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发信人: Rorena (风铃语), 信区: Control
标  题: 利用高精度GPS定位技术
发信站: 哈工大紫丁香 (2001年04月04日08:16:24 星期三), 转信

胡建国
　　摘　要：海平面变化是全球变化的重要监测内容之一。但验潮站资料给出的仅是海
平面对于验潮站所在地块的相对变化。本文提出利用高精度GPS定位技术建立陆海垂直运
动监测网监测海平面绝对变化的方法和原理，并对监测基准的稳定性及所能达到的精度
进行了讨论。最后提出了建立我国陆海垂直运动监测网的实施方案。
　　关键词：GPS测量；地壳垂直运动；海平面绝对变化；地球参考框架
Use High Precision GPS Technique to Establish the Monitoring
Network for Vertical Continent-Ocean Movement in Our Country
HU Jian-guo
(Chinese Academy of Surveying and Mapping,Beijing,100039)
Abstract:The change of sea level is one of the important contents to monitor
the global change. But tide gague data only offer the relative change betwe
en the sea level and the block where the tide gauge station lies. The basal
ways and theories are proposed in this paper to establish the monitoring net
work for vertical continent-ocean movement to monitor the absolute changes o
f sea level using high precision GPS technique. And the stability of monitor
ing datum and the attainable precision are discussed. At last, the plan is p
roposed to establish the monitoring network for vertical continent-ocean mov
ement in our country.
Key words：GPS； vertical crustal movement； absolute change of sea level；
terrestrial reference frame
1　引　言
　　海平面上升是一种危及人类生存和经济发展的缓发性自然灾害。加强对海平面上升
的监测和预测研究，对减轻和预防这种灾害的影响有重要意义。
　　海平面上升包括两个方面：一是由于全球变暖引起的极地冰盖融化和全球海水密度
降低导致的海平面上升；二是陆地垂直运动引起的海平面相对变化。当利用验潮站来监
测海平面变化时，由于验潮站所在的陆地的垂直运动（冰后回弹，构造运动，人为因素
引发的局部地面沉降等）将直接影响验潮的结果。由此得出的海平面的变化结论是不准
确、不可靠的。如果验潮站所在的地块是下沉的，那么验潮站得出的海平面上升便被夸
大了；如果验潮站所在地块是上升的，那么验潮站得出的海平面上升便缩小了；如果验
潮站所在地块上升速度超过海平面上升速度，那么还会得出海平面下降的结论。显然，
单靠验潮结果，无法获得海平面绝对变化信息。
　　随着GPS定位精度的不断提高，我们有可能在沿海若干个均匀分布的验潮站的参考水
准点上建立GPS网，通过高精度GPS观测，将网中各点联测到由VLBI、SLR、LLR、GPS和D
ORIS等空间大地测量技术建立的地球质心参考框架（ITRF）中去。这样便能提供一个稳
定的基准来监测沿海陆地与海平面各自的垂直运动。
　　
2　监测的方法和原理
　　图1为我们选择的作为监测网中的一个验潮站的示意图。现在验潮站大多数已采用自
