的定位精度[115-117]。在信息融合方式上，擴(kuò)展卡爾曼濾波、無(wú)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(xué)者們針對(duì)車(chē)輛運(yùn)動(dòng)特性，將非完整約束(non-holonomic constraint, NHC)、里程計(jì)信息與GNSS/INS組合算法相結(jié)合，提升了GNSS信號(hào)中斷時(shí)的導(dǎo)航精度[120-122]。
當(dāng)GNSS信號(hào)長(zhǎng)時(shí)間或頻繁受遮擋時(shí)，如何抑制GNSS/INS組合算法誤差累積是需要解決的首要問(wèn)題。視覺(jué)傳感器以其更高精度和更低成本的優(yōu)勢(shì)成為當(dāng)前GNSS/INS組合算法的最佳補(bǔ)充。中國(guó)學(xué)者在基于特征的視覺(jué)導(dǎo)航算法方面做了系統(tǒng)研究，其特征可分為基于點(diǎn)、線、面的自然特征和基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(jié)果與視覺(jué)慣性組合解算結(jié)果間進(jìn)行的融合[125-127]，而緊組合主要指GNSS偽距和相位觀測(cè)、IMU觀測(cè)和視覺(jué)特征基于原始觀測(cè)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(jìn)而獲得更為精確的定位結(jié)果。視覺(jué)傳感器高度依賴(lài)紋理特征，從而對(duì)環(huán)境光照和紋理提出了更高要求，相比之下激光雷達(dá)作為距離傳感器其主要依賴(lài)空間結(jié)構(gòu)特征，可以同視覺(jué)傳感器實(shí)現(xiàn)良好互補(bǔ)。中國(guó)學(xué)者提出了DRANSAC-RAIM與多普勒最近點(diǎn)迭代算法，實(shí)現(xiàn)了城市環(huán)境下GNSS/INS/LiDAR組合快速初始化[129]；以擴(kuò)展卡爾曼濾波為基礎(chǔ)，利用雷達(dá)點(diǎn)云的平面與邊緣特征點(diǎn)實(shí)現(xiàn)GNSS/INS/Vision/LiDAR的緊組合實(shí)時(shí)解算，為GNSS受限環(huán)境提供了亞米級(jí)導(dǎo)航定位服務(wù)[130]。除了實(shí)時(shí)傳感器觀測(cè)之外，高精地圖中的車(chē)道信息也是智能車(chē)輛實(shí)現(xiàn)高精度定位的常用選擇，與激光雷達(dá)云點(diǎn)地圖或柵格地圖不同，它的保存和處理更加輕便。中國(guó)學(xué)者以眾包車(chē)輛所采集的車(chē)道信息為基礎(chǔ)，利用空間聚類(lèi)與逐步擬合算法生成高精地圖車(chē)道信息。通過(guò)車(chē)載視覺(jué)與高精地圖間的車(chē)道線匹配，實(shí)現(xiàn)車(chē)道橫向與垂向優(yōu)于10 cm的位置校正[131-133]。
類(lèi)腦導(dǎo)航作為多源融合智能導(dǎo)航領(lǐng)域的前沿課題，同樣引起了學(xué)者們的廣泛關(guān)注。這種方法以人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，利用不同的神經(jīng)機(jī)制對(duì)空間進(jìn)行感知與表征，實(shí)現(xiàn)對(duì)導(dǎo)航細(xì)胞的功能和結(jié)構(gòu)的建模。借助于新型神經(jīng)形態(tài)傳感器和計(jì)算芯片的快速發(fā)展，類(lèi)腦導(dǎo)航研究能夠開(kāi)發(fā)出具有類(lèi)腦性能、甚至超越大腦導(dǎo)航能力的新型仿生智能導(dǎo)航技術(shù)。該技術(shù)為克服傳統(tǒng)導(dǎo)航技術(shù)在智能性、穩(wěn)健性、適應(yīng)性和能源效率等方面的局限性提供了一條有前景的技術(shù)路線。目前中國(guó)學(xué)者致力于開(kāi)發(fā)導(dǎo)航細(xì)胞的計(jì)算模型[26, 134-135]、路徑整合[136-138]與地圖構(gòu)建[139-140]，構(gòu)建了類(lèi)腦導(dǎo)航相關(guān)的神經(jīng)機(jī)制和導(dǎo)航解算的基礎(chǔ)體系。
5.2 平臺(tái)和軟件
