勇闖三關，國產測量裝備登上地球之巔
2020-06-03 17:22:22 來源:
中國自然資源報 
5月27日11時，2020珠峰高程測量登山隊攜帶國產測量儀器，克服重重困難，成功從北坡登上珠穆朗瑪峰峰頂。登頂后，測量登山隊員在峰頂豎立起測量覘標，使用GNSS（全球導航衛星系統）接收機通過北斗衛星進行高精度定位測量，使用雪深雷達探測儀探測了峰頂雪深，并使用重力儀進行了重力測量。隨著測量數據的順利采集，本次珠峰測量任務外業測量圓滿完成。這是我國首次在珠峰高程測量中全程使用自主研發的高精度測量儀器。
珠峰高程測量尤其是峰頂測量，既是對測量登山隊員身體極限的挑戰，也是對測量設備性能指標的挑戰。測量設備除了要具備高精度計量特性外，還要能適應極限自然條件，具有攜行安全性。
“新中國成立后直到2005年，在我國進行的歷次珠峰高程測量中，進口測繪設備都是主角。黨的十八大以后，中國制造以前所未有的廣度和深度參與國際社會的方方面面，國際領先的產品在各行各業不斷出現。在這樣的大背景下，用國產測量設備測量珠峰高度水到渠成。”2020珠峰高程測量技術協調組組長、中國測繪科學研究院研究員黨亞民表示，成功登頂珠峰，意味著我國自主測繪裝備經受住了重重嚴苛考驗，體現出國產測繪技術裝備強大的研發能力、先進的技術水平。
質量性能關自主創新瞄準更高精度
2020珠峰高程測量綜合運用GNSS測量、精密水準測量、光電測距、雪深雷達測量、重力測量、天文測量、衛星遙感、似大地水準面精化等多種傳統和現代測繪技術，精確測定珠峰高程。本次珠峰測量充分利用了北斗衛星導航系統、資源三號（ZY-3）等遙感衛星系統，設備主要包括GNSS接收機和天線、長測程全站儀、峰頂覘標、雪深雷達測量儀、珠峰重力儀等。
應用北斗衛星導航系統進行高精度定位，是本次珠峰高程測量的一項重要技術創新，GNSS接收機則是關鍵設備。
據了解，2005年珠峰高程測量中，測量登山隊員攜帶衛星導航定位儀登頂進行了測量。但當時我國北斗系統處于試驗階段，無法解決高精度測量需求，衛星導航定位儀測量主要依賴美國GPS，高精度衛星導航定位測量設備都是進口產品。
15年來，隨著北斗衛星導航系統的發展，國產高精度GNSS接收機經歷了OEM板、天線、芯片“從無到有、從有到優”的發展歷程。射頻芯片、基帶芯片、天線等基礎類產品也已完全國產化。從近幾年GNSS接收機新產品型式評價實驗情況來看，國產GNSS接收機以及核心元器件不僅實現了國產化，性能和質量也不遜于進口產品。
精度是測繪的生命。2019年11月初，中國測繪科學研究院國家光電測距儀檢測中心對珠峰測量儀器設備選型檢測時，依據相關國家標準和行業標準，同時考慮珠峰測量工作環境的特殊性，就明確了GNSS接收機高程測量的準確度，要求從每千米5毫米提高到3.5毫米。
本次登頂測量采用的國產GNSS接收機由上海華測導航技術股份有限公司提供，具備接收多星系統數據的功能，以北斗衛星數據接收為主，同時可以接收處理美國GPS、俄羅斯的格洛納斯（GLONASS）和歐洲的伽利略（Galileo）衛星導航系統信號，使測量更為準確。得益于使用北斗三代數據，有效消除誤差，GNSS接收機水平測量精度已達2.5毫米。
水準測量是珠峰高程測量的重要手段。測量時，需要在地面兩點間安置水準儀，觀測豎立在兩點上的水準標尺，按標尺上讀數推算兩點間的高差。珠峰高程測量中，水準儀無法直接測量至峰頂，需要在海拔6000米左右架設長測程測距儀器觀測峰頂的覘標進行三角高程測量，以此測量峰頂高程。
但在選擇長距離測距儀器時，難題出現了。由于現在超長距離測距都是使用GNSS，世界范圍內已經沒有廠家研發生產超長距離測距儀，而在珠峰測量中又無法提前在峰頂架設衛星接收站。“珠峰最遠的測量點距離峰頂約為18.3千米。目前世界上沒有任何一款儀器可以滿足需要，只能自己研制。”國家光電測距儀檢測中心主任齊維君說。