记式验潮仪代替水尺，但为直观起见，这里仍以水尺为代表。水尺顶端与参考水准点标
石中心的高差可通过水准测量精确确定。由于水尺长度是固定的，故参考水准点至水尺
零点的高差也是已知的，设其为Δh2。习惯上取该验潮站在某一时刻以前若干年（例如
18.6年）的验潮记录的平均值作为该时刻的平均海面高。如果我们在T1时刻在参考水准
点上进行GPS观测，天线相位中心至水准标石中心的高度Δh1可以精确量得。
　　由观测结果可得到在ITRF中的3维坐标X，Y，Z，再利用一个确定的椭球（例如1980
大地参考系的椭球GRS80(a=6378137 m，α=298.257°），椭球中心与地球质心重合，
椭球短轴与ITRF的Z轴重合，X与Y轴位于赤道面上，X轴指向起始子午线（L=0°）,Y轴指
向东经90°，即可将X，Y，Z转换为大地坐标B，L，H，其中H为天线相位中心至GRS80椭
球面的大地高。H减去Δh1即得水准标石中心至椭球面的大地高H
H0(T1)=H(T1)-Δh1(T1)
　　由图1可以看出，同一时刻平均海面至GRS80椭球面的大地高
H′(T1)=H0(T1)-Δh2(T1)+ζ(T1)　　(1)
图1　监测方法及原理图
Fig.1　The sketch of the used method and theory in the monitoring
我们在相隔若干年后的T2时刻进行第二次GPS观测，那么同样可得到
H0(T2)=H(T2)-Δh1(T2)
和
H′(T2)=H0(T2)-Δh2(T2)+ζ(T2)　　(2)
令
H0(T2)—H0(T1)=ΔH0　　（3）
显然ΔH0就是在（T2-T1)时间间隔内，该验潮站所在陆地的垂直运动绝对变化量。
　　令
H′(T2)—H′(T1)=ΔH 洹　。�4）
ΔH′就是在（T2-T1)时间间隔内该验潮站得出的海平面的绝对变化量。
　　将式(1)、式（2）代入式（4）可得
　　（5）
式中第一项即为陆地垂直运动量ΔH0；第二项是在（T2-T1)时间间隔内，水尺零点与参
考水准点高差的变化，由于参考水准点与水尺距离很近，水准联测误差可以忽略，且水
尺安置牢固，此项应为零；第三项为在T2和T1时刻内验潮得出的平均海面的变化
Δζ=ζ(T2)-ζ（T1）　　(6)
于是式（5）可变为
   疲溅′-ΔH0　　(7)
即验潮结果为陆地垂直运动与海平面变化的代数和。若海平面上升（ΔH′>0），而陆地
下降（ΔH0<0），则Δζ增大。若海平面上升，而陆地也上升，且ΔH0<ΔH′，则Δζ
减小；若ΔH0>ΔH，则Δζ为负，即验潮结果表示海平面下降。
　　从以上可知，我们实际上是通过水准标石中心和平均海面的大地高变化来分别监测
陆地和海平面的绝对变化的。椭球面即为我们的监测基准。
　　
3　基准的稳定性
　　基准的稳定性即参考框架本身在监测过程中的稳定性。从广义大地坐标微分公式［
7］可得
　　(8)
式中第1项表示坐标原点变动(dX0，dY0，dZ0)对大地坐标的影响，其中对高程的影响为

dH＝cosBcosLdX0+cosBsinLdY0+sinBdZ0　　(9)
　　ITRF地球参考框架的原点位于整个地球（包括海洋和大气）的质量中心。如果ITRF
原点与地球质心精确重合，并且质心本身没有运动，那么上式中dX0，dY0，dZ0应为零。
但ITRF是综合利用VLBI、SLR、LLR、GPS和DORIS等空间大地测量技术的观测成果建立起
来的。各种技术采用的动力学参考系是不同的，因而各种技术所定义的坐标原点不可能
完全一致，况且各种动力学技术也只能以一定的精度将其坐标原点确定到地球质心上。
因此ITRF定义的原点与地球质心之间不可能完全重合，这是dX0，dY0，dZ0不等于零的一
个原因。但是随着空间大地测量技术的日益进步，ITRF原点与质心之间的偏差也越来越
小。另一方面，由于日月引力和地球各圈层及其相互间的动力学作用引起地球质心的运
动。这种运动十分复杂，既有短期或短周期项，也有长期和长周期项，其中季节性变化
引起的质心变动最大，为5～10 mm量级。目前尚不能对其进行精确测定，也无法对引起
地面点坐标的变化进行实时改正。我们只有设法保持进行监测的两个相邻时刻T1和T2的
参考框架在相同位置上。
　　式(8)中第2项表示椭球参数(a,α)变化对大地坐标的影响，其中对高程的影响为
　　(10)