近年來(lái)，除在多源傳感器組合導(dǎo)航模型和方法方面取得顯著進(jìn)展外，我國(guó)學(xué)者在平臺(tái)和軟件開(kāi)發(fā)方面也取得了重大突破。武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院GREAT團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了衛(wèi)星大地測(cè)量與多源導(dǎo)航GREAT軟硬件平臺(tái)。平臺(tái)硬件支持GNSS、IMU、LiDAR、工業(yè)相機(jī)等傳感器彈性配置，采用自研的時(shí)間同步技術(shù)實(shí)現(xiàn)微秒級(jí)硬件時(shí)間同步，平臺(tái)軟件兼容Window/Linux平臺(tái)，支持基于濾波與因子圖的GNSS/INS組合、視覺(jué)慣性組合、GNSS/Visual/IMU/LiDAR組合等常見(jiàn)的多源傳感器組合算法，能夠提供整套多頻、多系統(tǒng)的GNSS后處理和實(shí)時(shí)產(chǎn)品，具備全場(chǎng)景、全天候高精度位置服務(wù)能力[141]。武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院PLANET團(tuán)隊(duì)自主設(shè)計(jì)了多傳感器融合平臺(tái)SmartPNT-mate和SmartPNT-mini。該平臺(tái)集成了GNSS、IMU、里程計(jì)、相機(jī)、LiDAR以及高精度時(shí)間同步板卡和嵌入式人工智能計(jì)算機(jī)。此外，還開(kāi)發(fā)了基于擴(kuò)展卡爾曼濾波和圖優(yōu)化算法的GNSS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)開(kāi)源平臺(tái)，該平臺(tái)旨在為相關(guān)研究者開(kāi)發(fā)和完善GNSS/INS組合定位算法提供通用化、模塊化、且易于擴(kuò)展的研究基礎(chǔ)框架。上海交通大學(xué)開(kāi)發(fā)了S-Cube軟硬件平臺(tái)，該平臺(tái)主要面向SLAM算法的開(kāi)發(fā)和測(cè)試，搭載了GNSS接收機(jī)、工業(yè)相機(jī)、高精度慣性傳感器和LiDAR等多種傳感器。平臺(tái)所有傳感器均采用自主研發(fā)的硬件同步方法，可以實(shí)現(xiàn)不同傳感器間毫秒級(jí)時(shí)間延遲。此外，該平臺(tái)還支持全景相機(jī)等其他傳感器的接入。
多傳感器融合導(dǎo)航技術(shù)應(yīng)用前景廣闊，涵蓋交通、農(nóng)業(yè)、城建等傳統(tǒng)領(lǐng)域以及自動(dòng)駕駛、無(wú)人機(jī)、智能機(jī)器人等新興領(lǐng)域，必將促進(jìn)工業(yè)制造2025、數(shù)字孿生、智慧城市的快速發(fā)展，推動(dòng)全球一體化PNT在GNSS遮擋條件下的連續(xù)定位、導(dǎo)航和授時(shí)服務(wù)性能，實(shí)現(xiàn)更加泛在化、融合化、智能化的一體化時(shí)空系統(tǒng)和智能定位服務(wù)。
海洋占地球總面積的71%，加強(qiáng)海洋大地測(cè)量學(xué)科建設(shè)和海洋大地測(cè)量基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)是我國(guó)大地測(cè)量的重要任務(wù)之一[5]。近年來(lái)，中國(guó)在海洋衛(wèi)星大地測(cè)量和海底大地測(cè)量觀測(cè)技術(shù)方面均取得重要突破，海洋大地測(cè)量觀測(cè)模型和算法研究也取得重大進(jìn)展[5, 142-147]。
6.1 海洋衛(wèi)星測(cè)高和重力測(cè)量
精確測(cè)繪海面地形、測(cè)定海洋重力場(chǎng)、確定大地水準(zhǔn)面、反演海底地形等是海洋衛(wèi)星大地測(cè)量的重要內(nèi)容，也是近年來(lái)我國(guó)航天測(cè)繪的重要任務(wù)[143]。2023年，我國(guó)發(fā)射了低-低跟蹤海洋測(cè)高衛(wèi)星(同軌跟飛，相距30 km，軌道高度約900 km)，主要用于開(kāi)展海洋重力異常測(cè)量，為海洋大地水準(zhǔn)面精化和海底地形反演提供天基觀測(cè)手段。該衛(wèi)星通過(guò)測(cè)定衛(wèi)星到海面的距離，進(jìn)而測(cè)定海面高和全球海域格網(wǎng)重力異常。