在研究地球科学问题时，需要统一的参考系统，也就是地球坐标系，它是大地测量学和地球动力学研究的一种基本坐标系。如果忽略地球潮汐和板块运动，地球重力场和地面点的位置在这个坐标系中是固定不变的，也就是说这个坐标系仅随地球自转而转动，但宇宙间不可能存在绝对固定不动的坐标系，所以只能通过一种协议来体现该坐标系，因而也被称为协议地球参考系(conventional terrestrial reference system，CTRS)。ITRF是国际上约定统一采用的地球参考框架，是由国际地球自转和参考系服务(International Earth Rotation and Reference Systems Service，IERS)建立的全球地面观测台站，采用VLBI、SLR、激光测月(Lunar Laser Ranging，LLR)、GNSS和DORIS等空间大地测量技术，对所有观测数据进行综合分析、处理，得到地面观测站的坐标和速度场，以及相应的地球定位定向参数(earth orientation parameters，EOP)，具体方法是将各空间大地测量站的坐标集合起来，利用有关站的观测结果，通过平差确定原点差、尺度差和定向差等。

目前，ITRF已成为国际公认的应用最广泛、精度最高的地心坐标参考框架，该框架分别经历了ITRF88、ITRF89、ITRF90、ITRF94、ITRF96等到ITRF97、ITRF2000、ITRF2005、ITRF2008、ITRF2014的发展与改进，ITRF97以后的框架解算均考虑了独立解的坐标、速度方差-协方差矩阵：ITRF2000参考框架原点通过SLR数据处理加权平均得到；尺度因子及其变化通过VLBI和SLR数据处理结果加权平均得到；定向参数选择为历元1997.0的ITRF97的地球自转参数^[1]。而最新的ITRF2014框架更精确、稳定，这是由于该框架首次考虑了由大气造成的非潮汐负载效应，并且新的观测站增加到975个站址、1 499个测站，观测数据也相应增加，计算模型也得到了改进，同时由于GNSS的观测网络遍布全球，数据和产品连接了其他3种空间大地测量技术(VLBI、SLR、DORIS)，解算精度不断提高，它对ITRF起到了越来越重要的作用。

中国2000国家大地坐标系(China Geodetic Coordinate Systems 2000, CGCS2000)是为了适应中国国民经济高速发展而建立的地心坐标系，采用的是ITRF97框架，该坐标系采用的4个基本椭球参数^[2]与国际上广泛使用的1980大地测量参考系(Geodetic Reference Systems 1980, GRS80)和WGS-84 (World Geodectic System 1984)略有不同，根据这4个基本参数可以推算椭球的其他几何和物理参数。2000国家大地坐标框架与ITRF框架、WGS-84可以相互转换。由于ITRF是综合了VLBI、SLR、GNSS、DORIS等多种空间大地测量观测数据经联合平差得到的，因此中国2000大地坐标框架具有很高的精度，并需要进行更新分析^[3-5]。

测高卫星经过多年发展已有了很成熟的应用，1973年，美国国家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration，NASA)发射了第一颗试验卫星SKYLAB，第一次进行了海洋卫星雷达测高试验。在后来的40多年间，国际上先后发射了多颗测高卫星^[6]：NASA等部门发射了地球动力卫星GEO-3(1975年)、海洋卫星SEASAT(1978年)和大地测量卫星GEOSAT(1985年)；欧空局(European Space Agency，ESA)发射了遥感卫星ERS-1(1991年)、ERS-2(1995年)；NASA和法国空间研究中心联合发射了海面地形试验/海神卫星Topex/Poseidon (1992年)；美国海军与国家海洋和大气管理局(National Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA)联合发射了GFO(GEOSAT Followon) (1998年)。21世纪初，为了延续各测高任务，法国国家太空研究中心(Centre National d'Etudes Spatiales, CNES)/NASA和ESA分别于2001年12月和2002年3月发射了JASON-1和ENVISAT(Environment Sastellite)；2003年1月，NASA发射了近极轨道的激光测高卫星ICESat，主要用于监测两极冰盖的高程变化；2008年，CNES/NASA/NOAA联合发射了JASON-2；2010年，ESA发射了Cryosat-2，这是第一颗用于冰层厚度探测的卫星，结合ENVISAT卫星获取的极地冰盖图像以监测冰的覆盖范围，可以更加准确地了解气候变化对极地的影响；2011年8月16日，我国发射了海洋2号卫星(HY-2)，它可以监测海面、海面风场、有效波高、海洋重力、海表温度场和大洋环流等重要的海洋参数；2013年，欧盟发射的SARAL卫星携带了Altika雷达高度计，可提高空间和垂直方向分辨率，也可提高沿海、内陆水域的观测质量，SARAL卫星和Jason-2、Cryosat-2以及我国的HY-2等卫星组成了当下卫星雷达高度计海洋观测星座；2015年，欧洲委员会与欧空局联合实施的Sentinel-2卫星计划探测全球环境与安全监视系统(global monitoring for environment and security，GMES)中的多光谱遥感成像，用于监测全球陆地状况，其空间分辨率能达到10 m；2016年，我国发射的资源-3卫星02星搭载了试验激光测高荷载；预计2019年发射立体观测高分七号(GF-7)卫星，该卫星将具备优于1 m分辨率的立体观测能力和精度优于1 m的激光测高能力。

