国家现代测绘基准建设与服务

张 鹏，武军郦，孙占义

（国家基础地理信息中心，北京 100830）

0 引 言

测绘基准主要包括大地基准、高程基准和重力基准，是进行各种测量工作的起算数据和起算面，新中国建立以来，测绘基准在经济建设、社会发展和国防建设等方面发挥了重要作用。2003年国家测绘局、总参测绘局和中国地震局通过整合全国范围2 518个GPS控制点和30个连续运行基准站形成了“2000国家GPS大地控制网”，同时对原有的国家天文大地网进行了两网联合平差处理，最终建立了“2000国家大地坐标系”，并于2008年7月发布使用[1]。我国高程基准目前采用1985国家高程基准。高程控制网分别在1976～1984年和1981～1988年、1991～1998年,进行了3次国家高等级水准网建设与观测，包括一等水准100个环，共计9.3×104km，以及二等水准路线13.6×104km[2-3]。我国现行的重力基准由“2000国家重力基本网”实现，由21个基准点、126个基本点和112个引点构成，精度优于±10×10-8ms-2[4]。

历经几十年的发展，我国现行的测绘基准基础设施陈旧和损毁严重、技术体系不完善的现实，破坏了测绘基准体系的完整性，降低了测绘基准的服务能力和成果的可用性，不能满足现代应用的需求。主要表现在：我国现行的坐标系统维持能力欠缺，未能彻底摆脱传统静态坐标系统的模式，科学性亟待提高；高程基准成果现势性弱，属性成果维持难度比较大，同时高程系统局部和静态特点也不适应现代社会发展的需要，与国际高程基准的接轨以及动态维持成为难点；重力基本网的密度不够均匀，服务能力不足。因此，迫切需要开展现代基准工程建设，建立高精度、地心、动态、统一的现代测绘基准体系，这对于提高我国测绘地理信息保障服务能力、满足经济社会发展需求等具有重要意义[5-8]。

1 国家现代测绘基准体系基础设施建设工程

国家现代测绘基准体系基础设施建设工程于2012年启动，2017年5月通过了验收。工程利用现代测绘空间信息技术，建设了一套地基稳定、分布合理、利于长期保存的全新测绘基准基础设施，更新了现有测绘基准成果，形成了一系列技术标准和规范，这些成果陆续在国家、省级基准服务以及行业领域得到了广泛应用。相对传统测绘基准，实现了国家大地坐标系统地心化，满足卫星导航坐标系与我国地图坐标系的一致性；实现坐标系统动态更新，具备更加精确和客观描述地球自转运动科学规律的能力；统一空间几何属性与物理属性，建立基准之间相互依存的联系；具备了测绘基准大规模数据科学运算、处理分析、存储备份的能力，初步形成了全国范围实时米级/分米级精度的广域差分定位能力[9]。

基准工程具体完成了以下5个方面内容：

（1）国家GNSS连续运行基准站网。完成210座国家卫星导航定位基准站建设（其中新建150座，改造60座），利用已有基准站150座，构成全国360座规模的卫星导航定位基准站网，形成国家大地基准框架的主体，可获得高精度、稳定、连续的观测数据，维持国家三维地心坐标框架，同时具备提供站点的精确三维坐标变化信息、实时定位和导航信息及高精度连续时频信号等的能力。

（2）国家GNSS大地控制网。建设完成2503座GNSS大地控制点，利用2000座，总规模4503座，作为国家GNSS卫星导航定位基准站的加密与补充，形成全国统一、高精度、分布合理、密度相对均匀的大地控制网，用于维持我国大地基准和大地坐标系统。

（3）国家高程控制网。建设完成26 327点规模的国家一等水准网（新埋设7 227点），全网路线长度12.56×104km。全网包含148个环，246个结点，431条水准路线。建立了全国统一、高精度、分布合理、密度相对均匀的国家高程控制网，改善局部薄弱地区的高程基准稳定性，并获取到高精度水准观测数据，全面升级和完善了我国高程基准基础设施，更新了我国高程基准成果。

（4）国家重力基准点。在国家已有绝对重力点分布的基础上，选择50座新建卫星导航定位基准站，进行绝对重力属性测定，属性测定结果优于设计指标。实现每300 km有一个绝对重力基准点，改善国家重力基准的图形结构和控制精度，形成分布合理、利于长期保存的国家重力基准的基础设施。

（5）国家现代测绘基准管理服务系统。建设了由数据管理、数据处理分析、共享服务及全国卫星导航定位服务4个业务子系统组成的国家现代测绘基准数据中心，具备先进的现代测绘基准数据管理、处理分析和共享服务功能，有效提升和拓展了现代测绘基准成果应用服务的能力和服务范围。

2 基准工程特点

基准工程取得了一批高水平的创新成果。工程构建了新的生产工艺流程，建成了全国范围基准站网、大地控制网、高程控制网三网深度融合的现代测绘基准设施，形成了高精度、三维、动态以及几何和物理基准融合统一的我国现代测绘基准体系。具有如下特点：

（1）规模大。基准工程是迄今为止全国规模最大的综合测绘基准基础设施建设工程。全国范围内（除港澳台外）一次性完成12.56×104km一等水准路线布设与观测，是我国最高等级、最高精度的高程控制网；2503座规模的大地控制网和360座规模的卫星导航定位基准站网建设，兼容BDS、GPS、GLONASS、GALILEO四系统，也是全球最大规模的综合地面观测设施。