該衛(wèi)星還創(chuàng)新性地搭載了星載GNSS-R測(cè)高儀[5]，用于實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)激光測(cè)高和驗(yàn)潮觀測(cè)的多機(jī)理互補(bǔ)海面高觀測(cè)，也提升了土壤和海洋環(huán)境參數(shù)反演能力[148-149]。近年來(lái)，我國(guó)也在開(kāi)展激光多波束測(cè)高衛(wèi)星研制，該衛(wèi)星對(duì)于解決海岸帶困難區(qū)域以及遠(yuǎn)海海底地形精確測(cè)繪具有重要現(xiàn)實(shí)意義[5]。我國(guó)還通過(guò)多個(gè)國(guó)家重大工程，實(shí)施了海洋重力測(cè)量，為國(guó)家新一代重力基準(zhǔn)、高程基準(zhǔn)及南海重力場(chǎng)精化奠定了觀測(cè)基礎(chǔ)，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(chǎng)模型，對(duì)應(yīng)區(qū)域的海底地形反演相對(duì)精度優(yōu)于5%。
近年來(lái)，我國(guó)多型?？罩亓x已經(jīng)走出實(shí)驗(yàn)室，開(kāi)展了大量比測(cè)試驗(yàn)，技術(shù)和精度水平大幅提升，例如國(guó)產(chǎn)ZL11-1重力儀與國(guó)外LCR和GT-2M重力儀比測(cè)表明，基于慣性穩(wěn)定平臺(tái)的ZL11-1A海洋重力儀性能已經(jīng)達(dá)到俄羅斯GT-2M同等水平，超過(guò)美國(guó)雙軸穩(wěn)定平臺(tái)LCR重力儀[150]。
6.2 海底大地測(cè)量
科學(xué)家統(tǒng)計(jì)，人類(lèi)目前對(duì)大海的探索僅有5%[151]，因此，海洋觀測(cè)就成為人類(lèi)認(rèn)識(shí)海洋不可或缺的技術(shù)手段。海洋科學(xué)具有多學(xué)科綜合交叉的特點(diǎn)，屬于學(xué)科交叉的前沿，其研究領(lǐng)域主要集中在海洋物質(zhì)能量循環(huán)、跨圈層流固耦合等方面，而海底大地測(cè)量在地殼構(gòu)造運(yùn)動(dòng)及海洋、大氣與固體地球多圈層耦合及其復(fù)雜動(dòng)力學(xué)過(guò)程研究中具有重大支撐作用。“十三五”期間，我國(guó)在國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目的支持下開(kāi)啟了海底大地測(cè)量基準(zhǔn)研究，在南海3000 m深海建立了我國(guó)首個(gè)海底基準(zhǔn)與導(dǎo)航定位試驗(yàn)網(wǎng)[142]，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)海底基準(zhǔn)站技術(shù)裝備“0到1”的突破，使我國(guó)首次具備了深?；鶞?zhǔn)觀測(cè)能力。2021年，我國(guó)又研發(fā)了海底短基線多換能器海底基準(zhǔn)站，并在南海開(kāi)展了深海試驗(yàn)驗(yàn)證工作[152]，該基準(zhǔn)站不僅可以提高海底基準(zhǔn)定位精度，也有望實(shí)現(xiàn)單站布設(shè)條件下的短基線導(dǎo)航。2023年，我國(guó)又開(kāi)展了多頻多模聲吶海底基準(zhǔn)站信標(biāo)研制工作，并在南海開(kāi)展了長(zhǎng)距離導(dǎo)航定位試驗(yàn)。
雖然我國(guó)近年來(lái)在海底大地測(cè)量裝備、海底大地基準(zhǔn)試驗(yàn)網(wǎng)建設(shè)以及導(dǎo)航定位服務(wù)方面取得了長(zhǎng)足發(fā)展，但與美國(guó)長(zhǎng)達(dá)半個(gè)世紀(jì)、日本近30年的技術(shù)積累與迭代[153]相比，我國(guó)海底大地測(cè)量尚處起步階段，海底基準(zhǔn)站長(zhǎng)期工作能力有限，尚未發(fā)展海底基準(zhǔn)低成本、無(wú)人化觀測(cè)維護(hù)裝備[5]，建議抓住國(guó)家綜合時(shí)空體系建設(shè)機(jī)遇，進(jìn)一步加大海底大地基準(zhǔn)科技研發(fā)和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)力度，進(jìn)一步縮短我國(guó)與美國(guó)、日本等海洋強(qiáng)國(guó)在海底大地測(cè)量領(lǐng)域的差距。
