联合GRACE/GOCE重力场模型和GPS/水准数据确定我国85高程基准重力位

GRACE、GOCE卫星重力计划的实施,对确定高精度重力场模型具有重要贡献。联合GRACE、GOCE卫星数据建立的重力场模型和我国均匀分布的649个GPS/水准数据可以确定我国高程基准重力位,但我国高程基准对应的参考面为似大地水准面,是非等位面,将似大地水准面转化为大地水准面后确定的大地水准面重力位为62 636 854.395 3m~2s~(-2),为提高高阶项对确定大地水准面的贡献,利用高分辨率重力场模型EGM2008扩展GRACE/GOCE模型至2190阶,同时将重力场模型和GPS/水准数据统一到同一参考框架和潮汐系统,最后利用扩展后的模型确定的我国大地水准面重力位为62 636 852.751 8m~2s~(-2)。其中组合模型TIM_R4+EGM2008确定的我国85高程基准重力位值62 636 852.704 5m~2s~(-2)精度最高。重力场模型截断误差对确定我国大地水准面的影响约16cm,潮汐系统影响约4~6cm。     

国际高程参考系统在珠峰地区的实现

2020珠峰高程测量,首次确定并发布了基于国际高程参考系统(IHRS)的珠峰正高。在珠峰地区实现国际高程参考系统,采用的方案是建立珠峰区域高精度重力大地水准面。利用地球重力场谱组合理论和基于数据驱动的谱权确定方法,测试优选参考重力场模型及其截断阶数和球冠积分半径等关键参数,联合航空和地面重力等数据建立了珠峰区域重力似大地水准面模型,61点高精度GNSS水准高程异常检核表明,模型精度达3.8 cm,加入航空重力数据后模型精度提升幅度达51.3%。提出顾及高差改正的峰顶高程异常内插方法,采用顾及地形质量影响的高程异常——大地水准面差距转换改正严密公式,使用峰顶实测地面重力数据,基于国际高程参考系统定义的重力位值W₀和GRS80参考椭球,最终确定了国际高程参考系统中的高精度珠峰峰顶大地水准面差距。     

区域与全球高程基准差异的确定

全球高程基准统一是继全球大地测量坐标系及其参考基准统一之后,大地测量学科面临和亟待解决的一个重要问题,也是全球空间信息共享与交换的基础。本文针对区域高程基准与全球高程基准间基准差异确定的理论、方法及实际问题开展研究。利用物理大地测量高程系统的经典理论方法,给出了高程基准差异的定义,并推导了计算基准差异的严密公式,该公式可将高程基准差异确定的现有3种方法统一起来。在此基础上,分析顾及了不同椭球参数对于计算基准差异的影响及量级,同时,高程异常差法还需考虑全球高程基准重力位与模型计算大地水准面位值不一致引起的零阶项改正。利用青岛原点附近152个GPS水准点数据,分别选择GRS80、WGS-84、CGCS2000参考椭球以及EGM2008、EIGEN-6C4、SGG-UGM-1模型,采用位差法和高程异常差法,确定了我国1985高程基准与全球高程基准的差异。其中,EIGEN-6C4模型计算的我国高程基准与WGS-84参考椭球正常重力位U0定义的全球高程基准之间的差异约为-23.1cm。也就是说,我国高程基准低于采用WGS-84参考椭球正常重力位U0定义的全球高程基准,当选取基于平均海面确定的Gauss-Listing大地水准面作为全球高程基准时,我国1985高程基准高于全球基准约21.0cm。从计算结果还可看出,当前重力场模型在青岛周边不同GPS/水准点的精度差别依然较大,这会导致选择不同数据对确定我国85国家高程基准与全球基准之间的差异影响较大,因此,若要实现厘米级精度区域高程基准与全球高程基准的统一,全球重力场模型的精度和可靠性还需要进一步提高。     

