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珠峰测量背后的“黑科技”,你知道多少?

1354    2020-05-28    发布者:中国测试杂志社    来源:传感器专家网、仪表网

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5月27日11时整,2020珠峰高程测量登山队8名队登顶成功。巅峰时刻,全民沸腾。他们是为精确测量世界的新高度而来!


五大“黑科技”为珠峰精准测高
  据介绍,本次测量工作总体有五方面的技术突破,具体包括:一是依托北斗卫星导航系统,开展测量工作;二是完全利用国产测绘仪器装备完成本次测量任务;三是应用航空重力技术,提升测量精度;四是利用实景三维技术,直观展示珠峰自然资源状况;五是测绘队员登顶观测,获取可靠测量数据。具体这五方面的技术突破是如何实现的,让我们来细细分析一下。
  一、依托北斗卫星导航系统
  其中,全球导航卫星系统(GNSS)卫星测量是重要一环。在峰顶,GNSS接收机能通过卫星获取平面位置、峰顶雪面大地高等信息,而大地高与海拔之间有一定换算关系。
  值得一提的是,2005年测量珠峰“身高”时,GNSS卫星测量主要依赖GPS系统。今年将同时参考美国GPS、欧洲伽利略、俄罗斯格洛纳斯和中国北斗这四大全球导航卫星系统,并且会以北斗的数据为主。
  这是北斗系统在珠峰高程测量项目中首次应用。登顶测量时,顶峰的GNSS接收机将依托北斗系统和珠峰地区以及外围的GNSS监测网联机同步观测,同时还可监测相关地区的地壳运动。
  北斗系统是中国人自己发明的导航系统,北斗系统的区域增强功能,可以使亚太特别是中国区域可接收信号更精准,可用性更高,盲区更少,同时也保证了数据不会外泄,可靠性更高,而将北斗导航运用于珠峰测量也表示中国的导航系统已经趋向成熟。
  二、完全利用国产测绘仪器装备完成本次测量任务
  据悉,此次测量任务中,大量装备国产化,无论是可靠性、精度等都比2005年有质的提高。由于珠峰高程测量在极端环境下进行,很多装备都需特别改装研制,尤其是在峰顶使用的装备,必须能在低温、低压、低氧环境下使用。为此,多家国内生产厂商与国测一大队共同研制了多类特殊测量设备。
  2005年,我国首先测得了珠峰顶峰的岩面高程和雪深数据,当时使用的雪深雷达为意大利设备,而此次使用的雪深雷达要同时获取位置信息和雪深数据,兼具卫星大地测量和雷达系统的功能。同时,设备必须轻便、易携。多家国外企业无法研发,最终,一国内厂家研发生产成功。
  同时,配合北斗系统使用的GNSS接收机也是国产,并且是国产设备中精度较高的设备。能在世界最高峰的高程测量中应用北斗系统,是我们中国测绘人的骄傲。
  此外,这次登山队员带的仪器大部分都是国产设备,比如天顶仪、重力仪、峰顶觇标、用于三角交会测量的超长距离测距仪等均为国产仪器。我国新的测绘基准体系建设成果也应用于此次测量。可靠性、精度等都比2005年有质的提高。
  我国专家称:本次登山队将使用各种先进的设备和技术,产生“有史以来最精确的测量结果”。
