测绘工程中的大地测量基准与卫星导航定位技术

测绘工程中的大地测量基准与卫星导航定位技术

曾海洋

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摘要：在现代测绘工程中，大地测量基准与卫星导航定位技术扮演着至关重要的角色。大地测量基准，作为测量地球形状和大小、确定地理坐标的基础，为全球定位系统（GPS）和其他卫星导航系统提供了必要的参考框架。卫星导航定位技术，尤其是GPS，因其高精度、实时性及全球覆盖的特点，已经成为测绘、交通、通信等领域不可或缺的工具。本文将深入探讨这两者在测绘工程中的应用与融合，以及它们如何推动行业的进步和发展。

关键词：测绘工程；大地测量基准；卫星导航定位

一、大地测量基准简介

大地测量基准，如同测绘工程的基石，是确保全球各地测量数据可比性和一致性的关键体系。它为地球表面的点位、方向、尺度提供了参照，是构建和维护全球及区域坐标系统的基础。这些坐标系统对于精确的导航、地质勘查、城市规划、工程建设乃至环境监测等众多领域都至关重要。

在测绘工程中，大地测量基准包括了平面基准、高程基准和时间基准三部分。平面基准主要规定了地球表面水平面的定义，以及用于确定地面点的经度和纬度；高程基准则定义了地面点相对于某一特定水准面的高度，如国际重力水准面或平均海水面；时间基准则规定了测量活动所采用的时间标准，确保所有测量数据在时间上的同步性。

平面基准通常由全球定位系统（GPS）和其他空间大地测量技术提供，如北斗BDS等卫星导航系统，这些系统通过卫星的精确位置和时间信息，可以计算出地面接收器的三维坐标。我国的北斗系统不仅具有全球定位能力，还具备区域高精度定位功能，这在构建我国独立的大地测量基准中发挥了重要作用。

高程基准的建立则依赖于水准测量、重力场模型和卫星重力测量等多种手段。水准测量通过地面的水准路线，直接测量了两点之间的高差，结合重力模型可以推算出海拔高度。近年来，我国已建立起覆盖全国的连续重力观测网络，并成功发射了重力卫星，这些都对我国高程基准的现代化和精确化起到了决定性作用。

时间基准通常采用原子时或协调世界时（UTC），这些时间系统通过原子钟的精确计时来定义时间标准，确保不同地点的测量数据可以按照同一时间基准进行同步处理。

在实际应用中，大地测量基准的稳定性、一致性和精度对于测量结果的可靠性至关重要。例如，在2020年的珠峰高程测量中，我国首次将北斗系统作为主要定位手段，结合多种大地测量技术，实现了对珠峰高度的高精度测量，这不仅体现了我国大地测量基准体系的成熟，也展示了其在应对高难度测量任务时的强大能力。

大地测量基准作为测绘工程的基石，其定义、构建和维护对于确保测量数据的准确性和一致性具有决定性影响。随着我国卫星导航定位技术的不断发展，我国的大地测量基准体系正向着更高精度、更自主可控的方向迈进，为我国的经济发展和科技进步提供了强有力的支撑。

二、卫星导航定位技术详解

卫星导航定位技术是现代测绘工程中的核心技术，其中最知名的系统包括美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧洲的Galileo以及中国的BeiDou。这些系统通过在全球范围内布设多颗卫星，构建起一个三维定位网络，为用户提供精确的位置、速度和时间信息。本文将深入解析这些主流卫星导航系统的工作原理与特点。

1.GPS：全球定位系统

GPS是全球定位系统的英文缩写，由美国国防部运营，自1995年全面运行以来，已经成为全球最广泛使用的卫星导航系统。GPS卫星星座由24颗工作卫星和额外的4颗备用卫星组成，分布在6个倾角为55度的轨道平面上。GPS信号传输包括了卫星位置信息、时间信息以及信号发射的伪随机码（PRN码），接收器通过解析这些信息，计算出接收点到每个卫星的距离，再利用三球定位原理确定接收器的三维位置。

2.GLONASS：全球导航卫星系统

GLONASS是俄罗斯开发的全球卫星导航系统，与GPS类似，它也采用了全球覆盖的卫星星座。GLONASS星座包含24颗卫星，分布在3个倾角为64.8度的轨道平面上。GLONASS系统采用与GPS不同的频率和编码方式，这使得接收器可以同时接收到GPS和GLONASS的信号，实现多系统接收，从而提高定位精度和可靠性。