卫星测高测量精度由最初的米级到现在的厘米级，数据分辨率达到几千米，观测对象也由海洋扩展到冰面和沙漠等。

卫星测高在大地测量学方面可以用于确定高分辨率的海域重力异常和大地水准面^[7]，联合其他类型数据不断提高大地水准面精度，为全球高程基准统一提供辅助。另外，卫星测高还可应用于获取海深、海底地貌等信息，为舰船的航行提供安全保证。利用测高、重力场和海洋数据等可以确定近海岸平均海面高和近海区域精细重力场。

地球重力场反映地球内部物质及密度分布信息，当地球内部物质分布处于非平衡状态以及出现密度异常时，就会被探测到重力异常，而重力异常是探索地球内部结构的重要手段。高精度大地水准面对研究地球重力场以及海洋问题具有重要意义，由于海底地形起伏及海底构造复杂，洋中脊、海沟、海底断裂以及海洋环流都会影响海平面以及南极和格陵兰岛冰层的变化，这对高精度大地水准面的确定有很高要求，而重力卫星探测计划极大地提高了全球大地水准面的精度。

20世纪80年代，地球重力探测计划提出后，人们对重力卫星技术进行了深入的研究，经过30多年的理论研究、技术设计和试验，重力卫星计划得以实施，主要的卫星项目有挑战性小卫星有效载荷(Challenging Minisatellite Payload, CHAMP)、GRACE、重力场与稳态海洋环流探测器(Gravity field and steady-state Ocean Circulation Explore, GOCE)以及GRACE Follow-on。CHAMP是2000年由德国波茨坦地球科学研究中心(Geo Forschungs Zentrum，GFZ)提出并研制的世界上首颗采用高低卫星跟踪卫星(SST-HL)技术的重力卫星，它是重力卫星的开拓者。GRACE是2002年由NASA和德国宇航中心(Deutsches Zentrum für Luft-und Raumfahrt，DLR)联合开发的，采用了SST-LL/HL技术，可以高精度地探测地球重力场的中长波信号及其时变信息。GOCE是2009年由欧洲航天局(European Space Agency, ESA)研制的，是首颗搭载了重力梯度仪(superconducting gravity gradiometer，SGG)的重力卫星，它采用SST-HL/SGG技术，可以探测到地球重力场的中短波信息。GRACE Follow-on是GRACE计划的延续，由NASA与GFZ合作发射，用来继续监测地球上冰层融化、冰川退缩、海平面上升、水储量减少等现象和趋势，卫星采用与GRACE相同的卫星，该卫星将为研究和跟踪气候变化对地球冰盖融化及海平面上升的影响提供关键数据，并将有助于监测主要农业产区的地下水枯竭趋势。

重力卫星在地球科学中应用广泛，重力卫星提供的重力场和大地水准面模型可以为地球内部物理现象提供新的解释，包括岩石圈、地表构成及流变、上升和俯冲过程的地球动力学问题；精确的海洋大地水准面为研究绝对海洋环流和热传送提供基础；可以用来估算格陵兰岛和极地冰质量变化；同时为全球统一高程系统的建立提供更精细的基础。GRACE以及GRACE Follow-on数据解算的全球时变重力场模型可用于研究地表浅层的物质迁移、陆地水储量、重力变化等问题。在地球重力场模型解算方面，利用中国和美国地区的GPS/水准数据和航空重力数据的检核结果表明，武汉大学研制的超高阶重力场模型SGG-UGM-1(2 159阶)与EIGEN-6C4(2 190阶)精度相当^[8]。

