發展GNSS基礎設施，滿足新的科學需求
——美國國家科學基金會（NSF）地球科學十年戰略規劃解讀
王 坦1），2） 李 瑜2）
1）中國北京100048首都師範大學
2）中國北京100045中國地震臺網中心
20世紀90年代初出現的GPS觀測技術為大地測量和地殼運動觀測帶來了一場革命。GPS高精度、大範圍和準實時的地殼運動觀測結果，使得多種空間尺度、多種時間解析度和寬頻率域的現今地殼運動觀測成為可能。隨著人們對導航定位性能要求的不斷提升，航天、通信以及衛星導航技術本身的發展，GPS在性能上的局限性已顯得越來越明顯，新一代GNSS，如現代化的GPS、不斷改造的GLONASS以及新建中的歐盟Galileo、我國的北鬥衛星導航系統（BDS），都有了新的改進，處於迅速發展之中，現今導航定位技術無論在空間與時間的覆蓋性上還是在精度上，都取得了革命性的進步，這些給我們帶來了前所未有的機遇，同時也向我們提出了新的挑戰。
丹麥物理學家尼爾斯·玻爾（Niels Bohr）曾說：「預測是非常困難的，尤其是對未來而言。」尤其在科技飛速發展的今天，更需要我們對未來做出前瞻性預判。近日，美國國家研究理事會（NRC）發布《美國國家科學基金會地球科學十年願景（2020—2030）：時域地球》，（A Vision for NSF Earth Sciences 2020-2030: Earth in Time，見文後參考文獻）提出了美國國家科學基金委員會（National Science Foundation，NSF）地球科學處未來十年應重點關注的12個關鍵科學問題，並在配套基礎設施和設備、信息化建設及人力資源基礎架構等方面提出建議。本文就規劃中GNSS的有關內容，對GNSS基礎設施在地球科學未來發展中的作用予以解讀。1 與GNSS關係密切的關鍵科學問題
NSF提出的12個關鍵科學問題強調了地球演變是一個多種變化相互交織的複雜過程，涵蓋了地球物理、地貌學、水文學、地質學、地理學、地球化學和生態學等學科方向，每個科學問題的回答均需依賴多維度、準確的地球觀測數據。結合GNSS的當前應用與發展方向，認為GNSS與12個科學問題均有或多或少的聯繫，而其中關係較密切的科學問題有：①問題2：板塊構造開始的時間、機制和方式。板塊構造的發生，改變了陸地、海洋和大氣層，但是對於在地球上板塊構造何時開始的，為什麼會在地球上發展而不是在其他行星體以及板塊構造隨時間演化的機制等問題仍缺乏基本了解；②問題4：地震的本質及其驅動力。地震破裂是一個複雜過程，地球變形以不同速率、多種形式在一定範圍內發生，既可能發生緩慢的塑性變形，也可能發生快速的爆發式脆性變化，地球科學家不得不重新考慮地震的本質及其動力來源；③問題6：地形變化的原因和後果是什麼？地形變化與氣候變化、構造運動和沉積剝蝕等過程密切相關，測量從地質時間尺度到人類時間尺度不同時期地形變化的新技術的進步，使研究地球深部過程、地表過程、人類社會發展以及當前面臨的地質災害、資源和氣候變化等問題之間的關係成為可能；④問題12：如何通過地球科學研究降低地質災害的風險和損失？對地質災害的預測和定量認識，對於降低風險和影響、拯救生命和基礎設施至關重要。
2 GNSS基礎設施與設備的發展需求
未來對地球及其構成材料的觀測將比以往任何時候更依賴於新興技術、數據分析和人類基礎設施。新的傳感器設備的發展和基礎設施的建設，是維持地球科學發展活力和創新性的重要保障。該報告認為，在眾多地球觀測手段中，GNSS是促進地球科學變革的重要手段之一。它提供的時間序列、多尺度和多維度的地殼運動觀測數據為研究地球演變過程帶來全新視角，是未來10年板塊構造、地形、地質災害、地球關鍵帶、水循環和氣象等領域的關鍵研究手段。為充分解決未來10年的科學關鍵問題，對GNSS基礎設施提出以下需求。
（1）觀測精度：更精細的時空解析度。現今活動斷層滑動速率和閉鎖深度的判定是進行地震危險性地點預測的基礎，斷層滑動引起的地表位移變化一般發生在斷層兩邊100 km範圍內，未來需進一步擴大當前關注的地震監測區域，在斷層兩側部署更高密度的觀測站，實時獲取秒級及以上採樣率的觀測數據，以期獲取更精細時空解析度的地殼形變。
（2）站網設計：綜合布設，同址觀測。地球科學涉及多個交叉學科，依賴多維度觀測數據，部署GNSS臺站時需綜合考慮與InSAR角反射器、重力、水準、強震和電離層等其他觀測手段的同址觀測，對於拓展地殼形變監測維度，不斷提升對地球、大陸巖石圈及地震災害的監測與探測能力有著至關重要的作用。
（3）建設技術：快速響應，快速部署。未來更為密集的GNSS觀測站網對建站技術提出了新的要求，需要不斷發展快速架站技術及更集成化的設備，以更低成本、更快速度完成觀測站點的建設。
（4）設備革新：高精度、小型化、低功耗和抗幹擾。以新技術帶動觀測設備的發展，以高精度、小型化、集成化、低功耗、抗幹擾和低成本為未來發展趨勢，加大對設備研發的投入力度。