6.3 海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)處理
在海洋控制網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方面，提出了海面-海底控制網(wǎng)雙對(duì)稱(chēng)設(shè)計(jì)原理[142]，研究了測(cè)量船軌跡對(duì)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(xué)定位和導(dǎo)航的關(guān)鍵參數(shù)，國(guó)內(nèi)學(xué)者提出利用反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法構(gòu)建基于空間位置、溫度和鹽度信息的海洋聲速場(chǎng)[155]，并提出了聲速場(chǎng)參數(shù)增強(qiáng)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(cè)的海底定位精度只能達(dá)到米級(jí)，特別是聲速場(chǎng)的時(shí)空變化對(duì)高程定位影響尤為明顯，為此，國(guó)內(nèi)學(xué)者發(fā)展了顧及時(shí)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(shí)變聲速影響B(tài)樣條補(bǔ)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(jì)算效率低，且需要考慮主動(dòng)式聲吶收發(fā)位置的差異，為此國(guó)內(nèi)學(xué)者提出了雙程傳播時(shí)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(shù)聲吶觀測(cè)模型[15]。海底主動(dòng)式雙程觀測(cè)系統(tǒng)除了涉及橢球交會(huì)定位原理外[5, 163]，還面臨精確的GNSS-聲吶換能器臂長(zhǎng)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(yàn)臂長(zhǎng)參數(shù)以及先驗(yàn)控制點(diǎn)精度約束的海底控制參數(shù)貝葉斯估計(jì)模型[166]，以及更為精準(zhǔn)的海底聲吶觀測(cè)隨機(jī)模型[167]。監(jiān)測(cè)海底構(gòu)造運(yùn)動(dòng)是海底大地測(cè)量的重要任務(wù)，國(guó)內(nèi)學(xué)者發(fā)展了鄰近基準(zhǔn)站時(shí)序聯(lián)合分析模型[168]。需要指出，隨著海底觀測(cè)無(wú)人化技術(shù)的不斷進(jìn)步(包括無(wú)人機(jī)、AUV、浮標(biāo)等)，未來(lái)海洋大地控制網(wǎng)數(shù)據(jù)處理還面臨實(shí)時(shí)網(wǎng)解技術(shù)以及無(wú)聲速剖面測(cè)量條件下的高精度定位模型構(gòu)建等問(wèn)題[169]。
近年來(lái)，我國(guó)大地測(cè)量在北斗導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)、國(guó)產(chǎn)重力衛(wèi)星、北斗GNSS基準(zhǔn)站網(wǎng)及位置服務(wù)等方面取得了顯著進(jìn)步，但也應(yīng)清醒地認(rèn)識(shí)到，我國(guó)大地測(cè)量在基礎(chǔ)理論原始創(chuàng)新、觀測(cè)系統(tǒng)建設(shè)、基準(zhǔn)框架更新維持、數(shù)據(jù)開(kāi)放共享、標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品及應(yīng)用服務(wù)等方面與國(guó)際先進(jìn)水平還存在較大差距。