GNSS、遥感技术(Remote Sensing，RS)和地理信息系统(Geographic Information System，GIS)(统称为3S)是空间技术、传感器技术、卫星导航技术和计算机技术、通信技术相结合，多学科高度集成的对空间信息进行采集、处理、管理、分析、表达、传播和应用的现代信息技术。GNSS、RS和GIS在空间信息采集、动态分析与管理等方面各具特色，且具有较强的互补性：RS主要用于快速获取目标及其环境的信息，发现地表的各种变化，及时对GIS进行数据更新；GIS通过空间信息平台对GNSS和RS及其他来源的时空数据进行综合处理、集成管理及动态存取等操作，并借助数据挖掘技术和空间分析功能提取有用信息，为其他相关智能化应用服务。在世界加速发展的今天，这一特点使得3S技术在应用中紧密结合，并逐步朝着一体化集成的方向发展。GNSS系统主要用于目标物的空间实时定位和不同地表覆盖边界的确定，该系统除了美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧盟的Galileo外，中国北斗卫星导航系统(BeiDou Navigation Satellite System，BDS)^[9]近年来也发展迅速，它是中国自行研制的全球卫星导航系统，具备全球导航的能力，以北斗为核心的国家综合导航、定位、授时(positioning, navigation and timing，PNT^[10])体系能显著提升国家时空信息服务能力，为全球用户提供更为优质的服务。

北斗系统提供的卫星导航网、地基增强网、移动通信网等为大数据的建立提供了基础平台，而智慧城市、PNT定位、气象监测与环境监测等都离不开大数据的支持，例如现已开始推行的“车联网”设备已被应用到多个城市。而PNT技术是综合国力的战略标志，服务于国民经济、国家安全、军事领域等各方面，如果没有PNT，智慧城市^[11]就不能实现智慧停车、智慧交通、智慧物流、测量并确定城市美丽指数和计算城市的各类综合指数等^[12]；如果没有PNT的支持，海洋不可能实现海平面、海沟、海底数据等的智能使用；如果没有PNT的支撑，大数据就是一堆乱数据、杂数据，并不能为智慧城市、智慧海洋等服务。所以说，大数据是靠定位、导航、授时来寻找它的规律，发现它的线索而提供决策的。

中国的位置服务主要是发展北斗应用二代系统^[13]，中国已经建成5 000多个连续定位参考站(continuously operating reference stations，CORS)站点，可以接收北斗信号及数据。然而，由于GNSS的信号从几万千米传来，非常弱，极易被干扰、遮蔽，地面控制端出现的问题也会导致信号出问题，这就需要人们基于不同原理、多种信息源，并经过云平台控制、多传感器高度集成和多源数据的融合，生成时空基准统一的且具有抗干扰、稳健、连续、可用的全空间综合PNT服务体系，多信息源必然提高可观测性、可用性，融合PNT必然提高PNT服务的连续性。

海洋自然资源的勘探和离岸工程、航运、救援与航道、近岸工程、海啸、海洋地震、海洋磁力等其他海底工程的开发以及测量工作也随着现代计算机网络的发展过渡到海洋信息的网络化和智能化。

过去，海洋测量的载体是船舶，而船舶的续航力十分有限，出测又受到天气和海况的限制，全球海域又如此广大，因此海洋测绘亟需实现自动化与智能化。在计算机科学、空间科学、信息科学和互联网技术等快速发展的推动下，北斗二代卫星导航系统应用范围扩展到海洋测绘上^[14]，而且利用北斗多频观测船只姿态测量具有很高的精度和效率；在航道测量中，GNSS定位技术改变了传统经纬仪测量的人工操作方式，保证了水上测量的安全和效率；而遥感遥测技术的研究主要集中在海洋和航道测绘中；航空摄影测量及遥感技术在海岸带和海岛礁地形测绘与海岛礁识别定位中也得到广泛应用。

陆-海大地水准面精化、垂直基准转换和海洋潮汐模型构建与应用等陆-海一体化测绘技术体系取得了实质性进展，综合了海洋测绘、海洋水文、海洋气象、海洋地质等学科的海洋地理信息系统，在大数据库和数字模型等技术基础上也实现了海洋信息服务的统一化、网络化。

随着移动设备(如手机、平板电脑)和物联网设备的性能增长，基于位置感知的app也在快速增长，位置感知变得越来越重要。在室内和室外环境下，连续可靠地提供位置信息可以为用户提供更好的服务，室外定位由于信号宽广、遮挡少，已经发展十分成熟，基于GNSS和地图的位置服务已被广泛应用。而室内定位还面临很多挑战，其环境动态性强，室内布局千差万别，室内环境精细度不同，这些环境的独特特征使得现有的很多解决方案是针对特定的环境和应用的，如果移植到其他环境和应用并不适合，所以室内定位的发展面临很多问题，在精度、覆盖范围、可靠性、成本、功耗、可扩展性和响应时间等方面还需加大技术改进。

