北极考察与GPS定位研究初探.pdf

第 12 卷第 1期极地研究Vol. 12, No. 12000 年 3 月CHIN ESE JOU RN AL OF POLAR RESEARCHMarch2000研究论文北极考察与 GPS定位研究初探⒇鄂栋臣 姜卫平(武汉测绘科技大学南极测绘研究中心,武汉 430079)提要 本文叙述了作者 1996 年参加“北极追踪”科学考察队进行首次北极测绘科学考察期间 ,使用GPS全球定位观测系统 ,沿雷索柳特 (Resolute)— 夸那 (Qaanaaq)— 卡波郁科 (Kap Yok)— 尤里科 ( Eureke)— 北极点 (North Pole)— 尤里科— 雷索柳特的考察路线 ,进行了冰海考察路线导航、寻找北极点、夸那及雷索柳特定点观测事后采用高精度 GPS数据处理科研软件 GAMIT对采集得到的数据进行了处理、分析 ,得到了观测点的地心及大地坐标和各点到北京的空间基线长结果表明 ,利用GPS定位系统在北极地区进行大规模范围内、高精度监测地壳运动和环境动态变化是完全可行的关键词 北极 GPS 环境动态变化1 引言全球的气候和环境正在发生变化 地球两极是反映全球变化最敏感的“指示器”、“放 大器 ”,在全球变化研究中起着重要作用。

考察极地 ,研究极区环境 ,是当前研究全球系统过程的科学家十分关注的问题北极地区在全球变化研究中具有其特殊地位 它与南极 1400 万平方公里常年被平均 约 2000m厚冰雪覆盖、荒无人烟、与世隔绝的孤立陆地相比 ,虽然都属地球高寒地区 ,但北极是为平均约 3m厚冰层所覆盖的北冰洋 ,其年平均气温要比南极高 25 ℃ 而且北冰洋边缘四周 ,主要是爱斯基摩人生存的北极圈内陆地 ,又是加、美 、俄、芬兰、丹麦、瑞典和挪威等国的部分领土 因此 ,北极区域的生态环境和各种物理现象与人类世界相互作用更为 密切 ,是极地科学工作者向往、揭示奥秘的地区之一1996 年初 ,作者随“北极追踪”考察队 (考察路线见图 1) ,在北极地区应用 GPS(全球定位系统 )等手段 ,对开展冰貌环境动态变化和地壳运动研究的可行性作了初步探索⒇[收稿日期 ] 1999 年 6 月收稿 , 1999 年9月收到修改稿[作者简介 ] 鄂栋臣 ,男 , 1939 年生毕业于武汉测绘学院天文大地测量专业现为武汉测绘科技大学中国南极测绘研究中心教授 ,主要从事南极现代测绘与地球动力学等方面的研究图 1 北极追踪考察路线图 Fig. 1. Map of“ Arctic Tracing” expedition route.2 导航与定位观测“北极追踪”的测绘考察 ,一是为考察队行进路线提供导航、气象参数测定等保障工作;二是在考察队各驻留考察地进行卫星 GPS精密定位 ,并测定出至北京和香港的最短距离和方向 ,即测定出大地线长度和方位角 ;三是观测北极区冰山、冰川、海冰分布等地理 环境和气象环境特征。

