國家現(xiàn)代測繪基準(zhǔn)建設(shè)與服務(wù)

張 鵬，武軍酈，孫占義

（國家基礎(chǔ)地理信息中心，北京 100830）

0 引 言

測繪基準(zhǔn)主要包括大地基準(zhǔn)、高程基準(zhǔn)和重力基準(zhǔn)，是進(jìn)行各種測量工作的起算數(shù)據(jù)和起算面，新中國建立以來，測繪基準(zhǔn)在經(jīng)濟建設(shè)、社會發(fā)展和國防建設(shè)等方面發(fā)揮了重要作用。2003年國家測繪局、總參測繪局和中國地震局通過整合全國范圍2 518個GPS控制點和30個連續(xù)運行基準(zhǔn)站形成了“2000國家GPS大地控制網(wǎng)”，同時對原有的國家天文大地網(wǎng)進(jìn)行了兩網(wǎng)聯(lián)合平差處理，最終建立了“2000國家大地坐標(biāo)系”，并于2008年7月發(fā)布使用[1]。我國高程基準(zhǔn)目前采用1985國家高程基準(zhǔn)。高程控制網(wǎng)分別在1976～1984年和1981～1988年、1991～1998年,進(jìn)行了3次國家高等級水準(zhǔn)網(wǎng)建設(shè)與觀測，包括一等水準(zhǔn)100個環(huán)，共計9.3×104km，以及二等水準(zhǔn)路線13.6×104km[2-3]。我國現(xiàn)行的重力基準(zhǔn)由“2000國家重力基本網(wǎng)”實現(xiàn)，由21個基準(zhǔn)點、126個基本點和112個引點構(gòu)成，精度優(yōu)于±10×10-8ms-2[4]。

歷經(jīng)幾十年的發(fā)展，我國現(xiàn)行的測繪基準(zhǔn)基礎(chǔ)設(shè)施陳舊和損毀嚴(yán)重、技術(shù)體系不完善的現(xiàn)實，破壞了測繪基準(zhǔn)體系的完整性，降低了測繪基準(zhǔn)的服務(wù)能力和成果的可用性，不能滿足現(xiàn)代應(yīng)用的需求。主要表現(xiàn)在：我國現(xiàn)行的坐標(biāo)系統(tǒng)維持能力欠缺，未能徹底擺脫傳統(tǒng)靜態(tài)坐標(biāo)系統(tǒng)的模式，科學(xué)性亟待提高；高程基準(zhǔn)成果現(xiàn)勢性弱，屬性成果維持難度比較大，同時高程系統(tǒng)局部和靜態(tài)特點也不適應(yīng)現(xiàn)代社會發(fā)展的需要，與國際高程基準(zhǔn)的接軌以及動態(tài)維持成為難點；重力基本網(wǎng)的密度不夠均勻，服務(wù)能力不足。因此，迫切需要開展現(xiàn)代基準(zhǔn)工程建設(shè)，建立高精度、地心、動態(tài)、統(tǒng)一的現(xiàn)代測繪基準(zhǔn)體系，這對于提高我國測繪地理信息保障服務(wù)能力、滿足經(jīng)濟社會發(fā)展需求等具有重要意義[5-8]。

1 國家現(xiàn)代測繪基準(zhǔn)體系基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)工程

國家現(xiàn)代測繪基準(zhǔn)體系基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)工程于2012年啟動，2017年5月通過了驗收。工程利用現(xiàn)代測繪空間信息技術(shù)，建設(shè)了一套地基穩(wěn)定、分布合理、利于長期保存的全新測繪基準(zhǔn)基礎(chǔ)設(shè)施，更新了現(xiàn)有測繪基準(zhǔn)成果，形成了一系列技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，這些成果陸續(xù)在國家、省級基準(zhǔn)服務(wù)以及行業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。相對傳統(tǒng)測繪基準(zhǔn)，實現(xiàn)了國家大地坐標(biāo)系統(tǒng)地心化，滿足衛(wèi)星導(dǎo)航坐標(biāo)系與我國地圖坐標(biāo)系的一致性；實現(xiàn)坐標(biāo)系統(tǒng)動態(tài)更新，具備更加精確和客觀描述地球自轉(zhuǎn)運動科學(xué)規(guī)律的能力；統(tǒng)一空間幾何屬性與物理屬性，建立基準(zhǔn)之間相互依存的聯(lián)系；具備了測繪基準(zhǔn)大規(guī)模數(shù)據(jù)科學(xué)運算、處理分析、存儲備份的能力，初步形成了全國范圍實時米級/分米級精度的廣域差分定位能力[9]。