3.Galileo：伽利略导航系统

Galileo是欧洲联盟主导的卫星导航系统，其目标是提供全球覆盖、独立于其他系统的服务。Galileo星座由30颗卫星组成，其中包括3颗备用卫星，分布在3个倾角为29.5度的轨道平面上。Galileo系统创新地使用了L1、L2和E1三个频率，并且添加了一个额外的S频段，以支持搜索和救援服务。其先进的信号结构设计不仅增强了抗干扰能力，还提高了定位精度。

4.BeiDou：北斗卫星导航系统

中国的北斗系统，作为全球卫星导航系统的重要成员，具有覆盖全球的定位、导航和授时能力。北斗系统采用独特的混合星座设计，包括地球静止轨道、倾斜地球同步轨道和中圆地球轨道的卫星，共计35颗卫星。北斗不仅提供全球服务，还特别强化了亚太地区的定位性能。此外，北斗系统引入了短报文通信功能，可以在没有通信网络覆盖的地区实现信息传递，这是其他主流系统所不具备的特性。

三、大地测量基准与卫星导航定位技术的融合应用

随着科技的进步和测绘需求的提升，大地测量基准与卫星导航定位技术的融合应用成为现代测绘工程的新趋势。这种结合不仅增强了测量的精度，也提高了工作效率，尤其在面对复杂环境和高精度要求的任务时，融合应用的优势更为明显。

在构建高精度区域基准框架的过程中，卫星导航定位技术如GPS和北斗系统提供了关键的定位信息。这些系统通过多颗卫星的信号接收，计算出接收点的精确三维坐标，同时，它们的时间基准确保了测量数据的时间一致性。然而，卫星信号在城市峡谷、室内环境或水下等特殊场合可能会受到遮挡或多路径效应影响，此时，大地测量基准中的水准测量、重力场测量等技术可以作为补充，提供可靠的辅助信息，确保测量结果的可靠性。

例如，在2020年珠峰高程测量中，北斗系统作为主要定位手段，结合GNSS测量、水准测量和三角高程测量等多技术手段，得以在极端环境下实现对珠峰高度的高精度测量。这种多技术融合的方式，既利用了卫星导航系统的全球覆盖能力，又通过地面测量技术校正了可能的误差源，实现了测量数据的综合优化。

多源传感器组合导航技术是大地测量基准与卫星导航定位技术融合的另一个重要领域。GNSS/INS（惯性导航系统）组合导航便是其中的典型应用。通过集成卫星定位信息与惯性传感器提供的连续运动信息，可在卫星信号暂时中断时维持较高的定位精度，同时，利用惯性传感器的短时高精度特性，可以辅助GNSS数据处理，提升定位的稳定性和鲁棒性。例如，中国学者开发的GNSS观测辅助的载体多历元速度优化算法和GNSS与INS轨迹一致性匹配技术，正是在低成本的组合系统中实现了快速而准确的初始对准。

大地测量基准与卫星导航定位技术的融合，通过互补优势、优化数据融合算法，以及创新技术设备的开发，不断推动测绘工程向更高精度、更广泛应用迈进。这种融合应用将在未来的卫星导航系统升级、海洋探测、城市精细化管理等领域发挥关键作用，为国家的经济发展和科技进步提供更为坚实的技术保障。

结束语：大地测量基准与卫星导航定位技术的结合，极大地提升了测绘工程的效率和精度。随着科技的不断进步，我们期待未来的测绘工程能够充分利用这些技术，实现更精确、更快速的数据获取和处理，为城市建设、自然资源管理、环境保护等提供更为有力的支持。同时，对于这些技术的深入研究和创新，也将继续引领测绘科学的前沿，为人类社会的发展绘制更加精确的地理蓝图。

参考文献：

[1]霍东亚. 水文测站多种高程基准之间的转换分析[J]. 山东水利, 2024, (09): 14-16.

[2]解加粉, 孙如瑶, 陈建忠, 丁仕军, 侯立媛, 刘元. 一种区域高程基准动态监测方法——以山东省为例[J]. 大地测量与地球动力学, 1-9.

[3]廖超明, 张奇, 刘洪, 李德, 吴杰鹏, 陈霖. 北海市数字三维大地测量基准建设与应用服务[J]. 南宁师范大学学报(自然科学版), 2024, 41 (02): 154-158.