通过中国首次对北极区的测绘科学的实质性考察 ,分析环境动态变化 ,将北极纳入全球系统中和南极进行对比研究 ,开展前期可行性研究2. 1 考察路线导航和寻找北极点利用 Leica公司提供的 MX8600 型便携式导航仪 ,为考察队导航和寻找北极点 2. 1. 1巴芬湾 340km冰海考察路线导航考察队在 3 月下旬到 4 月初的考察期间 ,北极区仍然坚冰封冻 ,天气变化多端 ,考察队依靠狗拉雪撬作为运输工具 ,在巴芬湾进行考察 考察队的实时位置 ,常需向香港报告 若 遇风险 ,必须迅速提供求援地点的正确经纬度因此 ,每天在行进途中或晚上设帐扎营时 ,必须完成定位导航因天气温度在 - 30 ℃左右 , GPS接收机屏幕必须采取加温才能显示由于极区视野开阔 ,卫星信号极好 ,接收机工作正常 ,路线导航顺利 (详见导航定位表 1)33第 1 期 鄂栋臣、姜卫平: 北极考察与GPS定位研究初探表 1 MX8600 北极考察导航定位一览表 Table1.The schedule of positioning with MX8600GPS receiver during Arctic Expedition.日期点名观测温度位置纬度经度说明3. 20Resolute- 32 ℃74 ° 41 ′ 51 ″N94 ° 50 ′ 01 ″W风 6 级 3. 21Qaanaaq- 31 ℃77 ° 55 ′ 30 ″N66 ° 13 ′ 24 ″W爱斯基摩人住地 3. 25Kap Parry- 25 ℃77 ° 00 ′ 09 ″N71 ° 19 ′ 58 ″W风 10 级 3. 27途中休息点- 27 ℃76 ° 49 ′ 44 ″ N70 ° 49 ′ 38 ″ W 3. 27Moriussaq- 26 ℃76 ° 44 ′ 52 ″ N69 ° 50 ′ 36 ″ W第三设营点 3. 30Iqdiufuar- 30 ℃76 ° 10 ′ 17 ″ N69 ° 15 ′ 44 ″ W第四设营点 3. 31Qerrossuit- 29 ℃76 ° 02 ′ 59 ″ N67 ° 57 ′ 56 ″ W第五设营点 4. 2Kap York- 34 ℃75 ° 55 ′ 31 ″ N65 ° 13 ′ 23 ″ W第六设营点 4. 4北冰洋加油站- 35 ℃86 ° 18 ′ 47 ″ N78 ° 21 ′ 21 ″ W加拿大设立 4. 4北极点- 31 ℃89 ° 59 ′ 47 ″ N87 ° 34 ′ 52 ″ W寻找北极点 4. 5Eureka- 30 ℃79 ° 59 ′ 20 ″N85 ° 56 ′ 22 ″W北极考察站 (加 )2. 1. 2 寻找北极点4 月 4 日经过 6 个小时长途飞行后 ,于下午 3 点 40 分在北冰洋冰面上着陆 ,当时阳光灿烂 ,地轴极点周围是一片白茫茫广阔平坦的海冰冰面 ,取出预热好的接收机 ,立即进行寻找北极点。

在 - 31 ℃的低温环境中 ,接收机尚能很快锁住 6 颗卫星信号 ,屏幕上显示出北纬 89 ° 59 ′ 12 ″ ,也就是说 ,离极点处大约还有 1. 5km 远 然而 ,到底往哪个方向去寻找极点呢?此时 ,太阳在平衡地平圈上空转圈 ,无东南西北可言而且 ,北冰洋气候变化莫测 ,为防意外危险发生 ,考察队只能作短暂停留 ,故不可能有更多时间作试验 因此 ,利用接收机在冰 面上转一圈 ,用最大最小值原理的确定方法 ,接收机灵敏地显示出秒纬度增加的最大值方向 ,即北极点方向 因此 ,很快就找出地轴北端这个特殊的位置: 90 ° (N)2. 2 固定点 GPS精密定位观测由于极区自然环境十分恶劣 ,尤其是 3 、 4 月份 ,北极区尚未解冰 ,到处是冰雪覆盖 ,难以找到基岩 ,加上无任何特殊装备 ,故 GPS精密定位观测只选取了格陵兰岛上的夸那和加拿大的雷索柳特两点进行试验 卫星定位系统采用 Leica公司提供的 Wild 300 型双频接收机 2. 2. 1夸那定点观测夸那镇位于巴芬湾东海岸的斜坡上 ,背后有一座海拔高约 200m的山 地面由于冰雪 覆盖 ,很难找到显露基岩 ,加之自然环境恶劣 ,只一人无法远离 ,故在镇的后背山脚下的斜坡上一块显露的大岩石上设点观测。