為此，該中心與自然資源部第一大地測量隊（以下簡稱國測一大隊）等單位合作，專家團隊聯合攻關，在短短2個月的時間里，研制出了滿足珠峰高程測量的長測程、高性能全站儀。這款全站儀的測距測程超過19千米，反射目標為六棱鏡組，距離測量精度優于（2﹢2×10-6D）毫米（D為測量距離）。
據了解，這款長測程全站儀的成功研制，實現了我國在該裝備制造領域零的突破，不僅解決了珠峰峰頂交會測量的問題，還解決了常規大地測量中超遠距離測距的問題。
在峰頂測量中，還要使用雪深雷達探測儀來探測峰頂冰雪的厚度。2005年珠峰高程測量使用的是國外的設備，這次國測一大隊找到了南方測繪等廠家，提出了需求。普通的雷達探測只能探測到下方是什么物質，并且是靜止的探測，而峰頂探測要探測冰雪深度，還要在冰雪面上移動。
“我們的隊員把創新寫在野外實踐中。中隊長柏華崗從去年7月就開始和廠家對接，用了四五個月的時間不斷修改方案，把衛星定位設備加上去、把時間系統加上去，反復測試并改進。這次在海拔7028米營地，測量登山隊員們再次進行了測試，把冰雪的介質參數算出來，保證峰頂測量的準確。”國測一大隊隊長、2020珠峰高程測量現場總指揮李國鵬說。
低溫低壓關裝備經受住極限考驗
低溫、低壓、低氧，是珠峰地區特殊的自然環境。研究表明，海拔高度每升高100米，大氣壓下降5.9毫米汞柱、溫度下降0.6℃、氧含量下降0.16%。海拔8800米以上，最低氣溫可達零下45℃，氣壓只有30千帕，而正常情況下是101千帕。
“低溫、低壓對設備的要求都是非常嚴苛的。”齊維君告訴記者，針對珠峰地區環境特點，要求儀器在零下40℃、海拔9000米的環境條件下仍可以正常工作。另外，防塵防水也達到了當前測繪儀器最高要求的IP68標準，儀器必須能嚴格防止灰塵進入，即使儀器完全浸沒在水中也不會發生損壞。
曾參加2005年珠峰高程測量的國家基礎地理信息中心高級工程師張江齊，談起極限條件對設備的考驗，至今仍記憶猶新：“盡管當時選用的全是進口設備，但在對峰頂的測量中幾乎所有設備都或多或少地出現了問題，幸虧所有設備都帶了兩套，才保證了最終測出峰頂高度。”
為了確保GNSS測量設備在低溫環境下能正常工作，華測導航按照珠峰高程測量要求，從元器件到配套的線纜、配件均選用高質量等級的寬溫產品，工作溫度范圍從零下45℃到零上85℃；定制了專用接口的耐低溫鋰電池，能在低溫條件下工作12小時；天線線纜選用耐低溫材質，確保在低溫條件下不會開裂，傳輸信號不會衰減。同時，反復進行各種環境測試：產品整機和所有配件在零下55℃環境下低溫貯存48小時，在零下45℃環境下低溫工作24小時。
為了確保設備在低氣壓環境下穩定工作，在器件選型上，華測導航提供的GNSS接收機選用的元器件避免存在液態或密閉有腔體的情況；在產品設計上，整機裝有防水透氣閥，保證內外壓力一致，不會因氣壓快速變化導致按鍵異常；在質量控制上，對元器件和整機開展二次篩選工作，并在最低25千帕的低氣壓環境（對應海拔10000米高度）下進行不同低溫和低壓的組合測試，確保設備能在峰頂的惡劣環境下正常工作。
豎立在峰頂的測量覘標一直是珠峰高程測量的標志性設備。覘標的制造過程并不容易，要結合光學測距、測角的需求，還要考慮峰頂的溫度、濕度。材質如何選擇既要考慮到硬度，還要考慮到堅固性、韌性和重量，還必須耐零下幾十度的低溫。國測一大隊和南方測繪合作，先后嘗試了碳纖維、鋁合金等材質，經過反復溝通、測試，最終做出了符合要求的鋁合金覘標。
在珠峰峰頂開展重力測量是本次珠峰高程測量的一大突破。據悉，2005年珠峰高程測量中，國測一大隊隊員任秀波和柏華崗曾把重力測量推進到海拔7790米，創下了當時重力測量最高海拔的世界紀錄。為了將重力測量推向峰頂，國測一大隊在選用基本與1975年、2005年類型接近的國產高精度重力儀基礎上，與生產廠商國機集團一起，針對珠峰地區環境進行了進一步改裝。