例如，我國(guó)CGCS2000坐標(biāo)基準(zhǔn)框架是基于20多年前的ITRF97框架(2000歷元)實(shí)現(xiàn)的；2001年發(fā)布的國(guó)家似大地水準(zhǔn)面模型CQG2000，已逾20年未更新；全國(guó)驗(yàn)潮站觀測(cè)資源缺乏統(tǒng)籌管理和利用，尚未在國(guó)家層面開(kāi)展陸海無(wú)縫垂直基準(zhǔn)體系建立和維持；大地測(cè)量重基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、輕應(yīng)用服務(wù)拓展，數(shù)據(jù)產(chǎn)品社會(huì)化應(yīng)用服務(wù)能力不足、服務(wù)范圍窄；投入大量資金建設(shè)的大地測(cè)量基礎(chǔ)設(shè)施和數(shù)據(jù)資源，無(wú)法實(shí)現(xiàn)開(kāi)放共享，處于“冬眠”期，且“蘇醒”期未知，嚴(yán)重制約大地測(cè)量對(duì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)發(fā)展的基礎(chǔ)性支撐作用，這已成為大地測(cè)量科技和行業(yè)發(fā)展的瓶頸問(wèn)題。
針對(duì)以上現(xiàn)狀和問(wèn)題，結(jié)合國(guó)際大地測(cè)量及其相關(guān)交叉學(xué)科領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)，提出以下促進(jìn)我國(guó)大地測(cè)量高質(zhì)量發(fā)展的建議：
(1) 以我國(guó)大地測(cè)量基礎(chǔ)設(shè)施為核心，兼顧全球大地測(cè)量基礎(chǔ)設(shè)施，構(gòu)建中國(guó)大地測(cè)量觀測(cè)系統(tǒng)(CGOS)，為社會(huì)提供公益型大地測(cè)量基準(zhǔn)、高精度導(dǎo)航定位、自然資源監(jiān)測(cè)管理和地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)等應(yīng)用服務(wù)。
(2) 基于國(guó)際地球參考框架ITRF2020建立我國(guó)新一代的地心坐標(biāo)基準(zhǔn)框架，為社會(huì)提供自主、開(kāi)放、高精度坐標(biāo)基準(zhǔn)框架服務(wù)。
(3) 建立新一代國(guó)家似大地水準(zhǔn)面模型，定義國(guó)家數(shù)字高程基準(zhǔn)并定期更新，建立我國(guó)1985高程基準(zhǔn)與國(guó)際高程基準(zhǔn)框架的聯(lián)接，構(gòu)建國(guó)家陸海無(wú)縫垂直基準(zhǔn)體系和服務(wù)系統(tǒng)。
(4) 依托全國(guó)GNSS基準(zhǔn)站網(wǎng)，建設(shè)國(guó)家大地測(cè)量基準(zhǔn)智能化服務(wù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)多源大地測(cè)量數(shù)據(jù)科學(xué)管理、共享和融合，發(fā)布坐標(biāo)、高程、重力和深度基準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品，提供高精度大地測(cè)量基準(zhǔn)、導(dǎo)航定位及其他增值性服務(wù)。
(5) 加強(qiáng)人工智能、量子、光學(xué)原子鐘、物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算等技術(shù)在大地測(cè)量方面的研發(fā)，拓展大地測(cè)量科技在自然資源管理、自然災(zāi)害防治和氣候變化等方面的應(yīng)用研究。
特此向參與“中國(guó)大地測(cè)量國(guó)家報(bào)告(2019—2023)”(英文)編寫(xiě)工作的專(zhuān)家，以及過(guò)去4年致力于大地測(cè)量科學(xué)研究的中國(guó)學(xué)者表示衷心感謝。
作者簡(jiǎn)介 第一作者簡(jiǎn)介：黨亞民(1965—)，博士，研究員，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)榇蟮販y(cè)量基準(zhǔn)、GNSS精密定位和地球動(dòng)力學(xué)。E-mail: dangym@casm.ac.cn
通信作者：蔣濤, E-mail: jiangtao@casm.ac.cn
第一作者簡(jiǎn)介：黨亞民(1965—)，博士，研究員，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)榇蟮販y(cè)量基準(zhǔn)、GNSS精密定位和地球動(dòng)力學(xué)。E-mail: dangym@casm.ac.cn
通信作者：蔣濤, E-mail: jiangtao@casm.ac.cn
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