利用大地边值问题方法统一全球高程基准

为解决世界各国高程基准差异的问题,提出联合卫星重力场模型、地面重力数据、GNSS大地高、局部高程基准的正高或正常高,按大地边值问题法确定局部高程基准重力位差的方法。首先推导了利用传统地面"有偏"重力异常确定高程基准重力位差的方法;接着利用改化Stokes核函数削弱"有偏"重力异常的影响,并联合卫星重力场模型和地面"有偏"重力数据,得到独立于任何局部高程基准的重力水准面,以此来确定局部高程基准重力位差;最后利用GNSS+水准数据和重力大地水准面确定了美国高程基准与全球高程基准W₀的重力位差为-4.82±0.05 m²s^-2。     

1985国家高程基准相对于大地水准面的垂直偏差

局部高程基准通常由一个 (或多个 )验潮站所测的当地平均海面确定。由于海面地形的客观存在 ,人们已经认识到当地平均海面与大地水准面的差异可能达 2m之多。为了获得这一垂直偏差 ,很有必要确定当地平均海面和全球大地水准面上的重力位值。提出了利用全球重力场模型和GPS/水准资料计算局部高程基准相对全球大地水准面垂直偏差的 2种不同方法。我国目前采用的 1 985国家高程基准 ,由青岛验潮站所处黄海平均海面 1 95 2～ 1 979年的验潮记录计算得到。利用全球重力场模型和分布全国大陆范围的GPS/水准数据 ,计算了 1 985高程基准与大地水准面的垂直偏差。结果表明 1 985国家高程基准点的重力位值为( 62 63685 3.40± 0 .1 3)m2 s- 2 ,这比重力位W0 =( 62 63685 6.0± 0 .5 )m2 s- 2 隐含的大地水准面高 ( 0 .2 6± 0 .0 5 )m。     

国家高程基准与全球高程基准之间的垂直偏差

利用不同重力场模型（EIGEN-6C4、EGM2008）和海面高模型（DNSC08、DTU10、DTU13）确定了全球平均海面重力位均值62 636 856.550 7 m²s^-2,加入海面地形改正后得到全球大地水准面重力位均值62 636 858.179 0 m²s^-2。联合EGM2008模型与全国均匀分布的649个GPS/水准数据,根据异常位法、正常高反算法以及高程异常差法,分别计算了我国1985高程基准与全球高程基准之间的垂直偏差,并对3种垂直偏差结果通过加权方法进行了改善。最后,利用两种方法对垂直偏差结果的合理性与正确性进行验证。结果表明我国高程基准面高于全球平均海面0.298 0 m,高于全球大地水准面0.464 2 m。     

全球高程系统的统一问题

讨论了建立全球统一高程系统的若干基本问题,包括正常高的几何定义和重力定义,区域水准测量高程系统的全球统一问题以及大地水准面位W_0的确定。结果表明:(1)几何水准高程和重力定义的正常高存在差别,由GNSS/重力得到的正常高并不等于几何水准给出的正常高,而要加上一与高程有关的改正项,并且在山区这一改正不可忽略;(2)由GNSS/重力/区域几何水准融合可以给出一个相对的全球统一高程系统,而要得到绝对的统一系统,还须知道大地水准面的位W_0;(3)现代大地测量技术可以以一定精度求出W_0,但它是时变的,因此只能定义出某个历元的全球绝对统一高程系统。     

完善大地坐标框架和地球重力场时变测量的进展--2005年国际大地测量协会(IAG)科学大会札记

国际大地测量协会(IAG)科学大会于2005年8月22～26日在澳大利亚凯恩斯(Cairns)召开.会议名称为"动力行星2005"(Dynamic Planet 2005).着重介绍会议在有关完善全球和地区性大地坐标参考框架、卫星重力测量在确定地球重力场时空分辨率方面、建立和完善全球大地测量观测系统(GGOS)等方面学术报告的内容.     

1985国家高程基准与全球似大地水准面在广东地区的垂直偏差

利用重力位差原理,采用广东地区201个GPS水准点计算该地区1985国家高程基准与全球似大地水准面之间的垂直偏差。结果表明,该地区1985国家高程基准验潮站的重力位最或然值为62 636 852.842 m2/s2,垂直偏差的最或然值为32.3 cm,可为该地区实施跨海高程传递提供参考。     