基準(zhǔn)工程具體完成了以下5個方面內(nèi)容：

（1）國家GNSS連續(xù)運行基準(zhǔn)站網(wǎng)。完成210座國家衛(wèi)星導(dǎo)航定位基準(zhǔn)站建設(shè)（其中新建150座，改造60座），利用已有基準(zhǔn)站150座，構(gòu)成全國360座規(guī)模的衛(wèi)星導(dǎo)航定位基準(zhǔn)站網(wǎng)，形成國家大地基準(zhǔn)框架的主體，可獲得高精度、穩(wěn)定、連續(xù)的觀測數(shù)據(jù)，維持國家三維地心坐標(biāo)框架，同時具備提供站點的精確三維坐標(biāo)變化信息、實時定位和導(dǎo)航信息及高精度連續(xù)時頻信號等的能力。

（2）國家GNSS大地控制網(wǎng)。建設(shè)完成2503座GNSS大地控制點，利用2000座，總規(guī)模4503座，作為國家GNSS衛(wèi)星導(dǎo)航定位基準(zhǔn)站的加密與補充，形成全國統(tǒng)一、高精度、分布合理、密度相對均勻的大地控制網(wǎng)，用于維持我國大地基準(zhǔn)和大地坐標(biāo)系統(tǒng)。

（3）國家高程控制網(wǎng)。建設(shè)完成26 327點規(guī)模的國家一等水準(zhǔn)網(wǎng)（新埋設(shè)7 227點），全網(wǎng)路線長度12.56×104km。全網(wǎng)包含148個環(huán)，246個結(jié)點，431條水準(zhǔn)路線。建立了全國統(tǒng)一、高精度、分布合理、密度相對均勻的國家高程控制網(wǎng)，改善局部薄弱地區(qū)的高程基準(zhǔn)穩(wěn)定性，并獲取到高精度水準(zhǔn)觀測數(shù)據(jù)，全面升級和完善了我國高程基準(zhǔn)基礎(chǔ)設(shè)施，更新了我國高程基準(zhǔn)成果。

（4）國家重力基準(zhǔn)點。在國家已有絕對重力點分布的基礎(chǔ)上，選擇50座新建衛(wèi)星導(dǎo)航定位基準(zhǔn)站，進(jìn)行絕對重力屬性測定，屬性測定結(jié)果優(yōu)于設(shè)計指標(biāo)。實現(xiàn)每300 km有一個絕對重力基準(zhǔn)點，改善國家重力基準(zhǔn)的圖形結(jié)構(gòu)和控制精度，形成分布合理、利于長期保存的國家重力基準(zhǔn)的基礎(chǔ)設(shè)施。

（5）國家現(xiàn)代測繪基準(zhǔn)管理服務(wù)系統(tǒng)。建設(shè)了由數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)處理分析、共享服務(wù)及全國衛(wèi)星導(dǎo)航定位服務(wù)4個業(yè)務(wù)子系統(tǒng)組成的國家現(xiàn)代測繪基準(zhǔn)數(shù)據(jù)中心，具備先進(jìn)的現(xiàn)代測繪基準(zhǔn)數(shù)據(jù)管理、處理分析和共享服務(wù)功能，有效提升和拓展了現(xiàn)代測繪基準(zhǔn)成果應(yīng)用服務(wù)的能力和服務(wù)范圍。

2 基準(zhǔn)工程特點

基準(zhǔn)工程取得了一批高水平的創(chuàng)新成果。工程構(gòu)建了新的生產(chǎn)工藝流程，建成了全國范圍基準(zhǔn)站網(wǎng)、大地控制網(wǎng)、高程控制網(wǎng)三網(wǎng)深度融合的現(xiàn)代測繪基準(zhǔn)設(shè)施，形成了高精度、三維、動態(tài)以及幾何和物理基準(zhǔn)融合統(tǒng)一的我國現(xiàn)代測繪基準(zhǔn)體系。具有如下特點：

（1）規(guī)模大?；鶞?zhǔn)工程是迄今為止全國規(guī)模最大的綜合測繪基準(zhǔn)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)工程。全國范圍內(nèi)（除港澳臺外）一次性完成12.56×104km一等水準(zhǔn)路線布設(shè)與觀測，是我國最高等級、最高精度的高程控制網(wǎng)；2503座規(guī)模的大地控制網(wǎng)和360座規(guī)模的衛(wèi)星導(dǎo)航定位基準(zhǔn)站網(wǎng)建設(shè)，兼容BDS、GPS、GLONASS、GALILEO四系統(tǒng)，也是全球最大規(guī)模的綜合地面觀測設(shè)施。