经过多年发展，现在主要的室内定位技术有超声波室内定位技术、射频识别(radio frequency identification，RFID)室内定位技术、红外线定位技术、iBeacon蓝牙室内定位技术、Wi-Fi室内定位技术、超宽带室内定位技术、ZigBee室内定位技术，这些技术各有优势，同时也有各自的局限^[15]，所以单一的技术不能满足室内定位的所有需求，只有采取多种技术的融合，充分发挥单一技术的优势，才能满足不同环境的要求，达到最优的解决方案。

2018年7月1日起，自然资源系统将全面使用2000国家大地坐标系，1980西安坐标系和1954北京坐标系将正式退出历史舞台，原有坐标系下成果到2000国家大地坐标系的转换，以及2000国家大地坐标系的更新将是我国大地测量的主要任务之一^[16]。

在框架实现的动态特性、板块运动和速度场模型、框架点精度和三维地心坐标系框架的建设等方面，还有很多工作亟待开展。BDS对CGCS2000参考框架的更新具有重要意义。一方面，北斗系统的空间基准是2000国家大地坐标系，另一方面，北斗将成为CGCS2000参考框架实现、维持与精化的重要空间观测手段，进而实现兼容北斗的国家地心坐标系及参考框架。随着2020年北斗系统的全球运行，CGCS2000必将成为真正的国际地心坐标系之一。另外，当前我国正在开展北斗增强网的建设，各省市的CORS网升级北斗的工作，对于实现CGCS2000参考框架的动态特性具有重要意义。

2018年9月, 美国NASA发射了第二代激光测高卫星ICESat-2，其科学目标是量化极地冰盖对当前海平面变化的影响，以及对全球气候变化和海洋环流的影响；探究冰盖的季节性变化，估计海冰厚度，探究冰/海洋/大气在能量、质量、降水量的交换；测量植被覆盖高度；促进其他地球观测系统的发展。作为ICESat卫星的后续卫星，ICESat-2卫星精度更高。与ICESat卫星数据相结合，可以提供过去十多年间冰的变化情况，这对于极地冰盖变化的研究具有重要意义。

中法海洋卫星(China-French Oceanic Satellite，CFOSat)是中国国家航天局(China National Space Administration，CNSA)和CNES共同实施的卫星，于2018年10月29日在酒泉发射，其主要目标是通过监测全球尺度下的海表风浪来提升海洋气象风浪预报能力、海洋动态模型和预测能力、对气候变化的理解能力等。

NASA和CNES联合实施的地表水与海洋地形学(Surface Water and Ocean Topography，SWOT)卫星计划于2021年发射，可以探测到90%的地表水，分辨率为目前的10倍。Ka波段雷达干涉仪(Ka-band radar interferometer，KaRIN)是SWOT的主要荷载，可以实现对地表的高精度、高分辨率宽刈幅干涉测量。

预计2019年初发射的GF-7卫星是中国自主研发的第一颗亚米级民用立体测图卫星，两线阵光学全色影像分辨率0.7 m，主要用于开展我国1:1万比例尺测图，服务于自然资源、住建和统计行业应用。为了满足卫星影像测图高程精度要求，GF-7卫星携带国产激光测高仪、激光足印相机等载荷，开展精细地形测量，辅助提升GF-7卫星高程测量精度。

另外，中国的HY-2D卫星计划将于2019年实施，它是HY-2系列卫星之一，该系列卫星可以实现对海洋近10 a的连续观测，其目标是用微波传感器监测动态海洋环境，包括海洋表面风场、海面高度和温度等。

这些探测任务的实施将有助于人们更好地理解全球海洋和地表水的循环机制，对水文学、海洋环流和全球气候等方面的研究具有重要意义。

GRACE卫星已成功应用于陆地水储量、冰川质量变化、海洋测绘和地震等相关研究中，其后续卫星GRACE Follow-on于2018年5月22日发射，其主要目标是持续跟踪全球水循环，研究地下水储量、河流湖泊、土壤湿度以及冰川质量的变化等。其上搭载了激光干涉测距仪，两颗卫星之间的距离测量精度比原有的微波测距精度有较大提高，使得探测重力场的精度至少提升了10倍。该卫星的数据处理及应用将成为地球重力场的研究热点之一。