P22 大地测量学

CH20023004 1985国家高程基准相对于大地水准面的垂直偏差/焦文海,魏子卿,马欣,孙中苗,李迎春∥测绘学报.—2002,31(3).—196～200 提出利用全球重力场模型和GPS/水准资料计算局部高程基准相对全球大地水准面垂直偏差的2种不同方法。我国目前采用的1985国家高程基准,由青岛验潮站所处黄海平均海面1952—1979年的验潮记录计算得到。利用全球重力场模型和分布全国大陆范围的GPS/水准数据,计算了1985高程基准与大地水准面的垂直偏差。结果表明:1985国家高程基准点的重力位值为(62636853.40±0.13)m~2s~(-1),这比重力位W_0=(62636856.0±0.5)m~2s~(-2)隐含的大地水准面高(0.26±0.05)m。图1表2参5 CH20023005 全国高分辨率格网地形和均衡改正的确定/郭春喜,王惠民,王斌(国家测绘局大地测量数据处理中心)…∥测绘学报.—2002,31(3).—201～205     

格尔木市高精度数字高程基准模型研究

大地水准面（数字高程基准）为国家高程基准的建立与维持提供了全新的思路。然而，受限于地形、重力数据等原因，高原地区高精度数字高程基准模型的建立一直是大地测量领域的难题。本文以格尔木地区为例，探讨了高原地区高精度数字高程基准模型的建立方法。首先，基于重力和地形数据，由第二类Helmert凝集法计算了格尔木重力似大地水准面。在计算中，考虑到高原地形对大地水准面模型的影响，采用了7.5″×7.5″分辨率和高精度的地形数据来恢复大地水准面短波部分的方法，以提高似大地水准面的精度。然后，利用球冠谐调和分析方法将GNSS水准与重力似大地水准面联合，建立了格尔木高精度数字高程基准模型。与实测的67个高精度GNSS水准资料比较，重力似大地水准面的外符合精度为3.0 cm，数字高程基准模型的内符合精度为2.0 cm。     

2020珠峰测量与高程确定

为实现中国和尼泊尔共同宣布珠峰高程,我国于2019—2020年开展了珠峰高程测量工作,并于2020年5月27日完成峰顶测量。首次在珠峰北侧区域实施航空重力测量、开展峰顶地面重力测量,首次联合航空和地面重力等数据确定了基于国际高程参考系统(international height reference system,IHRS)的珠峰区域重力似大地水准面模型和峰顶大地水准面差距。此次珠峰测量,各种先进测量装备尤其是国产测量仪器全面担纲,通过多种技术手段相互验证和严密检核计算,确保了珠峰高程测量成果的精度和可靠性。最后,中尼双方合作开展数据处理,共同确定珠峰峰顶雪面正高(海拔高)为8848.86 m。     

GGOS和大地测量技术进展

在2005年8月澳大利亚凯恩斯(Cairns)国际大地测量协会(IAG)科学大会上,全球大地测量观测系统(GlobalGeodeticObservingSystem,简为GGOS)作为这次科学大会一个重要议题成为一个热点问题,也成为未来大地测量学科进展的一个风向标。本文较为全面地介绍了GGOS的背景、目标、任务和科学原理等,结合GGOS在全球动力系统观测中的应用构想,说明了GGOS与其他地球观测系统越来越紧密的联系和相互促进的发展趋势。除此之外,本文还简要介绍了这次科学大会其他领域如大地坐标框架和卫星重力等领域的最新进展。     

2005珠峰高程测定

2005年我国对珠穆朗玛峰高程进行了新的测定,为此在珠峰及其邻近地区开展了大规模的大地测量数据获取和数据处理工作。相对于1975年珠峰测高,2005年在珠峰以北地区的地面控制和珠峰高程测定中采用了GPS技术,采用了雷达探测技术测定珠峰峰顶冰雪覆盖层的深度,利用地球重力场模型、重力和数字地形数据、以及GPS水准等资料,精化珠峰地区的大地水准面,提高了测量珠峰高程和探测峰顶冰雪覆盖层深度的精度和可靠性。由此测得珠峰峰顶雪面正常高为8 846.67 M,珠峰峰顶雪面正高(海拔高)为8 847.93 M,珠峰峰顶岩面正高为8 844.43 M,珠峰峰顶相应点的冰雪层厚度为3.50 M。     

