勇闖三關(guān)，國產(chǎn)測量裝備登上地球之巔

5月27日11時(shí)，2020珠峰高程測量登山隊(duì)攜帶國產(chǎn)測量儀器，克服重重困難，成功從北坡登上珠穆朗瑪峰頂。登頂后，測量登山隊(duì)員在峰頂豎立起測量覘標(biāo)，使用使用GNSS(全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)）接收機(jī)通過北斗衛(wèi)星進(jìn)行高精度定位測量，使用雪深雷達(dá)探測儀探GNSS測了峰頂雪深，并使用重力儀進(jìn)行了重力測量。隨著測量數(shù)據(jù)的順利采集，本次珠峰測量任務(wù)外業(yè)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(fā)的高精度測量儀器。

珠峰高程測量尤其是峰頂測量，既是對(duì)測量登山隊(duì)員身體極限的挑戰(zhàn)，也是對(duì)測量設(shè)備性能指標(biāo)的挑戰(zhàn)。測量設(shè)備除了要具備高精度計(jì)量特性外，還要能適應(yīng)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(jìn)行的歷次珠峰高程測量中，進(jìn)口測繪設(shè)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(huì)的方方面面，國際領(lǐng)先的產(chǎn)品在各行各業(yè)不斷出現(xiàn)。在這樣的大背景下，用國產(chǎn)測量設(shè)備測量珠峰高度水到渠成。”2020珠峰高程測量技術(shù)協(xié)調(diào)組組長、中國測繪科學(xué)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(jīng)受住了重重嚴(yán)苛考驗(yàn)，體現(xiàn)出國產(chǎn)測繪技術(shù)裝備強(qiáng)大的研發(fā)能力、先進(jìn)的技術(shù)水平。

質(zhì)量性能關(guān)自主創(chuàng)新瞄準(zhǔn)更高精度2020珠峰高程測量綜合運(yùn)用GNSS測量、精密水準(zhǔn)測量、光電測距、雪深雷達(dá)測量、重力測量、天文測量、衛(wèi)星遙感、似大地水準(zhǔn)面精化等多種傳統(tǒng)和現(xiàn)代測繪技術(shù)，精確測定珠峰高程。本次珠峰測量充分利用了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、資源三號(hào)(ZY)等遙感衛(wèi)星系統(tǒng)，設(shè)備主要包括主要包括GNSS接收機(jī)和天線、長測程全站儀、峰頂覘標(biāo)、雪深雷達(dá)測量儀、珠峰重力儀等。

應(yīng)用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行高精度定位，是本次珠峰高程測量的一項(xiàng)重要技術(shù)創(chuàng)新，GNSS接收機(jī)則是關(guān)鍵設(shè)備。據(jù)了解，2005年珠峰高程測量中，測量登山隊(duì)員攜帶衛(wèi)星導(dǎo)航定位儀登頂進(jìn)行了測量。但當(dāng)時(shí)我國北斗系統(tǒng)處于試驗(yàn)階段，無法解決高精度測量需求，衛(wèi)星導(dǎo)航定位儀測量主要依賴美國GPS，高精度衛(wèi)星導(dǎo)航定位測量設(shè)備都是進(jìn)口產(chǎn)品。

15年來，隨著北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展，國產(chǎn)高精度GNSS接收機(jī)經(jīng)歷了OEM板、天線、芯片“從無到有、從有到優(yōu)”的發(fā)展歷程。射頻芯片、基帶芯片、天線等基礎(chǔ)類產(chǎn)品也已完全國產(chǎn)化。從近幾年GNSS接收機(jī)新產(chǎn)品型式評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)情況來看，國產(chǎn)GNSS接收機(jī)以及核心元器件不僅實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化，性能和質(zhì)量也不遜于進(jìn)口產(chǎn)品。

精度是測繪的生命。2019年11月初，中國測繪科學(xué)研究院國家光電測距儀檢測中心對(duì)珠峰測量儀器設(shè)備選型檢測時(shí)，依據(jù)相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)考慮珠峰測量工作環(huán)境的特殊性，就明確了GNSS接收機(jī)高程測量的準(zhǔn)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(chǎn)GNSS接收機(jī)由上海華測導(dǎo)航技術(shù)股份有限公司提供，具備接收多星系統(tǒng)數(shù)據(jù)的功能，以北斗衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收為主，同時(shí)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(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)信號(hào)，使測量更為準(zhǔn)確。得益于使用北斗三代數(shù)據(jù)，有效消除誤差，GNSS接收機(jī)水平測量精度已達(dá)2.5毫米。