　　由此可知，只要我们在监测过程中采用相同的椭球，监测基准就不会因此而发生变
化。
　　式(8)中第3项表示参考框架的坐标轴定向变化(εX，εY，εZ)对大地坐标的影响，
其中对高程的影响为
dH=-Ne2sinBcosBsin(LεX)
+Ne2sinBcosBcos(LεY)　　(11)
　　ITRF的定向是由上述5种空间大地测量技术在某个历元的定向参数Xp，Yp和UT1确定
的。如果我们知道εX,εY的值，即可按照上式加以改正，或者设法保持在监测的两个相
邻时刻T1和T2的参考框架坐标轴定向相同。
　　式(8)中最后一项为参考框架尺度变化dm对大地坐标的影响。其中对高程的影响为
dH=(N+H-Ne2sin2B)dm　　(12)
　　ITRF的尺度由采用的光速值c，地球引力参数GM及相对论改正模型确定。故在监测的
两个相邻时刻T1和T2 ，参考框架采用的光速值c，GM及相对论改正模型应相同，否则应
加以改正。
　　实际上，ITRF是不断精化的，从1988年到现在，地球参考框架从ITRF88发展到了IT
RF96，每个框架都有相应的历元。每一个新的ITRF相对于前一个ITRF在原点、尺度、定
向等各个方面精度都有所提高。为了保持参考框架的统一和稳定，在推出新的参考框架
时，也给出了相对于较早框架的转换参数值，它通常采用7个参数(dX0,dY0,dZ0,εX,ε
Y,εZ，dm)。从理论上说，只要按照这7个参数进行转换，就可以保持参考框架的统一和
稳定。保持坐标框架统一的另一种方法是逆推法。目前大范围、高精度的GPS测量的数据
处理往往采用基准站（fiducial station）技术。所谓基准站技术，就是在对每期的GP
S观测值进行数据处理时，将国际GPS地球动力学服务局（IGS）提供的IGS跟踪站的精确
坐标（通过其位移速率从给定的历元时刻化算至观测时刻）给予高权加以严格约束，对
IGS提供的GPS卫星的精密星历给予较低的权予以松弛，综合利用IGS跟踪站和待定点的G
PS观测值一并平差，求出待定点，IGS跟踪站和卫星星历的改正数。对分别在T1和T2时刻
进行的两期GPS观测，采用逆推法保持框架的统一，就是将T2时刻的IGS跟踪站3维坐标，
按照给定的位移速率，逆推得到T1时刻的IGS跟踪站坐标，供对第一期GPS观测结果进行
数据处理时使用。这样便保证T1和T2时刻坐标框架的统一和稳定。当然，由于位移速率
存在误差，使得逆推后得到的T1时刻的IGS跟踪站坐标比起T2时刻的坐标精度总有所降低
。因此采用逆推法时所选择的IGS跟踪站的位移速率的误差应尽可能小，以减少精度的损
失。从近几年ITRF框架的精度来看，由于框架本身的不一致，造成高程基准的变化不大
于10 mm［4］，今后还可以进一步改善。当然，采用逆推法或是经过转化后，高程基准
的稳定性将获得极大的提高。
　　
4　GPS高程测量精度
　　我们关心的另一个问题是按照基准站法，每期GPS测量的点位（尤其是高程分量）精
度是多少呢？我们知道，对于传统的大地控制网，无论是单排锁、双排锁还是全面网，
都已导出了精度估算公式。但对GPS网至今尚未有类似的研究结果。我们也就无法在平差
前给出GPS网中待定点的精度估值。当然，在这里我们最感兴趣的仍然是网中待定点高程
的精度。
　　G.Blewitt等在1997年对全球IGS跟踪站的高程精度进行了分析，在全球IGS跟踪站中
，高程精度最好为3 mm，中等为7 mm ，最差为19 mm［3］。而1998年我国邻近的IGS
跟踪站（包括我国境内的IGS跟踪站）3维坐标X，Y，Z的中误差，经转换求得高程分量的
精度亦大约在3 ～10 mm之间。我们采用基准站技术推求待定点坐标时，对IGS跟踪站坐
标给以强约束，实际上是将它们作为基准点，或者相当于传统控制网中的起始点，故待
定点坐标的精度通常要低于IGS跟踪站的坐标精度。这样，我们就获得了监测网中各点高
程估值的上限。
　　1993年7月，波罗的海沿岸30个验潮站进行了为期7天的高精度GPS联测，最后获得这
些点的高程精度为±20mm［1］。由于我们现在能够得到的IGS跟踪站坐标精度、位移速
率精度和IGS的卫星星历精度都比1993年波罗的海验潮站GPS联测时的精度要高，同时由
于GPS数据处理软件也有了改进，对影响高程精度在毫米量级的因素，如对流层延迟中水
平方向不对称性以及大气负荷等都予以顾及，故我们应能获得优于±20 mm的高程精度