论高精度卫星重力场模型和厘米级区域大地水准面的确定及水文学时变重力效应

阐述了联全新一代卫星重力测量数据、卫星测高数据及全球陆地重力数据确定高精度180阶全球重力场模型、以全球重力场模型为框架参考场、利用我国地面重力数据、GPS水准资料、数值高程模型和地形密度信息确定高分辨率cm级区域大地水准面的思想。指出了一个重点发展方向:利用GRACE卫星每30天的重力位模型分析时变重力场,联系合卫星测高同时相平均海面以及水文、气候和海洋模型,分析我国黄河流域和海洋地区水储量分布和海流季节性变化,并解释与气候要素变化的相关性。     

Minimization and estimation of geoid undulation errors

The objective of this paper is to minimize the geoid undulation errors by focusing on the contribution of the global geopotential model and regional gravity anomalies, and to estimate the accuracy of the predicted gravimetric geoid.The geopotential model's contribution is improved by (a) tailoring it using the regional gravity anomalies and (b) introducing a weighting function to the geopotential coefficients. The tailoring and the weighting function reduced the difference (1) between the geopotential model and the GPS/levelling-derived geoid undulations in British Columbia by about 55% and more than 10%, respectively.Geoid undulations computed in an area of 40° by 120° by Stokes' integral with different kernel functions are analyzed. The use of the approximated kernels results in about 25 cm () and 190 cm (maximum) geoid errors. As compared with the geoid derived by GPS/levelling, the gravimetric geoid gives relative differences of about 0.3 to 1.4 ppm in flat areas, and 1 to 2.5 ppm in mountainous areas for distances of 30 to 200 km, while the absolute difference (1) is about 5 cm and 20 cm, respectively.A optimal Wiener filter is introduced for filtering of the gravity anomaly noise, and the performance is investigated by numerical examples. The internal accuracy of the gravimetric geoid is studied by propagating the errors of the gravity anomalies and the geopotential coefficients into the geoid undulations. Numerical computations indicate that the propagated geoid errors can reasonably reflect the differences between the gravimetric and GPS/levelling-derived geoid undulations in flat areas, such as Alberta, and is over optimistic in the Rocky Mountains of British Columbia.Paper presented at the IAG General Meeting, Beijing, China, August 8–13, 1993.     

23届IUGG大会有关大地测量的最新进展

第23届国际大地测量与地球物理联合会综合性学术大会于2003年6月30日至7月11日在日本扎幌举行.介绍了这次大会中有关大地测量的最新发展.主要内容有国家和地区地心参考框架的建设与维护、地球重力场与大地水准面的精密测定、GPS及其应用、大地测量的基本理论与方法、地球动力学研究以及国际大地测量学会通过的新决议.     

The height datum problem and the role of satellite gravity models

Regional height systems do not refer to a common equipotential surface, such as the geoid. They are usually referred to the mean sea level at a reference tide gauge. As mean sea level varies (by ±1 to 2 m) from place to place and from continent to continent each tide gauge has an unknown bias with respect to a common reference surface, whose determination is what the height datum problem is concerned with. This paper deals with this problem, in connection to the availability of satellite gravity missions data. Since biased heights enter into the computation of terrestrial gravity anomalies, which in turn are used for geoid determination, the biases enter as secondary or indirect effect also in such a geoid model. In contrast to terrestrial gravity anomalies, gravity and geoid models derived from satellite gravity missions, and in particular GRACE and GOCE, do not suffer from those inconsistencies. Those models can be regarded as unbiased. After a review of the mathematical formulation of the problem, the paper examines two alternative approaches to its solution. The first one compares the gravity potential coefficients in the range of degrees from 100 to 200 of an unbiased gravity field from GOCE with those of the combined model EGM2008, that in this range is affected by the height biases. This first proposal yields a solution too inaccurate to be useful. The second approach compares height anomalies derived from GNSS ellipsoidal heights and biased normal heights, with anomalies derived from an anomalous potential which combines a satellite-only model up to degree 200 and a high-resolution global model above 200. The point is to show that in this last combination the indirect effects of the height biases are negligible. To this aim, an error budget analysis is performed. The biases of the high frequency part are proved to be irrelevant, so that an accuracy of 5 cm per individual GNSS station is found. This seems to be a promising practical method to solve the problem.