地球物理大地测量国家测绘地理信息局重点实验室科技发展

地球物理大地测量国家测绘地理信息局重点实验室科技发展

年度综述

一、所属学科及研究领域发展概述

地球重力场、大地测量地球物理反演与内部地球物理和空间大地测量领域在过去一年中有了新的进展。全球大地水准面的严密确定方法、超定边值问题以及多种重力信号的融合理论与方法等重力场的基础理论，依然得到各国学者的关注，利用新一代卫星重力任务确定全球高精度卫星重力模型和局部高精度高分辨率大地水准面的确定，依旧是物理大地测量学应用领域的热点研究问题，同时，利用时变重力信号研究全球变化、地球内部过程也是国际上关注的重点。融合多类观测数据（包括地震、地质、地球物理和大地测量等多种观测数据）的大地测量联合反演方法是各国学者的重点研究问题。基于此，研究地震震源破裂过程、地幔对流、地球内部局部构造细节、地壳上地幔的结构、地表和岩石圈的密度、莫霍面深度和应力场等科学问题，同时地球自转、地球分层理论、地磁发电机理等方面也是学者们关注的热点。进一步发展和完善全球导航定位系统（包括GPS、GLONASS、北斗、伽利略），努力探索各类技术的定位理论与方法及其应用，仍然是空间大地测量领域的热点研究问题，基于空间大地测量技术维持全球参考框架一直都是大地测量领域的基本研究问题。

二、国内外发展现状与趋势

（一）地球重力场理论、方法与应用

过去的一年中，国内外关于地球重力场的基础理论研究，仍然是围绕确定高分辨率高精度地球重力场模型和厘米级大地水准面展开，具体包括：

推广的Bjerhammar边值问题，超定边值问题，重力场信号的向下延拓问题，重力场表示方法，多种重力场信息的融合理论和方法，确定高分辨率厘米级大地水准面的理论与方法。在局部重力场逼近方面，大多数国家均采用原有的方法，美国采用Molodensky边值问题理论体系建立了新的国家高程基准大地水准面GEOID09，对应的重力大地水准面模型为USGG2009，拟合精度为±9.7cm。采用与CQG2000似大地水准面模型计算中基本相同的重力数据，得出了我国陆地疆域2’x2’的重力似大地水准面CNGG2011，与全国发布均匀的649个国家B级GPS水准进行了独立比较，精度为±0.126m。利用新一代卫星重力数据（GRACE及GOCE）构建卫星重力场模型以及数据处理的研究十分活跃，GOCE数据反演重力场获得较多的关注，GOCE卫星任务发布了第三个版本的重力场模型，最新模型的最高阶次为250，在100km空间分辨率（对应200阶次）上大地水准面累积误差和重力异常累积误差分别为4.6cm和1.3mGal。同时，欧洲针对NGGM计划进行了大量数值和模拟研究。在地球重力场的应用方面，主要集中在将GRACE和GOCE的研究成果应用于地球相关的科学领域，例如：应用一个初步GOCE重力模型，研究海洋环流、地球内部构造，基于GRACE时变重力信号估计地球物质迁移（水储量变化、冰后回弹等）、同震重力变化、冰盖变化等。同时全球高程基准统一越来越得到各国学者的关注。

（二）大地测量地球物理反演与内部地球物理

该方向在过去一年中的主要进展仍然是在理论和应用方面，大地测量联合反演模型、算法及方法是国内外关注的重点，如联合大地测量、地震、地磁、重力等观测数据反演地震震源破裂过程、地球内部构造、地幔对流、地壳上地幔的结构、地表和岩石圈的密度、莫霍面深度和应力场等。利用

遥感和GPS等观测技术确定极地的高程变化和冰盖动力学研究；联合GRACE、卫星测高等多种技术手段研究极地冰盖质量均衡等。极地冰盖、青藏高原地区冰川变化对气候环境具有重要的影响，联合多源卫星测高、InSAR、卫星重力等观测数据反演冰川质量变化，及其与全球海平面变化和气候变化的关系是目前研究的热点问题，在未来数十年内也将是重点关注的研究方向之一。在地球自转方面，国际上非常关注的一些问题有：十年尺度日长变化的机理解释，地球分层耦合效应，三轴分层地球自转，地球自转与气候变化等。同时，地磁发电机理论与地核动力学和运动学密切相关，是国际研究热点之一，国内外学者基于高精度的全球重力场模型EGM2008等重新估计了地球惯性张量，并结合MHB2000地球模型重新归算了三轴分层地球模型（包含地幔、液核和固态内核）参数，推导了三轴性导致的章动转换函数增量，建立了三轴分层地球章动序列。

（三）空间大地测量理论、技术及应用

全球导航卫星系统（GNSS）仍然是空间大地测量的主要技术手段。在系统建设方面，美国继续实施GPS系统现代化计划，已经有两颗工作卫星向GPS用户发射三频GPS信号；俄罗斯的GLONASS系统完全恢复到完全工作状态，发射了一颗码分多止的GLONASS K系列卫星。我国的北斗二代卫星导航系统，10月25日，第16颗北斗导航卫星发射升空，与之前发射的15颗北斗导航卫星一起组网运行，形成了覆盖亚太大部分地区的区域服务能力，到2020年，可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠的定位、导航、授时服务。在卫星导航定位技术及应用方面，基于CORS的网络RTK技术得到进一步的推广和应用，PPP模糊度解算方法以及实时PPP技术方面取得了突破性进展，基本形成了一套全球无缝的

非差网络RTK定位新技术。随着北斗星座可用卫星的增加，越来越多机构的研究人员开始研究北斗卫星导航定位的相关技术，取得了一系列令人振奋的成果。ITRS和ITRF是当今最先进、最精确的地心大地基准，它们代表大地基准的发展方向，并引领着大地基准的发展，我国2008年7月起，正式实行新一代大地坐标系—2000中国大地坐标系，其通过2000国家GPS 大地控制网的坐标和速度实现。为了给新一代的VLBI观测系统提供更多的参考建议，国际IVS提出了VLBI 2010计划新的目标：全球基线的1毫米的测量精度；对站点方位和地球定向参数的时间序列的连续测量；公布初始测量结果的周期小于24小时。在空间数据处理理论方面，函数模型、随机模型以及计算方法方面取得了比较大的进展，对于多传感器的集成以及多时空、多尺度的存在，多源数据的误差分布呈现复杂状态，需要研究新的空间数据处理理论与方法。

三、国内外发展状况比较

经过多年的跟踪研究，我国目前在地球重力场、空间大地测量、大地测量地球物理反演、内部地球物理等领域的部分理论、方法与应用技术已处于国际先进水平，例如全球重力场模型的确定、地球自转理论、地壳形变等研究方向，已经积累了大量的基础和成果；同时，在极地大地测量、卫星重力探测、深空探测等技术与应用接近国际先进水平，已经建立起卫星重力数据处理与仿真的软件平台；另外，局部似大地水准面等少数方面优于国际先进水平，区域高程的精度达到mm级。但我国在这些高科技的软硬件装备、核心技术自主创新、对地观测系统建设、相关成果的国际影响力等方面，与发达国家还存在明显差距，例如，没有自主的卫星重力探