（2）精度高?；鶞?zhǔn)工程建設(shè)的是我國最高等級的國家平面、高程和重力控制網(wǎng)，施工的技術(shù)要求和精度指標(biāo)在所有的大地測量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范中是最高的。其中，衛(wèi)星導(dǎo)航定位基準(zhǔn)站、大地控制點的絕對地心坐標(biāo)精度達(dá)到毫米級；國家一等水準(zhǔn)網(wǎng)全中誤差優(yōu)于1mm/km；重力基準(zhǔn)點觀測精度優(yōu)于5微伽。國家測繪基準(zhǔn)服務(wù)管理系統(tǒng)具備每天處理600個以上衛(wèi)星導(dǎo)航定位基準(zhǔn)站觀測數(shù)據(jù)的能力，處理精度和技術(shù)性能達(dá)到國際先進(jìn)水平。

（3）設(shè)計新?；鶞?zhǔn)工程首次將平面、高程、重力基準(zhǔn)一體化理念融入布網(wǎng)設(shè)計，在3個方面實現(xiàn)了三網(wǎng)融合。其中，設(shè)計了一體化的新型測量標(biāo)石，既是GNSS大地控制點、也是水準(zhǔn)點，同時又可作為重力控制點，實現(xiàn)了測量標(biāo)志基準(zhǔn)屬性的融合；綜合考慮了GNSS大地控制網(wǎng)與國家一等水準(zhǔn)網(wǎng)布設(shè)的點位位置和相互關(guān)系，盡可能將GNSS大地控制點納入一等水準(zhǔn)路線中，在全國范圍形成大量的同期建設(shè)的GNSS大地控制點和水準(zhǔn)點共用點，為我國厘米級（似）大地水準(zhǔn)面建立提供了基礎(chǔ)保障；在衛(wèi)星導(dǎo)航定位基準(zhǔn)站上并置重力基準(zhǔn)點，建立平面基準(zhǔn)與重力基準(zhǔn)的聯(lián)系。工程產(chǎn)出成果與其他工程建設(shè)成果進(jìn)行聯(lián)合處理，建立了陸地與海域測繪基準(zhǔn)的聯(lián)系。

（4）難度大。完成了世界上覆蓋范圍最廣、長度最長、地勢最復(fù)雜、精度最高的國家一等水準(zhǔn)網(wǎng)的建設(shè)與更新，尤其在世界超級水準(zhǔn)大環(huán)閉合觀測方面取得了歷史性突破，環(huán)長5 460 km、平均海拔4000 m以上、橫跨新疆、西藏、青海三省沙漠及無人區(qū)地帶超級水準(zhǔn)大環(huán)，僅用4個月會戰(zhàn)就實現(xiàn)一次性高精度閉合觀測，環(huán)閉合差優(yōu)于1/2限差，達(dá)到我國一等水準(zhǔn)觀測的歷史最高水平。

（5）能力強。建設(shè)了國家測繪基準(zhǔn)管理服務(wù)數(shù)據(jù)中心，基于地理信息技術(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)，建立國家測繪基準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫管理平臺，實現(xiàn)測繪基準(zhǔn)數(shù)據(jù)成果的海量存儲、高效管理與精確處理；基于全國衛(wèi)星導(dǎo)航定位基準(zhǔn)站網(wǎng)，建立全國基準(zhǔn)站管理服務(wù)平臺，實現(xiàn)全國范圍2000個以上衛(wèi)星導(dǎo)航定位基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)匯集、統(tǒng)一管理、共享服務(wù)，形成北斗最大地基增強系統(tǒng)，提供實時米級、分米級衛(wèi)星導(dǎo)航定位服務(wù)；具備全國動態(tài)坐標(biāo)框架更新能力，基準(zhǔn)站時間序列以及全國基準(zhǔn)站速度場成果每日更新；全面提升了我國測繪基準(zhǔn)數(shù)據(jù)成果管理和應(yīng)用服務(wù)能力。

3 工程成果服務(wù)

（1）坐標(biāo)框架服務(wù)

基準(zhǔn)工程建設(shè)GNSS連續(xù)運行基準(zhǔn)站，利用其位置和速度通過內(nèi)約束的方法與ITRF框架下對應(yīng)的位置速度鏈接，實現(xiàn)我國區(qū)域參考框架，并通過后驗的統(tǒng)計檢驗定量分析和評估參考框架的短期和中長期穩(wěn)定性，從而提供高精度的基準(zhǔn)站時間序列以及速度場等內(nèi)容的坐標(biāo)框架服務(wù)。