观测环境: 1996 年 3 月 22 日下午 2 点 ,气温 - 30 ℃ , 4 级风 ,有微弱阳光 野外无帐篷观测 ,只好将接收机和控制器用塑料袋包装后放入箱内置于冰雪地上接收 8 颗卫星 ,信号正常 ,但到了下午 5 点 ,温度太低 ,接收系统不能正常工作 , 故只获取 3 小时的连续观测数据2. 2. 2雷索柳特定点观测该点位选在雷索柳特镇后山北端坡地上的一岩石处 ,与镇上相距 800m点的周围冰 土十分坚硬观测环境: 1996 年 4 月 6 日上午 9 点 ,气温 - 24 ℃ ,风为 7 级以上 ,地面风吹雪 ,刺骨寒冷对 Wild 300 采用了“特殊”的保温措施: 仪器放在箱内 ,同时放入一些“发热”化学药 , 外套帆布旅行袋 ,全套系统直接置于雪地上 从上午 9 30 至晚上 8 00,接收机工作正常 ,灵34极地研究 第 12 卷敏度高 ,一开机就锁住 7 、 8 颗卫星信号 ,未出任何故障 ,持续观测了 10 个小时 ,获得了宝贵 数据3 GPS精密定位数据处理北极区的夸那和雷索柳特两点的 GPS数据采集虽是单点观测 ,但实际上和全球 GPS卫星跟踪网中的一些站点是在同步联测。

因此 ,为了求得较高精度的 WGS-84 坐标以及至北京跟踪站的空间距离 ,在事后处理时 ,选取了全球站有同步时段的 8 个点 ,即增加了北 京、拉萨、 ANKR 、 KIT3 、 KIRU、 T HU1 、 ZWEN、 REYK等 8 个全球站其中北京、拉萨两站在中国 , ANKR在土耳其 , KIT3 在乌兹别克斯坦 , KIRU在瑞典 , THU1 在丹麦的格林兰岛 , ZWEN 在俄罗斯 , REYK 在冰岛构成国 际联测网 (见图 2 、 3) ( Dietrich et al. , 1996) 图 2 北极地区 GPS定位与国际网点位示意图 Fig. 2.The sketch map of Arctic GPS positioning and IGS points location.3. 1 GPS观测数据处理的几个问题3. 1. 1数据处理所采用的软件基线处理采用 GAMIT软件 ,平差采用武汉测绘科技大学研制的 GPSADJ软件科研 分析版GPSNAS 3. 1. 2基准站坐标相对定位的基准是由卫星星历和固定站坐标共同给出的 (刘经南 ,葛茂荣 , 1996;葛茂荣 , 1995)。

在处理该网时 ,加入了北京、拉萨、 ANKR 、 KIT3 、 KITU、 THU1 、 ZWEN、 REYK 等 8 个全球站 ,其中 ,北京、拉萨、 ANKR 、 KIT3 、 ZWEN等五个全球站有中国 96A级网的坐标96A级网的参考框架为 ITRF93参考框架 ,其参考历元为 96. 365,地心坐标在ITRF93 参考框架中的精度优于 10cm 因此 ,可用国家 A级站提供网的地面基准35第 1 期 鄂栋臣、姜卫平: 北极考察与GPS定位研究初探图 3 网的结构示意图 Fig. 3.The sketch map for the structure of the network.3. 1. 3星历星历的精度是影响 GPS高精度定位重要因素之一 广播星历的精度只有 100m左右(周忠谟等 , 1997)因而在数据处理中采用 IGS精密星历 ,其卫星轨道精度为 5 ～7cm左右3. 1. 4数据处理方案为了避免基准站、卫星星历之间可能存在的不一致性 ,采用强约束全球站和 A级站并松弛轨道的方案约束的强弱是根据站的精度来决定的 (刘经南 ,葛茂荣 , 1996)其中KIT3 为 0. 02m、 0. 02m、 0. 04m (前两个为水平方向、第三个为垂直方向 ) ,北京、拉萨、ANKR和 ZWEN为 0. 10m、 0. 10m、 0. 20m, T HU1 、 KITU、 REYK三个站只是利用其数据来传递坐标 ,约束为 1. 00m、 1. 00m、 1. 00m。

卫星轨道用参考时刻的卫星位置和速度及力模型参数表示为了提高先验轨道的精度 ,有关参数根据 IGS精密星历拟合得出 ,所代表的卫星轨道与 IGS精密星历差异在 3dm左右 因此 ,卫星轨道初值约束为 0. 10ppm,相当于 2m,太阳光压参数约束为 10 % 、 10 %、 1 %在选取全球站时 ,考虑了全球站分布对地心坐标传递的影响和 GPS网的图形强度3. 1. 5基线解算的主要模型和参数基线解算用 HP工作站上的 GAMIT软件处理 ,得出同步图形网解。