CHAMP、GRACE、GOCE和GRACE Follow-on 4个重力探测卫星的成功实施为中国自主发射重力卫星计划提供了很好的借鉴。目前，中国卫星重力测量计划在卫星跟踪模式的选取、关键载荷的组合、轨道参数的设计以及反演方法的改进等方面进行了研究论证，K波段测距系统、激光干涉星间测距仪、重力加速度计等关键载荷的自主研制是实现卫星重力测量计划的巨大挑战。

2020年35颗北斗卫星组网任务正在有条不紊的实施中。2018年8月25日，中国以“一箭双星”方式成功发射第35、36颗北斗导航卫星，它们是北斗三号全球系统第11、12颗组网卫星。北斗卫星的全球化是构建中国自主综合PNT体系的关键。

PNT定位导航授时是国家信息建设的基础要素，对“一带一路”的建设、互联网+、智慧城市、智慧海洋、云平台、大数据的挖掘等都具有重要意义。但目前的大多数PNT用户依赖于GNSS，由于GNSS具有信号弱、易被干扰、信号不能全球覆盖的缺点，使得PNT亟待升级。而综合PNT是指基于不同原理、多种信息源，经过云平台控制、多传感器高度集成和多源数据的融合，生成时空基准统一的且具有抗干扰、防欺骗、稳健、可用、连续、可靠的全空间PNT服务体系^[17]。信息多元化、空天地一体化的综合PNT是PNT未来的发展方向。而随着北斗的全球化，基于北斗的PNT将是中国要构建的综合PNT。

发展“数字海洋”、“经略海洋”，建设海洋强国是中国的重要发展战略，对维护国家主权、发展国民经济等具有重要意义。

近年来，中国高度重视海岛礁陆海一体化测绘技术，促进了海洋测绘与其他技术的融合与发展，航空摄影测量和遥感技术、无人水面测量船、船载陆海一体化地形测量技术、船载平台的激光测距定位技术等都取得了明显进步^[18]。在海底地形和海洋重磁测量方面，中国数据处理达到世界先进水平，但观测平台和仪器设备方面，在种类、小型化、智能化、精度和分辨率等方面均具有很大差距。陆海大地测量基准统一、海底框架点的建设与维护、多传感器融合导航、极区导航定位^[19]、多平台下高精度国产海洋重力仪的研制、无人机海洋航磁测量等关键技术攻关仍然是亟待解决的问题。

“大数据”时代的到来为海洋测绘的发展带来了新的机遇。卫星、飞机、船测、海底传感器、浮标等多源异构数据都是海洋大数据的来源，而海洋大数据特有的时空耦合和地理关联特征为海洋测绘的发展带来了挑战，未来的科研工作需要探索海洋大数据与各学科的交叉融合技术，云存储、物联网、泛在计算等前言信息技术的有效利用，以及数据共享机制的研究等^[20]。

目前室内定位的精度普遍在2~5 m之间，“最后1 m”是室内定位的主要目标，也是实现高精度室内外无缝定位的关键。5 G、单源广覆盖、多种技术融合或将成为未来高精度室内定位的核心技术之一。机器视觉与Slam相结合可以实现自主的室内外导航定位，北斗导航系统的应用使得高精度室内外无缝定位成为可能，而极端恶劣条件下的高精度室内定位依然是未来研究的难点问题。

此外，大地测量与导航定位技术的发展紧密围绕军民融合、“一带一路”、全球地理信息资源建设等国家发展战略的需求，与新型基础测绘、地理国情监测、应急测绘、航空航天遥感测绘、全球地理信息资源开发等协同发展。

近年来，中国在卫星大地测量学的诸多应用领域取得重要进展，2000国家大地坐标系的建立，测高卫星关键技术的攻关和数据处理应用，超高阶重力场模型的构建，国家(区域)与全球高程基准统一，GNSS、SLR、VLBI与DORIS等的融合应用，高分辨率海洋重力场的反演，海底地形模型的构建，以及室内定位技术的改进等。但互联网+、人工智能等技术的快速发展对卫星大地测量学提出了更高要求。

2000国家大地坐标系的推广、坐标框架的定期更新以及动态特性的实现是主要任务，关键技术攻关和自主重力卫星任务的实施将提高中国空间探测的国际影响力，以北斗为核心的综合PNT构建对国防安全、互联网、物联网等都具有重要意义，大数据时代的到来为海洋测绘的发展带来新的机遇和挑战，是实现海洋强国战略的重要途径，而室内定位方面，亟待研究新技术实现“最后1 m”的目标。另外，随着“大数据”时代的到来，各学科的交叉与融合是科学研究的必经之路，大地测量手段和信息日益丰富，除了更好地推动地球科学的发展以外，也势必促进气象学、环境科学、计算机科学等的发展。