2020珠峰高程測量開始前，國家光電測距儀檢測中心經過嚴格模擬環境條件檢測后，將入選設備送到黑龍江的漠河地區實際高寒環境、西藏地區的高海拔環境進行了多次野外實地試驗，確保測量設備能適應低溫低壓環境。
安全便攜關讓測量人員操作簡單可靠
有人曾做過測算，在海拔5000米左右時，人徒步行走相當于平地負重30公斤。
在珠峰地區極端環境中，測量隊員要徒步從大本營到峰頂，其間既有嚴寒，還會遇到冰川、裂縫、雪崩等。他們穿著厚厚的防寒服、戴著厚厚的手套。如何讓測量設備輕便易攜帶、操作最簡單可靠，是面臨的另一大挑戰。
“登山隊員和測量人員防護裝備加氧氣瓶就近30公斤，因此所有測量裝備都必須控制在5公斤以下。”張江齊說，高寒缺氧，每增加1克對測量登山隊員來說都是沉重的負擔。
據了解，在輕便易攜方面，國產測量儀器已經領先于同類型的進口裝備。以華測導航提供的GNSS接收機為例，其主機重量為2.2千克，天線重量為400克。而同類型的美國天寶的設備主機重量達2.34千克，天線重量為590克。
這是如何做到的呢？華測導航硬件研發總監張沛堯告訴記者，一方面，設備從芯片到模塊的集成度較高；另一方面他們在選材用料時下了很多功夫，選用鋁鎂合金，既保障設備的強度又減輕了重量。此外，針對這次珠峰高程測量任務，他們優化了主機的功耗，使電池的重量也減輕了。
為了讓GNSS接收機更加便于測量人員操作，確保設備在攀登過程中不受跌落影響，在操作過程中不會出錯，華測導航對提供的設備前、后面板采用加固防護設計，減少多余的接口，這也讓設備減輕了部分重量。
“中國制造能登頂珠峰，是因為所有參與單位都有這樣的決心，要利用這次珠峰測量將中國制造的測繪設備推到一個新高度。”黨亞民說，為了這一目標，技術支撐單位、實施單位緊密配合，提出更新更高的要求，各廠家根據這些特殊要求積極對產品進行了優化、改進。
“在2020珠峰高程測量整個組織過程中，自然資源部始終堅持自主創新、科技引領的理念，不斷推動我國測量裝備邁向更高水平。”自然資源部國土測繪司司長武文忠表示，“成功登頂測量向世界證明了我國自主研發的測量裝備完全有能力、有實力承擔這樣的國家任務，國產測繪裝備總體技術和產品已經達到世界級先進水平，中國測繪人只能依賴進口裝備測量珠峰高程的歷史已一去不復返！”
珠峰高程測量尤其是峰頂測量，既是對測量登山隊員身體極限的挑戰，也是對測量設備性能指標的挑戰。測量設備除了要具備高精度計量特性外，還要能適應極限自然條件，具有攜行安全性。
“新中國成立后直到2005年，在我國進行的歷次珠峰高程測量中，進口測繪設備都是主角。黨的十八大以后，中國制造以前所未有的廣度和深度參與國際社會的方方面面，國際領先的產品在各行各業不斷出現。在這樣的大背景下，用國產測量設備測量珠峰高度水到渠成。”2020珠峰高程測量技術協調組組長、中國測繪科學研究院研究員黨亞民表示，成功登頂珠峰，意味著我國自主測繪裝備經受住了重重嚴苛考驗，體現出國產測繪技術裝備強大的研發能力、先進的技術水平。
質量性能關自主創新瞄準更高精度
2020珠峰高程測量綜合運用GNSS測量、精密水準測量、光電測距、雪深雷達測量、重力測量、天文測量、衛星遙感、似大地水準面精化等多種傳統和現代測繪技術，精確測定珠峰高程。本次珠峰測量充分利用了北斗衛星導航系統、資源三號（ZY-3）等遙感衛星系統，設備主要包括GNSS接收機和天線、長測程全站儀、峰頂覘標、雪深雷達測量儀、珠峰重力儀等。
應用北斗衛星導航系統進行高精度定位，是本次珠峰高程測量的一項重要技術創新，GNSS接收機則是關鍵設備。
據了解，2005年珠峰高程測量中，測量登山隊員攜帶衛星導航定位儀登頂進行了測量。但當時我國北斗系統處于試驗階段，無法解決高精度測量需求，衛星導航定位儀測量主要依賴美國GPS，高精度衛星導航定位測量設備都是進口產品。
15年來，隨著北斗衛星導航系統的發展，國產高精度GNSS接收機經歷了OEM板、天線、芯片“從無到有、從有到優”的發展歷程。射頻芯片、基帶芯片、天線等基礎類產品也已完全國產化。從近幾年GNSS接收機新產品型式評價實驗情況來看，國產GNSS接收機以及核心元器件不僅實現了國產化，性能和質量也不遜于進口產品。