水準(zhǔn)測量是珠峰高程測量的重要手段。測量時(shí)，需要在地面兩點(diǎn)間安置水準(zhǔn)儀，觀測豎立在兩點(diǎn)上的水準(zhǔn)標(biāo)尺，按標(biāo)尺上讀數(shù)推算兩點(diǎn)間的高差。珠峰高程測量中，水準(zhǔn)儀無法直接測量至峰頂，需要在海拔6000米左右架設(shè)長測程測距儀器觀測峰頂?shù)囊棙?biāo)進(jìn)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(shí)，難題出現(xiàn)了。由于現(xiàn)在超長距離測距都是使用GNSS，世界范圍內(nèi)已經(jīng)沒有廠家研發(fā)生產(chǎn)超長距離測距儀，而在珠峰測量中又無法提前在峰頂架設(shè)衛(wèi)星接收站。“珠峰最遠(yuǎn)的測量點(diǎn)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(duì)（以下簡稱國測一大隊(duì)）等單位合作，專家團(tuán)隊(duì)聯(lián)合攻關(guān)，在短短2個(gè)月的時(shí)間里，研制出了滿足珠峰高程測量的長測程、高性能全站儀。

據(jù)了解，這款長測程全站儀的成功研制，實(shí)現(xiàn)了我國在該裝備制造領(lǐng)域零的突破，不僅解決了珠峰峰頂交會(huì)測量的問題，還解決了常規(guī)大地測量中超遠(yuǎn)距離測距的問題。在峰頂測量中，還要使用雪深雷達(dá)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(shè)備，這次國測一大隊(duì)找到了南方測繪等廠家，提出了需求。普通的雷達(dá)探測只能探測到下方是什么物質(zhì)，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(dòng)。“我們的隊(duì)員把創(chuàng)新寫在野外實(shí)踐中。中隊(duì)長柏華崗從去年7?就開始和廠家對(duì)接，用了四五個(gè)月的時(shí)間不斷修改方案，把衛(wèi)星定位設(shè)備加上去、把時(shí)間系統(tǒng)加上去，反復(fù)測試并改進(jìn)。這次在海拔7028?營地，測量登山隊(duì)員們?cè)俅芜M(jìn)行了測試，把冰雪的介質(zhì)參數(shù)算出來，保證峰頂測量的準(zhǔn)確。”國測一大隊(duì)隊(duì)長、2020年珠峰高程測量現(xiàn)場總指揮李國鵬說。

低溫低壓關(guān)裝備經(jīng)受住極限考驗(yàn)低溫、低壓、低氧，是珠峰地區(qū)特殊的自然環(huán)境。另外，防塵防水也達(dá)到了當(dāng)前測繪儀器最高要求的IP68標(biāo)準(zhǔn)，儀器必須能嚴(yán)格防止灰塵進(jìn)入，即使儀器完全浸沒在水中也不會(huì)發(fā)生損壞。

曾參加2005年珠峰高程測量的國家基礎(chǔ)地理信息中心高級(jí)工程師張江齊，談起極限條件對(duì)設(shè)備的考驗(yàn)，至今仍記憶猶新：“盡管當(dāng)時(shí)選用的全是進(jìn)口設(shè)備，但在對(duì)峰頂?shù)臏y量中幾乎所有設(shè)備都或多或少地出現(xiàn)了問題，幸虧所有設(shè)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(shè)備在低溫環(huán)境下能正常工作，華測導(dǎo)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(zhì)量等級(jí)的寬溫產(chǎn)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(shí)；天線線纜選用耐低溫材質(zhì)，確保在低溫條件下不會(huì)開裂，傳輸信號(hào)不會(huì)衰減。同時(shí)，反復(fù)進(jìn)行各種環(huán)境測試：產(chǎn)品整機(jī)和所有配件在零下55℃環(huán)境下低溫貯存48小時(shí)，在零下45℃環(huán)境下低溫工作24小時(shí)。

為了確保設(shè)備在低氣壓環(huán)境下穩(wěn)定工作，在器件選型上，華測導(dǎo)航提供的GNSS接收機(jī)選用的元器件避免存在液態(tài)或密閉有腔體的情況；在產(chǎn)品設(shè)計(jì)上，整機(jī)裝有防水透氣閥，保證內(nèi)外壓力一致，不會(huì)因氣壓快速變化導(dǎo)致按鍵異常；在質(zhì)量控制上，對(duì)元器件和整機(jī)開展二次篩選工作，并在最低25千帕的低氣壓環(huán)境（對(duì)應(yīng)海拔10000米高度）下進(jìn)行不同低溫和低壓的組合測試，確保設(shè)備能在峰頂?shù)膼毫迎h(huán)境下正常工作。