  三、应用航空重力技术,提升测量精度
  据了解,此次测量将运用航空重力测量技术,提升测量精度。
  重力测量即地球表面的重力加速度值,也是精确获取高程测量成果的要素之一,可以对高程测量结果进行有效改正。重力测量一般由测绘队员操作设备在地面进行。而今年增加的航空重力测量技术,即把一系列复杂的测量系统装在飞机上,使飞机能在空中进行连续测量,相当于把重力测量仪带上了天。
  一般的重力测量采用的是地面重力测量的方法,测绘人员携带重力仪进行实地测量,将仪器放置在某个测量点位上,测量一段时间就能得到这个点位的重力数据。但珠峰地区平均海拔在5000米以上,地形地貌极其复杂,绝大部分地方人员无法到达,存在大量的重力数据空白区,这就严重制约了海拔高程起算面的精准度。
  为了填补珠峰地区地面重力资料的空白,此次测量应用了航空重力测量技术。把先进的航空重力仪安装在飞机上,这相当于在飞机安装的一个感应地球重力的传感器,它能反映地面重力的变化。飞机按照事先设计好的测线在1万米左右的高度来回飞行,多条飞行测线形成一个密集的空中重力数据面。结合机载卫星动态定位、惯性导航和重力仪数据把空中重力值测出来。
  这样,航空重力测量的结果结合地面重力测量的结果,再结合卫星资料获取的数据,通过物理大地测量的理论方法进行数据处理,把珠峰高程起算面精准地确定出来后,就可以精确测定珠峰高程。根据估算,加入航空重力测量的数据后,起算面精准度可以提高大约30%,珠峰峰顶高度的精准度自然也会相应提升。
  四、利用实景三维技术,直观展示珠峰自然资源状况
  此外,此次珠峰高程测量还首次应用了实景三维技术。这主要是为了在登山过程中给测量登山队提供指导,另外,也让公众能够更直观地看到珠峰地区的实景,更好地理解珠峰测量的过程和意义。其实从60年代起,中国科学工作者对珠峰地区进行了全面考察,珠峰在古生物、自然地理、高4102山气候以及现代冰川、地貌等多1653方面,都获得了丰富的价值。
  五、测绘队员登顶观测,获取可靠测量数据
  攀登珠峰是具有风险的任务,高程测量为什么不能通过测绘技术和高科技设备,必须要靠人来完成?相关测绘专家表示,目前的技术手段尚无法确保测量型无人机或机器人在峰顶作业。
  早期的珠峰测绘多在无人登顶的情况下进行,传统的交会测量和三角高程测量有可能出现偏差。珠峰峰顶并不是一个点,而是一个20多平方米的平面。从山脚下的各观测点瞄准峰顶测量,目标点难以一致。因此,必须由人将觇标带上峰顶。有了觇标,在山脚下布设的观测点就能更精确地照准峰顶的测量目标,从而测得精确的角度和距离。
  卫星遥感影像,目前主要用于地表的监测,它可以获得地表的一些信息。但就目前来说它的精度还是不够,大概能得到的高程方面的精度是两米,另外就是它测的也是雪面的高度,因为没有人工到峰顶上去,它就没有雪深的测量,用卫星遥感影像来珠峰测量精度是不够的。
  另外,在珠峰顶上作业对直升机的要求是非常高的,要把测量队员放下来,把测量设备、测量仪器从飞机上卸下来。珠峰顶上的地方非常小,飞机是不能降落的,而且在运动过程中,飞机的螺旋所引起的风有可能会引起冰雪的崩塌。
  因此让测绘队员亲自登顶,可以获得可靠的测量数据。