精度是測繪的生命。2019年11月初，中國測繪科學研究院國家光電測距儀檢測中心對珠峰測量儀器設備選型檢測時，依據相關國家標準和行業標準，同時考慮珠峰測量工作環境的特殊性，就明確了GNSS接收機高程測量的準確度，要求從每千米5毫米提高到3.5毫米。
本次登頂測量采用的國產GNSS接收機由上海華測導航技術股份有限公司提供，具備接收多星系統數據的功能，以北斗衛星數據接收為主，同時可以接收處理美國GPS、俄羅斯的格洛納斯（GLONASS）和歐洲的伽利略（Galileo）衛星導航系統信號，使測量更為準確。得益于使用北斗三代數據，有效消除誤差，GNSS接收機水平測量精度已達2.5毫米。
水準測量是珠峰高程測量的重要手段。測量時，需要在地面兩點間安置水準儀，觀測豎立在兩點上的水準標尺，按標尺上讀數推算兩點間的高差。珠峰高程測量中，水準儀無法直接測量至峰頂，需要在海拔6000米左右架設長測程測距儀器觀測峰頂的覘標進行三角高程測量，以此測量峰頂高程。
但在選擇長距離測距儀器時，難題出現了。由于現在超長距離測距都是使用GNSS，世界范圍內已經沒有廠家研發生產超長距離測距儀，而在珠峰測量中又無法提前在峰頂架設衛星接收站。“珠峰最遠的測量點距離峰頂約為18.3千米。目前世界上沒有任何一款儀器可以滿足需要，只能自己研制。”國家光電測距儀檢測中心主任齊維君說。
為此，該中心與自然資源部第一大地測量隊（以下簡稱國測一大隊）等單位合作，專家團隊聯合攻關，在短短2個月的時間里，研制出了滿足珠峰高程測量的長測程、高性能全站儀。這款全站儀的測距測程超過19千米，反射目標為六棱鏡組，距離測量精度優于（2﹢2×10-6D）毫米（D為測量距離）。
據了解，這款長測程全站儀的成功研制，實現了我國在該裝備制造領域零的突破，不僅解決了珠峰峰頂交會測量的問題，還解決了常規大地測量中超遠距離測距的問題。
在峰頂測量中，還要使用雪深雷達探測儀來探測峰頂冰雪的厚度。2005年珠峰高程測量使用的是國外的設備，這次國測一大隊找到了南方測繪等廠家，提出了需求。普通的雷達探測只能探測到下方是什么物質，并且是靜止的探測，而峰頂探測要探測冰雪深度，還要在冰雪面上移動。
“我們的隊員把創新寫在野外實踐中。中隊長柏華崗從去年7月就開始和廠家對接，用了四五個月的時間不斷修改方案，把衛星定位設備加上去、把時間系統加上去，反復測試并改進。這次在海拔7028米營地，測量登山隊員們再次進行了測試，把冰雪的介質參數算出來，保證峰頂測量的準確。”國測一大隊隊長、2020珠峰高程測量現場總指揮李國鵬說。
低溫低壓關裝備經受住極限考驗
低溫、低壓、低氧，是珠峰地區特殊的自然環境。研究表明，海拔高度每升高100米，大氣壓下降5.9毫米汞柱、溫度下降0.6℃、氧含量下降0.16%。海拔8800米以上，最低氣溫可達零下45℃，氣壓只有30千帕，而正常情況下是101千帕。
“低溫、低壓對設備的要求都是非常嚴苛的。”齊維君告訴記者，針對珠峰地區環境特點，要求儀器在零下40℃、海拔9000米的環境條件下仍可以正常工作。另外，防塵防水也達到了當前測繪儀器最高要求的IP68標準，儀器必須能嚴格防止灰塵進入，即使儀器完全浸沒在水中也不會發生損壞。
曾參加2005年珠峰高程測量的國家基礎地理信息中心高級工程師張江齊，談起極限條件對設備的考驗，至今仍記憶猶新：“盡管當時選用的全是進口設備，但在對峰頂的測量中幾乎所有設備都或多或少地出現了問題，幸虧所有設備都帶了兩套，才保證了最終測出峰頂高度。”