豎立在峰頂?shù)臏y量覘標(biāo)一直是珠峰高程測量的標(biāo)志性設(shè)備。覘標(biāo)的制造過程并不容易，要結(jié)合光學(xué)測距、測角的需求，還要考慮峰頂?shù)臏囟取穸取２馁|(zhì)如何選擇既要考慮到硬度，還要考慮到堅(jiān)固性、韌性和重量，還必須耐零下幾十度的低溫。國測一大隊(duì)和南方測繪合作，先后嘗試了碳纖維、鋁合金等材質(zhì)，經(jīng)過反復(fù)溝通、測試，最終做出了符合要求的鋁合金覘標(biāo)。

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(jù)悉，2005年珠峰高程測量中，國測一大隊(duì)隊(duì)員任秀波和柏華崗曾把重力測量推進(jìn)到海拔7790米，創(chuàng)下了當(dāng)時(shí)重力測量最高海拔的世界紀(jì)錄。為了將重力測量推向峰頂，國測一大隊(duì)在選用基本與1975年、2005年類型接近的國產(chǎn)高精度重力儀基礎(chǔ)上，與生產(chǎn)廠商國機(jī)集團(tuán)一起，針對(duì)珠峰地區(qū)環(huán)境進(jìn)行了進(jìn)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(jīng)過嚴(yán)格模擬環(huán)境條件檢測后，將入選設(shè)備送到黑龍江的漠河地區(qū)實(shí)際高寒環(huán)境、西藏地區(qū)的高海拔環(huán)境進(jìn)行了多次野外實(shí)地試驗(yàn)，確保測量設(shè)備能適應(yīng)低溫低壓環(huán)境。

有人曾做過測算，在海拔5000米左右時(shí)，人徒步行走相當(dāng)于平地負(fù)重30公斤。

在珠峰地區(qū)極端環(huán)境中，測量隊(duì)員要徒步從大本營到峰頂，其間既有嚴(yán)寒，還會(huì)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(shè)備輕便易攜帶、操作最簡單可靠，是面臨的另一大挑戰(zhàn)。

“登山隊(duì)員和測量人員防護(hù)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(duì)測量登山隊(duì)員來說都是沉重的負(fù)擔(dān)。

據(jù)了解，在輕便易攜方面，國產(chǎn)測量儀器已經(jīng)領(lǐng)先于同類型的進(jìn)口裝備。以華測導(dǎo)航提供的GNSS接收機(jī)為例，其主機(jī)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(shè)備主機(jī)重量達(dá)2.34千克，天線重量為590克。

這是如何做到的呢？華測導(dǎo)航硬件研發(fā)總監(jiān)張沛堯告訴記者，一方面，設(shè)備從芯片到模塊的集成度較高；另一方面他們?cè)谶x材用料時(shí)下了很多功夫，選用鋁鎂合金，既保障設(shè)備的強(qiáng)度又減輕了重量。此外，針對(duì)這次珠峰高程測量任務(wù)，他們優(yōu)化了主機(jī)的功耗，使電池的重量也減輕了。

為了讓GNSS接收機(jī)更加便于測量人員操作，確保設(shè)備在攀登過程中不受跌落影響，在操作過程中不會(huì)出錯(cuò)，華測導(dǎo)航對(duì)提供的設(shè)備前、后面板采用加固防護(hù)設(shè)計(jì)，減少多余的接口，這也讓設(shè)備減輕了部分重量。

“中國制造能登頂珠峰，是因?yàn)樗袇⑴c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(shè)備推到一個(gè)新高度。”黨亞民說，為了這一目標(biāo)，技術(shù)支撐單位、實(shí)施單位緊密配合，提出更新更高的要求，各廠家根據(jù)這些特殊要求積極對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行了優(yōu)化、改進(jìn)。

“在2020珠峰高程測量整個(gè)組織過程中，自然資源部始終堅(jiān)持自主創(chuàng)新、科技引領(lǐng)的理念，不斷推動(dòng)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(fā)的測量裝備完全有能力、有實(shí)力承擔(dān)這樣的國家任務(wù)，國產(chǎn)測繪裝備總體技術(shù)和產(chǎn)品已經(jīng)達(dá)到世界級(jí)先進(jìn)水平，中國測繪人只能依賴進(jìn)口裝備測量珠峰高程的歷史已一去不復(fù)返！”（中國自然資源報(bào)）