（2）數(shù)據(jù)產(chǎn)品服務(wù)

基準(zhǔn)工程建立的測繪基準(zhǔn)管理服務(wù)系統(tǒng)提供GPS和北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的精密軌道、鐘差和區(qū)域電離層等產(chǎn)品服務(wù)，其中GPS衛(wèi)星軌道產(chǎn)品精度約為2cm量級，鐘差精度優(yōu)于0.2ns，與國際IGS分析中心產(chǎn)品精度相當(dāng)；北斗GEO衛(wèi)星軌道精度優(yōu)于0.2 m，IGSO和MEO衛(wèi)星軌道精度優(yōu)于0.1m；中國區(qū)域電離層模型精度與CODE電離層產(chǎn)品相比優(yōu)于8TECU，可滿足高精度用戶對軌道、鐘差、電離層產(chǎn)品的事后處理要求。

（3）實時定位服務(wù)

依托基準(zhǔn)工程建立的全國覆蓋的衛(wèi)星導(dǎo)航定位服務(wù)系統(tǒng)，實時計算并播發(fā)精密衛(wèi)星軌道、衛(wèi)星鐘差、電離層和對流層模型等高精度產(chǎn)品，其中實時精密軌道、鐘差和對流層模型以1s的頻率播發(fā)，電離層模型產(chǎn)品每5分鐘播發(fā)，向用戶提供了實時亞米級的導(dǎo)航定位服務(wù)，并可向?qū)I(yè)用戶提供厘米級的定位服務(wù)。

（4）處理分析服務(wù)

基于PPP技術(shù)搭建多任務(wù)計算平臺，實現(xiàn)了超大規(guī)模GNSS基準(zhǔn)站網(wǎng)（2 000站以上）的高精度解算，并且可通過基于WEB的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)界面，用戶可以定制數(shù)據(jù)處理策略實現(xiàn)對于自身觀測數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程處理和分析。

4 結(jié)束語

國家現(xiàn)代測繪基準(zhǔn)工程所打下的基礎(chǔ)形成了我國現(xiàn)代測繪基準(zhǔn)體系的基本形態(tài)，初步實現(xiàn)了現(xiàn)代測繪基準(zhǔn)維持和服務(wù)能力，為我國現(xiàn)代測繪基準(zhǔn)自身建設(shè)與全球地理信息資源開發(fā)打下了堅實基礎(chǔ)，滿足現(xiàn)階段國家經(jīng)濟建設(shè)的需要。該工程全面升級和完善了我國大地、高程和重力基準(zhǔn)基礎(chǔ)設(shè)施，為國家地心坐標(biāo)框架和區(qū)域坐標(biāo)框架的建立和維持提供了新一代、統(tǒng)一的測繪基準(zhǔn)成果。這些成果將在我國國民經(jīng)濟建設(shè)、國防建設(shè)和社會發(fā)展中發(fā)揮重要作用，為國土資源調(diào)查、能源資源開發(fā)、重大工程建設(shè)、城鄉(xiāng)規(guī)劃、國防建設(shè)、地球科學(xué)研究、智能交通、精細(xì)農(nóng)業(yè)、智慧城市、天氣預(yù)報、防災(zāi)減災(zāi)以及大眾位置服務(wù)等提供高精度、動態(tài)、三維的測繪基準(zhǔn)支持與服務(wù)。

同時我國測繪基準(zhǔn)面臨著新時代的發(fā)展挑戰(zhàn)，需根據(jù)新的技術(shù)發(fā)展和新的應(yīng)用需求進(jìn)行新的開拓與發(fā)展，如進(jìn)一步推進(jìn)各類大地測量技術(shù)的發(fā)展和融合，加大大地測量基礎(chǔ)設(shè)施（如GNSS、VLBI、SLR、DORIS、海洋驗潮以及衛(wèi)星重力等）的建設(shè)，促進(jìn)全球統(tǒng)一的大地測量參考框架的建立與維持，實現(xiàn)全球基準(zhǔn)的有效統(tǒng)一以及幾何與物理基準(zhǔn)的有機結(jié)合，能夠為“一帶一路”、經(jīng)濟全球化、“走出去”戰(zhàn)略的實施以及全球地理信息資源建設(shè)、全球信息化建設(shè)、國防建設(shè)、外交服務(wù)保障等提供統(tǒng)一的時空基準(zhǔn)，在我國乃至全球經(jīng)濟建設(shè)、社會發(fā)展、生態(tài)環(huán)境保護、科學(xué)研究中發(fā)揮重要做用、做出應(yīng)有貢獻(xiàn)。