新世纪的卫星大地测量学和地球科学

第18卷第2期2003年4月

地球科学进展

ADVANCE IN EARTH SCIENCES

Vol.18 No.2

A pr.,2003

文章编号:1001-8166(2003)02-0175-03

新世纪的卫星大地测量学和地球科学

陈俊勇

(国家测绘局,北京 100830)

摘 要:经典卫星大地测量学着重研究地球几何形状、定向及其变化,并在实际应用中关注在地球表面上点的定位、重力及其变化。而现代卫星大地测量则不仅仅能在地表上长时间以10-9精度定位,而且它已远远超过原来经典的目标,已经涉及多种学科领域,可以提供和处理涉及原来是地球动力学、行星学、大气学、海洋学、板块运动学和冰川学等其他学科所需的信息,提供多种学科领域长期以来很难取得的数值和有可能解决它们相应的困惑。当然为了达到这些目标卫星大地测量学仍然还有众多的理论和实践的问题需要思考和解决。然而可以预期,卫星大地测量学将与其他学科会有更多的交叉,不仅在大地测量学,而且在地球科学中会具有强大生命力,并将更大地影响和促进地球科学、环境科学和行星科学的发展。

关 键 词:大地测量学;地球科学;海洋;重力;大气

中图分类号:P22 文献标识码:A

由于现代空间(卫星)技术和信息技术的飞跃发展,导致卫星大地测量学,在过去的30年中经历了根本性的变化和发展。今日的卫星大地测量技术有几个重要的特点:只有卫星大地测量能提供协调一致的全球性大地测量数据,只有卫星大地测量能提供地心三维大地测量数据,也只有卫星大地测量才能提供在合理复测周期的有时间序列的动态大地测量数据,也只有卫星大地测量使大地测量数据的精度提高了2~3个数量级。

卫星大地测量数据从狭义方面说,其主要内容涉及3个方面[1],即几何定位数据、地球旋转轴定向数据和重力场数据。由于GPS、GLONASS的普遍使用,卫星大地测量能提供定位数据已是众所周知的常识,它实际是通过卫星发射讯号,构成空间三边测量,交会这些讯号的重合点(接收点)而实施定位,这就是上面提到的第一方面的数据。将高轨卫星的轨道面作为惯性空间中的一个稳定的参考面,因此地球旋转轴的方向和旋转速度相对于这一参考面的运动可以通过地面点进行精确测定,这是大地测量数据的第二方面的主要内容。第三方面就是获得重力场数据,将卫星视作为绕地球质心作圆周运动的自由落体,将卫星在空间随时间作加(减)速度瞬时连续变化值进行反演,获得地球重力场,这就是卫卫追踪技术(SST)。通过卫星高度变化的连续时间序列,反演地球重力场,这就是所谓的卫星测高技术(SA)。或者通过卫星加(减)速度梯度的连续时间序列,反演地球重力场,这就是所谓的卫星梯度技术(SG)。

由此可见,上述狭义的卫星大地测量数据还是属于经典大地测量学的范围内,也就是研究地球几何形状、定向及其变化,并关注在其表面上点的定位、重力及其变化。而今日的卫星大地测量学则已超过原来经典的目标,追求我们可以做什么更多的事,形成了学科交叉意义上的卫星大地测量学。因此卫星大地测量数据目前可以提供和处理原来是地球动力学、行星学、大气学、海洋学、板块运动学和冰川学的信息[2]。

最好的例子是GPS。原先GPS的设计是用于

收稿日期:2002-09-06;修回日期:2002-09-29

作者简介:陈俊勇(1933-),男,浙江宁波人,中国科学院院士,研究员,主要从事大地测量学与测量工程研究 E-mail:jychen@

米级精度的定位,但目前的GPS经过不懈的研究和改善,已可以用于精度为毫米级的(相对)定位。若将GPS站布设为网络形式,则人们可以得到前所未有的空间和时间的高分辨率来发现和测定地壳运动,如日本有超过1000个GPS连续运行站网,美国南加州有超过250个GPS监测站,中国的地壳运动监测网络中有25个GPS连续运行站网,近1000个GPS监测点,这些网站可以提供相应区域范围内丰富的地形变信息,因而可以成为该区域的地震和地质灾害的监测系统。此外,GPS结合INSAR技术不仅可以提供网点的地形变信息,还可以提供相应整个地表面的地形变信息。

