互动科普

29 mai 2017, 22:07 CEST

 导语：地球并非规整的球体，那么GPS系统该如何实现准确定位？

关键词：地心；GPS；遥感

科学家们借助卫星遥感技术来确定地心。（图片来源：NASA, CC BY-SA）

在无人驾驶技术得到普及以后，精确地知道我们的汽车在路上的所处的位置是至关重要的，甚至需要把误差控制在毫米以内。我们发现目前使用的计算定位的方式可能并不合格。包括极地冰川融化在内的多种地表变化可能改变地心的位置，让我们的计算完全乱套。

用全球定位系统（GPS）精确定位需要参考地心的位置。鉴于我们无法到达地心，科学家们需要借助卫星遥感技术来间接测量它的方位以及如何移动。

这是个复杂的工作，因为地球既不是一个完美的球形，也不是全部由单一物质构成。地表巨大的变化（比如大量积雪消融）也会改变地心的位置。

这意味着本质上地心在“晃动”，但目前的测量技术无法精确测量由于海水运动导致的地心位置季节性变化。他们假设这些长期运动可以用直线来拟合。我们相信未来还有大量的工作要做。

地心在移动

地心可能不一定靠近地球的几何中心。

换句话说，炮弹的质心就在几何中心，但菠萝的质心则靠近重的一端。

同样地，对于地心来说，它更靠近在地球内部和外部载荷较重的一端。

导致地表在数十年间变形的自然过程。（图片来源：Anna Riddell, Author provided）

水可以以海、河和大气，或以冰原、冰川和雪的固体形式成为一个“重物”。比如，由于冬季在加拿大和欧洲大量的降雪降雨而造成的北半球高海平线会随着夏季的到来而改变。

这一点在测量地心时很重要。比如一个非常非常重的骑手，当他在地球表面骑行时，为了平衡，地心也会移动。同样的，在北半球春季冰雪融化，水流入大洋时，地心也远离了北半球。

一个假想的（非常重的）骑手在地表骑行会导致地心运动。（图片来源： Roelof Rietbroek, Author provided (restricted)）

当我们监测南极洲和格林兰岛的陆冰以及更小型的冰山变化时，我们也能看到地心的运动变化。

由于人类活动导致的大气和大洋变暖会引起冰雪融化，所以人类也许正在间接地改变着地心。

我们如何找到地心？

以往都是通过向轨道上的可反射卫星发射高强度激光来测量地心的。通过追踪这些小“高尔夫球”卫星，我们能够估计地心以及它的微小的变化。

地心的运动也可以通过监测重力场的变化来确定，比如通过两个相互追赶的双卫星检测，即重力恢复及气候实验卫星(GRACE)。

包括GRACE在内的18项NASA在太空执行的地球科学任务。（图片来源：NASA, CC BY）

我们发现“高尔夫球”卫星和GRACE模型这两种方法都显示地心有几毫米的移动。我们把它归因于季节性降雪，但长期变化是由于越来越多的融冰以及地球内部的运动（比如地幔变化）。

不过这两种方法在运动的数量和形式上都有出入，这说明我们还不能完全知道地心在哪以及它如何运动。

我们的研究结果还估测地心的长期运动轨迹更倾向于像香蕉一样的曲线而非直线，但目前还不清楚这是真是假。

鉴于我们收集到了更多的信息，而且对于GPS精确度的要求也与日俱增，那么关于如何测量地心的设想就需要更新了。

为什么需要知道我们处于哪个阶段

因为GPS测量与地心相关联，任何有关地心在哪以及它如何运动的知识缺乏都将降低GPS的精确性。

还有一些方面有待改善，如卫星激光测距精细化以及全球（包括澳大利亚在内）天文台长期稳定的资金来源等。

然而对地心位置的进一步掌握仅仅是为提高定位系统精确度而做的一方面努力，例如我们还要监测澳大利亚的地壳运动。即使是远距离的地震也会一定程度上改变陆地形状。

如果我们想精确地知道自己在哪里，我们测量地心的方法还需一个彻底的改革。

（翻译：潘燕婷；审校：么宇辉）

关于作者

Anna Riddell

塔斯马尼亚大学，大地测量学，博士在读。

 Matt King

塔斯马尼亚大学，土地与食物学院，测量与空间科学教授。