统一于地固参考系的高程基准重力场理论基础与经典概念更新

颠覆高程基准中一些传统概念和认识，创新地固参考系、高程基准与重力场理论统一逻辑。

★本文存在学术争议，致敬《测绘学报》开放包容的科学精神！

★留言栏中可公开讨论、开放争论与学术交流，欢迎加入。

★提请讲授《大地测量学》课程的大学教师们关注。

摘    要

传统地面大地测量时代建立起来的高程基准理论，难以全面适应地球重力场与卫星大地测量高速发展的需要。本文严格依据几何物理大地测量学原理与大地测量基准性要求，通过研究将物理大地测量要素和概念统一到地固参考系中所需的理论基础和实现原理，简明演绎高程基准与地球参考系、重力场之间的理论和逻辑关系，从而重新审视高程基准的一些经典概念。论文给出如下主要结果及其具体大地测量学依据：①论证了若忽略大地水准面的几何形变，则无论是正高系统、正常高系统，还是重力位数系统，高程起算面都是大地水准面，说明解析正高比其他类型正高更适合高程基准目的。②严格依据大地测量学的基准性要求，丰富了地固参考系中高程基准的重力场理论基础，导出GNSS代替水准测量的基准性条件和实现原则。③推导了空间几何物理大地测量协同的地球质心与形状极定位理论方法。该方法不依赖地球物理假设或地球动力学协议，且完全独立于地球自转运动，由大地测量学理论，科学自洽地实现地球参考系的定位定向。④推导出等正高面平行于大地水准面、正常重力场只有3个自由度的结论，并有效解决高斯约定的大地水准面与重力大地水准面的协调一致性问题。

结束语

本文严格依据几何物理大地测量学原理与基准性要求，通过研究将物理大地测量要素和概念统一到地固参考系中所需的理论基础和实现原理，重新审视高程基准的一些经典概念，以适应地球重力场与卫星大地测量高速发展的需要。主要结果包括：

（1）正（常）高在地固参考系中由重力场理论定义，具有唯一性和精密可测性，然而其物理意义（重力位数）是近似的。因而几何高程具有典型的局域性质，一般适用于地面或近地空间。

（2）推导出空间几何物理大地测量协同的地球质心与形状极定位理论方法。该方法不依赖地球物理假设或地球动力学协议，且独立于地球自转运动，完全由大地测量学理论，科学自洽地实现地球参考系的定位定向。

（3）推荐一种与重力大地水准面解析相容的全球大地位W₀确定方法，以解决高斯大地水准面与重力大地水准面的协调一致性问题。论证了正常重力场只有3个自由度，指出正常重力场也是唯一且精密可测的物理大地测量学要素。

（4）更新了高程起算基准面概念。若忽略大地水准面几何形变后，则无论是正高系统、正常高系统，还是重力位数系统，高程起算面都是（全球或区域）大地水准面。论证了分米级精度要求情况下不宜将似大地水准面作为正常高起算基准面的大地测量学依据。

（5）完善了统一于地固参考系的高程基准重力场理论基础，导出GNSS代替水准测量的基准性条件和实现原则，推荐并指出解析正高比其他类型正高更适合高程基准目的。

（6）等正高面平行于大地水准面，正高为地面点到大地水准面沿垂直于大地水准面的直线距离高度。而习惯认为，正高是地面点沿铅垂线到大地水准面的不规则曲线长度，这种认识没有大地测量学依据，是错误的。

逐一将上述6个结论，与文中对应的大地测量学依据相结合，可简明演绎高程基准与地球参考系、重力场之间的理论和逻辑关系，从而改善物理大地测量学及高程基准理论的认知水平。

《测绘学报》论文浏览和下载链接