长期以来凡利用电磁波进行大地测量的技术中,大气中水气对电磁波信号传播的影响,一直是一个需要在大地测量数据处理中加以剔除和削弱的对象。但这样一个长期困惑大地测量的问题,在近10年来却转变成了大地测量工作的一个新领域:用地面或星载GPS测定电信号的总天顶延迟以计算大气可降水分。由于这些GPS数据可以全天候获得,不受云量的影响(不像过去使用的水气辐射计),并可以获得缺少陆地的南半球和海洋上的相应数据。以同样的原理,GPS也提供一种新的途径来描述电离层的不均匀性质。这就形成了所谓的卫星大气学,它的开拓和发展还有待大地测量学家和大气学家的共同努力。

由于GPS在实时动态定位技术方面的进展,其精度已可达厘米量级,因此使导航学发生了革命性的变化,并已在地面、水域和空域交通的智能管理方面发挥重要作用,这也宣告了卫星导航和制导学的突破性进展。

GPS动态定位技术方面进展,也使卫星影像和INSAR技术在冰原和地表上的应用,开创了一个新的篇章,拓宽了冰川学中对冰面形变的定量、定性、定时的测量手段。

利用GPS的应用,还包括改善各类卫星定轨的精度,从改善卫星测高精度,发展到改善农业的精耕细作,提高足球边球裁定的准确性,大象的追踪驯养等方面,这些应用都是由大地测量学者和其他专业科技人员开发、开创的。由于卫星大地测量学和其他学科的交叉合作研究,已有的进展说明,他们是有足够的聪明才智去超越GPS原先设计的目标。

卫星大地测量在今后几年的进展中,其中科学收获期望值最高的当推新一轮的卫星重力测量,它将对中低阶地球重力场的精化和时变做出决定性的贡献。

近几十年来地球重力场的求定,总的来说进展不是很大,由于受到技术和资料的制约,重力场求定中所采用的地面重力资料和卫星重力资料的时间跨度常常超过20年以上,各种轨道弧段所采用的卫星超过30颗以上[3~5],因此地球重力场的精度和空间分辨率的改善在实际上是有限度的,而且这种经典的推算地球重力场的技术,面对有这样长时间跨度的各种观测量,面对这些观测量所处的不同坐标框架和历元,为了协调这些数据,在数据处理时不得不在时间和框架方面人为的加以模糊,忽视这些量的时变值,只能以较低精度统一归算在一个坐标框架中进行数据处理。

已发射的CHAMP、GRACE和将要发射的GOCE重力卫星,将会在很大程度上改善上述求定重力场的不足。由于这些低轨卫星借助于星载GPS不间断地精确三维定轨;由于高灵敏度的新一代加速度计对非惯性力的测定;由于高精度激光测距仪对同轨双星间距离变化的感知,因此可以构建几乎纯粹由地球重力场起作用的卫星轨道运动,由此反演地球重力场及其变化。根据估算,这些卫星运动一个月所提供的重力数据的协调和空间分辨率(中低频)的可靠性,将超过目前已有的任一个地球重力场模型。CH AM P卫星能提供和改善小于90阶的重力场球谐系数,而GRACE则达150阶。由于重力卫星持续的对地球重力场的观测,今后还将必然可以提供地球重力场的时变值。

重力场的时变是地球上各种物质重新分布的现象所引起的。这包括日月潮汐、后冰期回弹、大气移动,其中影响较大的是地球上水(海、湖、河、地下水、冰川、冰原、雪原等)质量分布的变化,因此今后重力场的时变测量,近期来说,将对海平面上升,冰川学、海洋动力学和大陆水量变化的研究做出独特的贡献。如全球海平面上升这一说法,至今仍有很多争议。其中关键点是它的水源问题。今后通过重力场的时变测量,可以排除海水随全球变暖的热膨胀因素,并确定是否有全球平均海水面0.1mm/a的上升率。若假设水源是从大陆流向海洋,则通过各大陆大地水准面或重力场的变化可以分辨出来,而假设水源是来自南极和格陵兰等冰原,则这些重力卫星对该地区重力场的时变测量结果,结合在冰原上的卫星测高,可以比较准确地计算这些冰原消蚀对海平面上升的贡献。这一信息也有利于冰川学家确定该地区冰原消长的动力模型,也有利于对某些局部地区冰川、冰雪层质

176 地球科学进展 第18卷