  
12大相关高科技科普
  看了以上的黑科技,大家不禁想给我们国家一个大大的赞,虽然以前已对珠峰测量过很多次了,但为了结束国际上珠峰高程不统一的混乱局面,也为了坚守我国国人精益求精的精神,我们再次用高科技政征服了珠峰,征服了世界!
  不过,看着这么多五花八门的高科技,会不会有些人表示一脸问号,好像听过,但从来没有见过,因此小编就搜集了一些相关资料来解解惑,一起来看看吧!
  1.全球导航卫星系统(GNSS)
  GNSS的全称是全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System),它是泛指所有的卫星导航系统,包括全球的、区域的和增强的,如美国的GPS、俄罗斯的Glonass、欧洲的Galileo、中国的北斗卫星导航系统,以及相关的增强系统,如美国的WAAS(广域增强系统)、欧洲的EGNOS(欧洲静地导航重叠系统)和日本的MSAS(多功能运输卫星增强系统)等,还涵盖在建和以后要建设的其他卫星导航系统。国际GNSS系统是个多系统、多层面、多模式的复杂组合系统。
  2.GNSS接收机
  就是能够接收GNSS系统信号的接收机。
  GNSS接收机可以根据用途、工作原理、接收频率等进行不同的分类。
  3.GPS系统
  全球定位系统(英语:Global Positioning System,通常简称GPS),又称全球卫星定位系统,是一个中距离圆型轨道卫星导航系统。它可以为地球表面绝大部分地区(98%)提供准确的定位、测速和高精度的时间标准。系统由美国国防部研制和维护,可满足位于全球任何地方或近地空间的军事用户连续精确的确定三维位置、三维运动和时间的需要。
  4.北斗卫星导航系统
  中国北斗卫星导航系统(英文名称:BeiDou Navigation Satellite System,简称BDS)是中国自行研制的全球卫星导航系统,也是继GPS、GLONASS之后的第三个成熟的卫星导航系统。北斗卫星导航系统(BDS)和美国GPS、俄罗斯GLONASS、欧盟GALILEO,是联合国卫星导航委员会已认定的供应商。
  5.雪深雷达
  即用雷达技术探测积雪表面到达地面的垂直深度的一种技术,主要使用雪深雷达探测仪。
  6.天顶仪
  天顶仪(Zenith telescope),精密测定纬度和纬度变化的仪器。这种仪器用于太尔各特法观测星对中天天顶距之差来测定天文纬度。一般安装在固定台站。它是国际纬度站的主要观测仪器。
  7.重力仪
  重力仪,及重力加速度仪,是确定重力加速度的测量仪器。分为绝对重力仪和相对重力仪,前者测定地球表面上一点的绝对重力值,其精度目前可达到十几微伽(μCal);后者用于测定地球表面上两点间重力值的差值,其精度目前也能达到10~20μGal,重力仪通常指相对重力仪。
  8.测距仪
  测距仪,是指一种测定飞机和地面应答台之间斜距的无线电导航设备。它由机载询问机和地面应答台组成。利用测定电波从飞机到电台之间往返所需时间来决定两者之间距离的方法。航空上采用1000MHz附近的脉冲波询问和回答,其作用距离约500km,供航路上使用。此外,为了进近着陆时和微波着陆系统配合,又发展了精密测距仪,利用上升速率更快的脉冲前沿的波形,提高精度,其作用距离约40km。两种测距仪的工作频率相同,可以兼容工作。
  9.航空重力测量
  把航空重力测量系统装在飞机上进行连续测量的—种重力测量方法。它不受地面交通条件的限制,工作效率较高。航空重力测量的原理、方法和仪器与海洋重力测量基本相同,但飞机上仪器所受的干扰加速度比船上要大几倍到几十倍,而且周期很长。空中的导航定位、航高、航速等测量要求也高,厄缶改正误差很大;静力重力仪要附加更强的阻尼易造成重力异常的畸变;且成本较高。
  10.惯性导航
  惯性导航(inertial navigation) 通过测量飞行器的加速度,并自动进行积分运算,获得飞行器瞬时速度和瞬时位置数据的技术。组成惯性导航系统的设备都安装在运载体内,工作时不依赖外界信息,也不向外界辐射能量,不易受到干扰,是一种自主式导航系统。
  11.实景三维技术
  运用数码相机对现有场景进行多角度环视拍摄然后进行后期缝合并加载播放程序来完成的一种三维虚拟展示技术。
  12.交会测量
  交会测量(intersection survey)是根据多个已知点的平面坐标(或高程),通过测定已知点到某待定点的方向或(和)距离(或测定其竖直角),以推求此待定点平面坐标(或高程)的测量技术和方法。以确定待定点平面坐标为目的者,称平面交会测量;以确定待定点高程者,称高程交会测量;以确定待定点三维坐标的,称空间交会测量;若仅在已知点设站进行观测称前方交会,仅在待定点设站进行观测称后方交会,既在待定点设站又在个别已知点设站进行观测称侧方交会。
  13.三角高程测
  三角高程测量是指通过观测两个控制点的水平距离和天顶距(或高度角)求定两点间高差的方法。它观测方法简单,受地形条件限制小,是测定大地控制点高程的基本方法。



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