為了確保GNSS測量設備在低溫環境下能正常工作，華測導航按照珠峰高程測量要求，從元器件到配套的線纜、配件均選用高質量等級的寬溫產品，工作溫度范圍從零下45℃到零上85℃；定制了專用接口的耐低溫鋰電池，能在低溫條件下工作12小時；天線線纜選用耐低溫材質，確保在低溫條件下不會開裂，傳輸信號不會衰減。同時，反復進行各種環境測試：產品整機和所有配件在零下55℃環境下低溫貯存48小時，在零下45℃環境下低溫工作24小時。
為了確保設備在低氣壓環境下穩定工作，在器件選型上，華測導航提供的GNSS接收機選用的元器件避免存在液態或密閉有腔體的情況；在產品設計上，整機裝有防水透氣閥，保證內外壓力一致，不會因氣壓快速變化導致按鍵異常；在質量控制上，對元器件和整機開展二次篩選工作，并在最低25千帕的低氣壓環境（對應海拔10000米高度）下進行不同低溫和低壓的組合測試，確保設備能在峰頂的惡劣環境下正常工作。
豎立在峰頂的測量覘標一直是珠峰高程測量的標志性設備。覘標的制造過程并不容易，要結合光學測距、測角的需求，還要考慮峰頂的溫度、濕度。材質如何選擇既要考慮到硬度，還要考慮到堅固性、韌性和重量，還必須耐零下幾十度的低溫。國測一大隊和南方測繪合作，先后嘗試了碳纖維、鋁合金等材質，經過反復溝通、測試，最終做出了符合要求的鋁合金覘標。
在珠峰峰頂開展重力測量是本次珠峰高程測量的一大突破。據悉，2005年珠峰高程測量中，國測一大隊隊員任秀波和柏華崗曾把重力測量推進到海拔7790米，創下了當時重力測量最高海拔的世界紀錄。為了將重力測量推向峰頂，國測一大隊在選用基本與1975年、2005年類型接近的國產高精度重力儀基礎上，與生產廠商國機集團一起，針對珠峰地區環境進行了進一步改裝。
2020珠峰高程測量開始前，國家光電測距儀檢測中心經過嚴格模擬環境條件檢測后，將入選設備送到黑龍江的漠河地區實際高寒環境、西藏地區的高海拔環境進行了多次野外實地試驗，確保測量設備能適應低溫低壓環境。
安全便攜關讓測量人員操作簡單可靠
有人曾做過測算，在海拔5000米左右時，人徒步行走相當于平地負重30公斤。
在珠峰地區極端環境中，測量隊員要徒步從大本營到峰頂，其間既有嚴寒，還會遇到冰川、裂縫、雪崩等。他們穿著厚厚的防寒服、戴著厚厚的手套。如何讓測量設備輕便易攜帶、操作最簡單可靠，是面臨的另一大挑戰。
“登山隊員和測量人員防護裝備加氧氣瓶就近30公斤，因此所有測量裝備都必須控制在5公斤以下。”張江齊說，高寒缺氧，每增加1克對測量登山隊員來說都是沉重的負擔。
據了解，在輕便易攜方面，國產測量儀器已經領先于同類型的進口裝備。以華測導航提供的GNSS接收機為例，其主機重量為2.2千克，天線重量為400克。而同類型的美國天寶的設備主機重量達2.34千克，天線重量為590克。
這是如何做到的呢？華測導航硬件研發總監張沛堯告訴記者，一方面，設備從芯片到模塊的集成度較高；另一方面他們在選材用料時下了很多功夫，選用鋁鎂合金，既保障設備的強度又減輕了重量。此外，針對這次珠峰高程測量任務，他們優化了主機的功耗，使電池的重量也減輕了。
為了讓GNSS接收機更加便于測量人員操作，確保設備在攀登過程中不受跌落影響，在操作過程中不會出錯，華測導航對提供的設備前、后面板采用加固防護設計，減少多余的接口，這也讓設備減輕了部分重量。
“中國制造能登頂珠峰，是因為所有參與單位都有這樣的決心，要利用這次珠峰測量將中國制造的測繪設備推到一個新高度。”黨亞民說，為了這一目標，技術支撐單位、實施單位緊密配合，提出更新更高的要求，各廠家根據這些特殊要求積極對產品進行了優化、改進。
“在2020珠峰高程測量整個組織過程中，自然資源部始終堅持自主創新、科技引領的理念，不斷推動我國測量裝備邁向更高水平。”自然資源部國土測繪司司長武文忠表示，“成功登頂測量向世界證明了我國自主研發的測量裝備完全有能力、有實力承擔這樣的國家任務，國產測繪裝備總體技術和產品已經達到世界級先進水平，中國測繪人只能依賴進口裝備測量珠峰高程的歷史已一去不復返！”
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