利用重力场模型和GPS/水准数据研究局部高程基准

摘要

早在上世纪80年代，大地测量学家就提出研究全球高程基准统一问题，高程基准统一成为近几十年大地测量学中最活跃的领域之一。国际大地测量协会IAG(Inter-nationalAssiociationofGeodesy)成立专门研究的小组致力于全球高程基准统一研究。当前研究集中于利用卫星重力场模型和地面重力数据构建全球大地水准面模型，将大地水准面作为全球高程基准面，利用大地水准面统一全球高程基准，近10年来在此领域取得了较大进展，美国、加拿大、中国等国家或区域均发布了适用于该国家或区域的重力（似）大地水准面。全球导航卫星系统GNSS(GlobalNavigationSatelliteSydtem)定位技术的出现和普及，颠覆并取代了传统地面定位观测技术，其测定的水平位置，即大地纬度φ和经度λ，可直接用于地理信息系统GIS(GeographicInfor-mationSystem)、工程建设和国防现代化等，可满足测绘、地球科学等学科和行业的需求。但GNSS定位提供的高程是相对参考椭球面的高度，即大地高h，是地球几何空间的几何高度，不含重力位信息。地形图标示的高程和工程建设所需的高程信息，是与重力位密切相关的正高H或正常高H*，即海拔高，对应的基准面是大地水准面和似大地水准面，而地面任意点的海拔高程可用该点与基准面的重力位差的大小代表高程的高低。全球空间地理信息统一、跨国工程建设等都需要精确的海拔高信息，统一全球高程基准，对开高程信息共享以及开展相关跨国工程建设国际合作有重要意义。　　高程基准统一的实质是确定不同高程基准之间的基准差，或将不同的高程基准统一到同一参考基准面。该参考基准面是具有一定物理意义的重力等位面，使得以该基准面为参考面的点高程值具有唯一性，目前大地水准面是最适宜的参考面，将大地水准面作为全球高程基准面，通过不同的方法直接或间接的确定局部高程基准与全球高程基准之间的基准差，获得不同高程基准之间的基准差，从而实现全球高程基准统一。当前可通过海洋学和大地测量学方法直接或间接确定局部高程基准与全球高程基准之间的基准差。从海洋学的角度分析，认为不同高程基准之间的基准差是由平局海面地形MDT(MeanDynamicTopography)造成的，利用海洋资料获得不同区域海面地形，从而获得不同高程基准之间的基准差。基于大地测量方法可分为两大类，第一类是利用重力异常数据基于大地测量边值问题GBVP(GeodeticBoundaryValueProblem)直接或间接确定垂直基准之间的基准差；第二类为联合重力场模型和GNSS/水准数据直接或间接确定垂直基准之间的基准差。本文主要采用重力场模型和GPS/水准数据确定我国1985国家高程基准重力位和我国1985国家高程基准与全球高程基准之间的基准差。　　本文利用重力场模型和GPS水准数据确定不同区域高程基准与全球高程基准之间的基准差。其中针对于我国高程系统，采用异常位法、正常高反算法和（似）大地水准面高差法确定我国1985国家高程基准与全球高程基准之间的基准差。同时本文以物理大地测量给出的关于高程系统的经典理论方法为依据，给出确定不同高程基准之间的基准差的定义，同时推导出计算高程基准差较严密的公式，该公式可将现有的三种确定不同高程基准之间的差异的方法统一起来。　　首先，基于异常位法、正常高反算法和（似）大地水准面高差法，利用EGM2008高分辨率重力场模型和全国较均匀分布的649个GPS/水准数据确定我国1985高程基准与全球高程基准之间的基准差，采用适当的加权法改善该基准差，并利用不同的方法验证其加权的合理性。不同重力场模型确定的基准差精度差异较明显，确定高精度的基准差往往依赖于高精度的重力场模型，随着GRACE、GOCE卫星重力计划的实施，重力场模型精度不断提高，尤其对重力场模型中长波部分具有突出贡献。因此，本文选取纯GOCE和GRACE、GOCE混合卫星重力场模型，基于大地水准面高差法确定我国1985高程基准与全球高程基准之间的基准差。为减弱卫星重力场模型截断误差对基准差的影响，利用高分辨率重力场模型EGM2008扩展卫星重力场模型至2190阶，计算结果显示卫星重力场模型截断误差对确定我国1985高程基准与全球高程基准之间的基准差的影响约16cm。利用EGM2008模型扩展卫星重力场模型时，不同的拼接阶次构成的组合模型精度不同，当选取最优的拼接阶次时组合模型的精度最高，且不同卫星重力场模型对应的最优拼接阶次不同。利用GPS水准数据检验，最优拼接阶次构成的组合模型在中国区域的精度均优于18cm。DIR-5和TIM-5与EGM2008模型以最优拼接阶次构成的组合模型确定的我国1985高程基准重力位精度最高，均为1.51m2S-2，确定的重力位分别为62636853.47m2s-2和62636853.49m2s-2。　　利用大地水准面高差法确定基准差时，在中国区域，重力场模型确定的大地水准面高与GPS/水准数据确定的大地水准面高之间的差值存在较小的系统偏差，可利用改正模型估算该倾斜量。将GPS/水准数据以经纬度划分为不同的区域，由于我国水准原点位置的特殊性，随着水准数据误差的不断积累，对于我国而言呈现出大地水准面高差随经度变小而逐渐变大。利用模型减弱该倾斜，考虑倾斜改正后确定的我国1985高程基准与全球高程基准之间的基准差精度提高约2cm。因此，采用验潮站周边或水准原点周边的GPS/水准数据确定基准差较合理，采用验潮站周边的数据确定的基准差或重力位精度优于选取全国较均匀GPS/水准数据确定的结果。联合超高阶重力场模型和验潮站周边的GPS/水准数据确定的我国1985高程基准与全球高程基准之间的基准差精度约为10cm。因此，若要实现厘米级精度区域高程基准与全球高程基准的统一，全球重力场模型的精度和可靠性还需要进一步提高。

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