。据此我们认为，经过努力，我国陆海垂直运动监测网的高程精度可望达到±8～±1
2 mm［5］。与参考框架本身不一致相比较，GPS观测中高程分量的误差显然是决定监测
网精度的主要因素。要提高我国陆海垂直运动监测网的精度，最重要的还是要设法减少
GPS高程测量的误差。
　　
5　实施方案
　　根据以上分析，我们建议利用高精度GPS定位技术建立我国陆海垂直运动监测网采用
如下实施方案：
　　1. 在我国沿海选择适合GPS观测、分布均匀且有较长时间连续、可靠验潮数据的验
潮站建立我国陆海垂直运动监测网。
　　2. 按最高精度要求在验潮站的参考水准点上进行不少于连续7天的GPS联测，精密量
取天线到标石中心高程，误差不大于±1mm，并以同样精度测定水准标石到验潮的水尺零
点间高差。
　　3. 数据处理采用基准站技术，选取我国邻近（包括我国境内）若干个IGS跟踪站作
为基准站，但两期监测选取的IGS跟踪站应相同；平差软件应顾及到影响高程的各种因素
，包括对流层延迟水平梯度和大气负荷的影响等。
　　4. 为保持两期监测中参考框架的统一和监测基准的稳定，可采取7个参数转换或逆
推法将两期监测时使用的IGS跟踪站坐标转换在同一个框架内。
　　5. 由于监测网总精度估计为±8～±12 mm，考虑到两期观测以及两期观测中基准
的稳定性，总误差不大于±20 mm，而我国海平面变化速率前几年为1～2 mm/年，1999年
国家海洋局公布近年上升速度为2～3 mm/年，预计未来几年上升速度会进一步上升。沿
海地区陆地垂直运动速率也大致为每年毫米级，故两期GPS观测的间隔时间应以10年左右
为宜。
　　
6　结束语
　　利用高精度GPS定位技术建立陆海垂直运动监测网为将海平面绝对变化从验潮数据中
分离出来提供了一个可行的途径。但是，由于与海平面变化的速率相比，GPS高程测量的
精度仍显得偏低，以至于两期观测的间隔时间必须在10年左右才能得出监测结果。因此
，在两期GPS观测时间间隔内，同时利用卫星测高技术监测海平面的变化还是必要的。在
今后一段时间内，这两种技术的结合将是监测海平面变化的最佳方法。
本文由国家“八五”攀登项目“现代地壳运动和地球动力学研究”中之二级课题“中国
沿海地区陆地与海平面垂直运动研究”资助。
作者简介：胡建国，男，57岁，研究员，博士生导师。现从事大地测量方面研究。
作者单位：中国测绘科学研究院，北京，100039
参考文献：
［1］　Kakkuri J, Poutanen M. Geodetic Determination of the Surface Topograp
hy of the Baltic Sea［J］. Marine Goedesy， 1997(20):307-316.
［2］　Adam J, Ihde J, et al. The European Vertical GPS Reference Network Ca
mpaign 1997——Concept and Status［C］. IAG Scientific Assembly Rio de Janei
ro, 1997.
［3］　Blewitt G, et al. ITRF Densification and Continuous Realization by th
e IGS［C］. IAG Scientific Assembly Rio de Janeiro, 1997.
［4］　Boucher C, Cartar W E. Report on Vertical Reference［C］. Discussions
of the IERS Workshop. Paris, 1996.
［5］　Hu Jianguo. The Scheme to Monitor the Absolute Changes of Pacific and
ELNINO［C］. The Second Asia Pacific Space Geodynamics, Tahiti,1998.
［6］　党亚民，陈俊勇,等.利用GPS A级网资料对中国大陆现今水平形变场的初步分析
［J］.测绘学报，1998,27(3).
［7］　熊介.椭球大地测量学［M］.北京：解放军出版社，1988.


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