2000国家大地坐标系背后有多少高科技?

    导读
     

    2018年7月1号起,我国全面启用2000国家大地坐标系,那么,您知不知道,现代大地坐标系是怎么建立的?2000国家坐标系又有哪些优点?

    一.现代大地基准的技术栈
     

    今年FIG大会有个报告,介绍了国际最新的ITRF2014框架建立,使用了4种大地测量手段,包括VLBI、SLR、GNSS、DORIS,下图是各技术体系地面站的分布图:

    2000国家大地坐标系背后有多少高科技?

    1甚长基线干涉测量技术

    VLBI(Very Long Baseline Interferometry)简单说,就是距离很远的两个地面接收器同时观测同一个遥远恒星的电磁波(恒星非常远,可以认为是平行光),由于地球自转,电磁波的波前到达两个接收天线的几何程差不断变化,把两个信号进行相关的结果就得到干涉条纹。在原子钟的帮助下,可以求出两路信号的相对时间延迟和干涉条纹率。如果进行多源多次观测,则从求出的延迟和延迟率可得到射电源位置和基线的距离,如下图,

    2000国家大地坐标系背后有多少高科技?

    下图是地面站接收天线,

    2000国家大地坐标系背后有多少高科技?

    2高精度人卫激光测距

    SLR(Satellite Laser Ranging)简单说就是地面发射器向带有反射镜头的人造卫星发射激光进行距离测量,测距精度可以达到亚厘米级,

    2000国家大地坐标系背后有多少高科技?

    下图是带有发射器和接收器的地面设备,

    2000国家大地坐标系背后有多少高科技?

    全球SLR地面站的分布图如下,

    2000国家大地坐标系背后有多少高科技?

    3卫星多普勒定位系统

     DORIS(Doppler Orbitography and Radiopositioning Integrated by Satellite)由法国CNES开发,简单说就是利用卫星上装载的无线电发射机向地面发射电磁波信号,地面站根据测量电磁波信号的多普勒频移和卫星星历参数,测定地面接收器的位置,精度可以达到厘米级,

    2000国家大地坐标系背后有多少高科技?

    那么,哪些卫星搭载了DORIS载荷呢? 见下图,2000国家大地坐标系背后有多少高科技?

    4全球卫星导航定位系统

    GNSS大家都很熟悉了,对于超长基线(1000KM+)的解算,一般使用GAMIT、BERNESE、PANDA等科研级软件进行数据处理,精度可以达到毫米级,

    2000国家大地坐标系背后有多少高科技?

     

    二.2000国家坐标系的优点
     

     

    1精度更高

    坐标系统的具体实现是由大量的地面控制点组成参考框架, 由于地表沉降,板块运动等因素的影响,框架点必须定期复测及平差才能保证框架的一致性及精度。但传统的坐标框架点更新周期长,外业繁重,长时间下来,精度和一致性都不能保证。这几年CORS站已经非常普及,统一使用2000国家坐标系后,可以利用CORS站建立全国统一、实时、三维的高精度坐标参考框架。

     

    2椭球参数更准确

    2000国家坐标系的椭球参数与WGS84几乎一致,轴的指向与国际定义一致,准确的椭球参数可以减少投影变形,也避免了导航地图偏差等问题。

     

    3从2维到3维

    北京54/西安80坐标系均只是平面坐标系,然而现在很多新的测量手段比如GNSS、三维激光、无人机航测等数据成果本身就是3维空间描述的,在3维坐标系下数据处理也将更直观简单,成果也更符合人的空间逻辑。

     

    4从参心到地心

    北京54/西安80属于参心坐标系,是一个纯几何的概念,而2000国家坐标系属于地心坐标系,地心就是地球的质心,是物理的概念,由于各种人造卫星都是在地球引力牵引下围绕地心运动的,所以使用地心坐标系去描述信息,是更自然的事。同时,精度方面地心坐标系下的大地控制点相对精度比现行参心坐标系下的精度高10倍左右。

     

    5从局部到全球

    全球性的测量活动,包括遥感测量、气象研究,大地测量,重力场测量,其成果数据均需要在全球坐标框架下描述,才能满足军事,科研,生产等领域的应用需求。

     

    结束语
     

    看似简单的一个坐标系,背后是天文学、物理学、地球物理、大地测量等学科的综合应用,所以说,它既有工程之美,也有科学之美

     

    (本文结束)

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