（5）站網管理：以信息化驅動站網現代化。利用信息化手段，提升站網運管和數據使用水平，創新運管和臺站共建共享機制，綜合併充分利用現有GNSS觀測資源，面向社會提供所需產品服務。
3 配合GNSS的信息基礎設施建設發展趨勢
信息基礎設施由一系列軟體工具組成，這些工具用於信息及來自相關元數據的上下文信息的收集、分析、集成、建模和存檔。信息基礎設施還包括高性能計算能力建設。隨著技術的發展，利用信息數據和不斷增長的硬體性能，GNSS及其相關地球科學學科正經歷著數據獲取能力的爆炸式增長，且計算需求迅速增加。計算環境，尤其是建模功能正在並且將繼續快速發展。此外，已獲取大量遺失數據，這些數據有丟失的風險，地球科學網絡基礎設施面臨重大挑戰。
（1）數據管理和歸檔。GNSS觀測生成大量具有科學價值但格式各異的數據。許多重要的傳統數據（如野外觀測手簿）甚至未進行數位化，未來需要將數字數據與極具實用性的元數據以數字形式提供；制定數據和元數據欄位的標準；開發數據生成時進行歸檔、整理、分析和可視化的方法；對資料庫進行可靠、持續的支持，確保不在單一項目周期後過時或無法使用。
（2）FAIR標準。制定並實施一項戰略，以支持在GNSS數據工作中的FAIR做法，即GNSS數據應具有可查詢（Findable）、可獲取（Accessible）、可互操作（Interoperable）及可重利用（Reusable）等性質。
（3）改善計算需求。加強高頻實時GNSS數據和多元高時空解析度數據獲取和聯合解算能力，提升高性能計算、改進建模能力、建立強大的數據管理和標準化功能，構建互聯的網絡基礎架構，實現多類型記錄的解算分析。
4 未來GNSS的人才發展與合作共享發展思路
為了實現報告中所提出的科學和基礎設施目標，我們需要一支強大且富有創新能力的人才隊伍作為支撐，未來對GNSS人才知識體系的專業性和複合性、團隊的合作共享等方面都提出了新的要求。
（1）加大對技術人員的支持和投入。利用GNSS基礎設施為科學研究和專業人才的培養提供了一個科學實踐平臺，通過國家基礎數據資源與教育資源的相互融合，穩定的科學研究經費支持，有競爭性的待遇，加速各學科教育的現代化，培養一批具備不同的專業背景、深厚的專業能力、熟練的業務能力、優秀的協調溝通能力、卓越的管理組織能力的複合型人才。
（2）加強對GNSS大數據計算科學人才的培養。隨著GNSSS基礎設施的發展，海量的、多源的、異構的GNSS和交叉學科數據，為GNSS科學的發展提供了豐富的計算資源，也意味著未來需要更多的GNSS大數據計算方面的地球科學人才，來對數據進行計算管理。
（3）致力於推進人才隊伍的多元化、公平和包容性。從最廣義的角度考慮多樣性和包容性，無論民族、性別、父母身份、年齡、能力、以及其他特徵，要致力於推進GNSS科學人才隊伍的多元化發展，創造一個每一個GNSS科學的從業者都能受到公平的對待，並擁有平等發展機會的科學研究環境。
（4）加強團隊合作共享。GNSS科學的複雜性和跨學科屬性為各部門之間的研究合作提供了絕佳的機會。未來要從國家層面推進GNSS科研團隊交流合作，實現觀測資源共享，通過探索合理、有效的途徑，力求各方利益的最大化，逐步實現GNSS觀測資源的共建共享和與地球科學多學科的交叉融合。
National Academies of Sciences, Engineering and Medicine. A Vision for NSF Earth Sciences 2020-2030: Earth in Time[M]. Washington, DC: The National Academies Press, https://doi.org/10.17226/25761, 2020.
Develop GNSS infrastructure to meet new scientific needs—American National Science Foundation (NSF) Strategic Plan for the Earth Science Decade
WANG Tan1),2) and LI Yu2)
1)Capital Normal University, Beijing 100048, China
2)China Earthquake Networks Center, Beijing 100045, China
本篇文章由中國地震臺網中心王坦及李瑜特約撰寫，已在《地震地磁觀測與研究》2020年第41卷第4期刊登。通過此文內容，使我們對現今導航定位技術有了一個概念，它不僅僅是GPS，而是由我國BDS、歐盟Galileo、美國GPS和俄羅斯GLONASS以及相關的增強系統，共同組成的新一代全球導航衛星系統（GNSS）。