（2）精度高。基准工程建设的是我国最高等级的国家平面、高程和重力控制网，施工的技术要求和精度指标在所有的大地测量技术标准、规范中是最高的。其中，卫星导航定位基准站、大地控制点的绝对地心坐标精度达到毫米级；国家一等水准网全中误差优于1mm/km；重力基准点观测精度优于5微伽。国家测绘基准服务管理系统具备每天处理600个以上卫星导航定位基准站观测数据的能力，处理精度和技术性能达到国际先进水平。

（3）设计新。基准工程首次将平面、高程、重力基准一体化理念融入布网设计，在3个方面实现了三网融合。其中，设计了一体化的新型测量标石，既是GNSS大地控制点、也是水准点，同时又可作为重力控制点，实现了测量标志基准属性的融合；综合考虑了GNSS大地控制网与国家一等水准网布设的点位位置和相互关系，尽可能将GNSS大地控制点纳入一等水准路线中，在全国范围形成大量的同期建设的GNSS大地控制点和水准点共用点，为我国厘米级（似）大地水准面建立提供了基础保障；在卫星导航定位基准站上并置重力基准点，建立平面基准与重力基准的联系。工程产出成果与其他工程建设成果进行联合处理，建立了陆地与海域测绘基准的联系。

（4）难度大。完成了世界上覆盖范围最广、长度最长、地势最复杂、精度最高的国家一等水准网的建设与更新，尤其在世界超级水准大环闭合观测方面取得了历史性突破，环长5 460 km、平均海拔4000 m以上、横跨新疆、西藏、青海三省沙漠及无人区地带超级水准大环，仅用4个月会战就实现一次性高精度闭合观测，环闭合差优于1/2限差，达到我国一等水准观测的历史最高水平。

（5）能力强。建设了国家测绘基准管理服务数据中心，基于地理信息技术和数据库技术，建立国家测绘基准数据库管理平台，实现测绘基准数据成果的海量存储、高效管理与精确处理；基于全国卫星导航定位基准站网，建立全国基准站管理服务平台，实现全国范围2000个以上卫星导航定位基准站的数据汇集、统一管理、共享服务，形成北斗最大地基增强系统，提供实时米级、分米级卫星导航定位服务；具备全国动态坐标框架更新能力，基准站时间序列以及全国基准站速度场成果每日更新；全面提升了我国测绘基准数据成果管理和应用服务能力。

3 工程成果服务

（1）坐标框架服务

基准工程建设GNSS连续运行基准站，利用其位置和速度通过内约束的方法与ITRF框架下对应的位置速度链接，实现我国区域参考框架，并通过后验的统计检验定量分析和评估参考框架的短期和中长期稳定性，从而提供高精度的基准站时间序列以及速度场等内容的坐标框架服务。

（2）数据产品服务

基准工程建立的测绘基准管理服务系统提供GPS和北斗导航系统的精密轨道、钟差和区域电离层等产品服务，其中GPS卫星轨道产品精度约为2cm量级，钟差精度优于0.2ns，与国际IGS分析中心产品精度相当；北斗GEO卫星轨道精度优于0.2 m，IGSO和MEO卫星轨道精度优于0.1m；中国区域电离层模型精度与CODE电离层产品相比优于8TECU，可满足高精度用户对轨道、钟差、电离层产品的事后处理要求。

（3）实时定位服务

依托基准工程建立的全国覆盖的卫星导航定位服务系统，实时计算并播发精密卫星轨道、卫星钟差、电离层和对流层模型等高精度产品，其中实时精密轨道、钟差和对流层模型以1s的频率播发，电离层模型产品每5分钟播发，向用户提供了实时亚米级的导航定位服务，并可向专业用户提供厘米级的定位服务。

（4）处理分析服务

基于PPP技术搭建多任务计算平台，实现了超大规模GNSS基准站网（2 000站以上）的高精度解算，并且可通过基于WEB的网络服务界面，用户可以定制数据处理策略实现对于自身观测数据远程处理和分析。

4 结束语

国家现代测绘基准工程所打下的基础形成了我国现代测绘基准体系的基本形态，初步实现了现代测绘基准维持和服务能力，为我国现代测绘基准自身建设与全球地理信息资源开发打下了坚实基础，满足现阶段国家经济建设的需要。该工程全面升级和完善了我国大地、高程和重力基准基础设施，为国家地心坐标框架和区域坐标框架的建立和维持提供了新一代、统一的测绘基准成果。这些成果将在我国国民经济建设、国防建设和社会发展中发挥重要作用，为国土资源调查、能源资源开发、重大工程建设、城乡规划、国防建设、地球科学研究、智能交通、精细农业、智慧城市、天气预报、防灾减灾以及大众位置服务等提供高精度、动态、三维的测绘基准支持与服务。

同时我国测绘基准面临着新时代的发展挑战，需根据新的技术发展和新的应用需求进行新的开拓与发展，如进一步推进各类大地测量技术的发展和融合，加大大地测量基础设施（如GNSS、VLBI、SLR、DORIS、海洋验潮以及卫星重力等）的建设，促进全球统一的大地测量参考框架的建立与维持，实现全球基准的有效统一以及几何与物理基准的有机结合，能够为“一带一路”、经济全球化、“走出去”战略的实施以及全球地理信息资源建设、全球信息化建设、国防建设、外交服务保障等提供统一的时空基准，在我国乃至全球经济建设、社会发展、生态环境保护、科学研究中发挥重要做用、做出应有贡献。