利用GNSS重力法确定南极中山站高程基准的垂直偏差.docx
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2022-11-30
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高程基准是高程测定的依据，长期以来人们一直把平均海水面作为高程起算面。高程
起算面的确定一般是由一个或多个验潮站在一定时期内的观测数据通过某种形式的平均得
到。南极大陆的总面积为 1 390 万 km
2
，相当于中国和印巴次大陆面积的总和。世界各国
在该区域开展了大量的科考和探测工作，其中包括地形测绘、重力测量等，同时建立了大
量的验潮观测站。然而，由于南极恶劣的环境并未形成与全球统一的高程基准，测绘地理
信息数据无法实现无缝对接，对全球尺度上研究与南极相关的测绘地理信息问题造成了影
响。中国南极中山站建立于 1989 年，其高程基准确定是由短期验潮观测处理得到。2010
年，中国在南极中山站建立了首个永久性验潮站，并通过水准和 GNSS（global
navigation satellite system）观测建立了已知高程基准点与验潮仪零点之间的联系
[1]
。中国
测绘工作者在南极中山站高程基准的建立方面做了富有成效的工作，为中国南极科考作出
了巨大贡献。但由于南极极其复杂的地理和气候等环境因素，中山验潮站离中国极其遥
远，跨洲跨海，至今为止还较少有科研人员研究南极高程基准的垂直偏差问题。
高程基准垂直偏差确定问题的实质就是高程基准的统一。只要能确定出不同高程基准
之间的位差或垂直偏差就能实现高程基准的统一，即对于不同的高程基准点 P、Q 来说，
地球表面上任意一点 A 的重力位 W
A
可以分别表示为：
WA=WP−CPAWA=WP−CPA
(1)
WA=WQ−CQAWA=WQ−CQA
(2)
式中，W
P
、W
Q
分别表示高程基准点 P、Q 的重力位；C
PA
、C
QA
分别表示高程基准点
P、Q 与点 A 之间的位差。如果可以分别得到 C
PA
、C
QA
的值，那么高程基准点 P、Q 的位
差 ΔW
PQ
的计算式为：
ΔWPQ=WP−WQ=CPA−CQAΔWPQ=WP−WQ=CPA−CQA
(3)
式（3）就是确定不同高程基准之间位差的位理论基础，只要求得位差，就可以根据
Bruns 公式求得垂直偏差
[2]
。目前，最常用且计算简单的高程基准位差（垂直偏差）确定方
法主要有两种：水准测量法、基于 GNSS/水准数据以及重力场模型的方法。水准测量法通
过水准仪和重力仪测量得到两点之间的位差（垂直偏差），原理简单，但在跨海以及地形
复杂区域无法实施；基于 GNSS/水准数据以及重力场模型的方法是 Burša 等人提出的
[3]
，
顾名思义就是利用 GNSS 水准数据计算得到的高程异常（大地水准面高）或异常位与地球
重力场模型对应值进行比对得到某一高程基准相对于地球重力场模型的垂直偏差或位差，
该方法的一个重要假设是在足够大的区域范围内重力场模型平均偏差为零，因此需要覆盖
范围广的 GNSS/水准数据来参与计算，从而得出统计意义上的垂直偏差或位差。
由于南极特殊的地理环境和气象条件，利用水准测量法显然无法确定南极高程基准垂
直偏差，Burša 方法由于需要分布范围较广的 GNSS/水准数据，南极非常有限的数据资源
将使计算结果不可靠，因此优选适当的方法计算南极高程基准的垂直偏差就显得十分必
要。本文收集了南极中山站 GNSS/水准数据和重力数据，优选 GNSS/重力法作为确定南
极中山站高程基准位差和垂直偏差的方法
[4]
，利用不同地球重力场模型参与计算并进行比
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