【編者按：新中國成立60年來，距離測量方法所發生的巨大變化是，20世紀50年代末期，光速測距儀和微波測距儀的推廣應用，開創了「量距不用尺」的新時代；20世紀60年代中期，測地型雷射測距儀的快速發展，將光波測距推向了高精度遠測程的新境界；幾乎與此同時，衛星雷射測距和甚長基線射電幹涉測量技術的測地實用化，使得測地工作者能夠測量遠達數千千米的站間距離；20世紀80年代初期，GPS衛星測量技術的問世，使得測地工作者步入了快速高效「量距不見站」的新天地。距離測量的這種演變，也是測繪科學技術進步的一大縮影。本文發表在《海洋測繪》2010年第2期上，文章敘述了距離測量60年來的演變情況，距離測量的演進史其實也代表了整個人類測繪的演進史，本文是我們了解測繪演進史的極好學習材料，文章較長，希望朋友們耐心閱讀。劉基餘，1936年出生，男，湖南瀏陽人，教授，博士生導師，武漢大學測繪學院，主要從事微波測距、GPS定位和雷射測距技術的研究。】
精確地測定兩點之間的距離，是經濟建設、國防建設和科學研究中一項頗為重要的工作。邊長，是測量工作中最基本的觀測要素之一，不測量一定數量的邊長，就無法建立測繪工作的基礎大地測量控制網。新中國成立60年來，距離測量方法發生了巨大的變化；本文力圖對「量距靠線尺」→「量距不用尺」→「量距不見站」的發展歷程和影響進行較簡潔的論述。
一、從殷鋼線尺量距到光速測距
衛星定位技術問世之前，國家平面坐標系的建立，主要是依靠在全國範圍內測設國家三角網。在這種三角網中，必須有一定數量的三角邊長度是已知的，才能推算其他三角網的邊長。這種長度已知的三角邊稱為三角網的起算邊。一等三角網的平均邊長為25km，二等三角網的平均邊長為13km，它們的起算邊長度相對中誤差要求不大於1∶350 000。對於這種長度及其所需精度，在新中國成立之初，都是採用殷鋼線尺丈量的。殷鋼線尺的尺長，一般為24m或48m。即使採用基線網而間接地測量起算邊，也需要用殷鋼線尺人工丈量一條5km左右的基線，它的丈量精度要求達到百萬分之一。這種線尺量距法，要求選擇和布設平坦開闊的測線場地，進而由五、六個人在5km左右基線上，一尺又一尺地往返丈量400餘次，才能夠完成這條基線的丈量。其勞動強度之大，作業之繁，是可想而知的。為了達到建立大地控制網的應用目的，還要測量一定的幾何圖形，平差計算基線網的觀測成果。
1947年末，瑞典AGA 公司初步研製成功了一種用白熾燈作載波源和以10MHz高頻調製波為測距信號的測距儀，將其命名為「大地測距儀」(Geodimeter)。這種以白熾燈作載波源的儀器，我國在20世紀50～60年代叫做光速測距儀。1953年AGA公司試製成功了第一臺遠程光速測距儀，其型號叫做NASM21。這種儀器於1955年改進為NASM22A型光速測距儀，它由測距裝置和光學裝置兩大部件構成，測距時，兩大部件組成一個整機。該儀器於1957年被商品化，批量生產而銷往世界各國。NASM22A型儀器採用高頻測相方案，由可變光路和電延遲器共同提供距離觀測值。當用NASM22A測量距離時，只要在測線一端架設儀器，於測線的另一端安設作為反射調製光的反射稜鏡陣列(簡稱為反光鏡)，就能夠直接測出該測線的距離；它的測程是百餘米至30餘千米，而其測距精度達到了±(10mm+1E-6D)，適合於大地測量的高精度測距需要。在NASM22A型光速測距儀的基礎上，為了適應中短程距離測量的需要，AGA公司先後生產了小型化的NASM23和NASM24兩種型號的光速測距儀。此外，當時的蘇聯、美國和西德也研製了各具特色的光速測距儀，此處不予一一列述。光速測距相對於殷鋼線尺量距而言，不僅極大地減輕了測量工作者的體力勞動，而且大為提高了測距工作的效力，開創了「量距不用尺」的新時代，迅速地擴大了距離測量的應用。
二、微波測距的歷史功勳
當NASM22A型光速測距儀於1957年被商品化而推向市場時，南非Tellurometer儀器公司向市場上推出了MRA21型微波測距儀，它由主臺和副臺組成，副臺和光速測距儀的反光鏡有著相似的作用，只不過副臺能夠將所接收的測距信號予以變換，並將它重新發回到主臺。因此，副臺不是一種簡單的反射器，而是一種能夠變換和重發測距信號的「反射儀器」，叫做有源反射器。而光速測距儀的反光鏡，是不能夠變換和重發測距信號的，只能夠反射調製光，因而叫做無源反射器。由此可見，微波測距儀和光速測距儀的主要差別在於載波和反射器之異。MRA21型微波測距儀的主臺採用3 000MHz作載波，測距信號的頻率為10MHz；副臺採用3 033MHz作載波，測距信號的頻率為91999MHz。主臺和副臺之間，可以進行語言通信。主副臺各重11kg，它們不像NASM22A型光速測距儀需要用幾十千克重的發電機供電，而是用6V電瓶供電。MRA21型微波測距儀能夠測量200m～50km的距離，其測距精度為±(5mm+ 3E -6D)；即當D=30km時，相對測距精度為1∶310 000，這比NASM22A型光速測距儀的測距精度低一倍左右。但是，它和光速測距相比較，微波測距具有的優點為: ①晝夜均可觀測，既便於選擇適當的觀測時間，又可作移動目標觀測；②儀器輕小，測程較遠，MRA21儀器比NASM22A型光速測距儀輕8倍多，同時測程又遠20km左右；③要求測線的觀測條件低，凡能幾何通視(視線不受地面物體障礙的測線)均可作微波測距，在煙霧，甚至小雨、小雪情況下，亦能進行作業；④要求主副臺相互定向的精度低，在測線兩端架設儀器時，主副臺之間只需要粗略對準，就能夠作業；⑤主副臺之間設有無線電話，便於交流觀測情況，及時處理有關問題。微波測距儀的這些優點，引起了廣大測量工作者，特別是軍事測量指戰員的極大興趣。因此，南非Tellurometer儀器公司先後生產了MRA2101、MRA22、MRA23、MRA24和MRA25等型號的微波測距儀；此外，美國、蘇聯、英國、瑞士和日本等國家先後研製了各具特色的微波測距儀；它們不僅用於民用測繪單位，而且裝備給部隊測繪分隊，提供了準確及時的測繪保障。我國於1959年冬季引進MRA21型微波測距儀；次年即用它在青藏困難地區進行了一等導線測量，為建立全國性的大地測量控制網，微波測距和光速測距一樣，發揮了重大作用。由於微波測距儀能夠在白天、夜間、霧天、小雨、小雪等條件下作業，又能夠進行微波通話，實施現場指揮，及時糾正觀測錯誤，受到測繪官兵的高度重視。正因如此，我國的幾個民用和國防科研單位，先後研製了不同類型的微波測距儀。微波測距，在我國大地測量控制網的建設中，建立了不可磨滅的歷史功勳。
三、雷射測距的青春常在
光速測距相對於基線丈量距離而言，具有許多優越性，但是，作為光波測距儀的第一代產品，仍存在幾個主要問題: ①夜晚觀測；②耗電量大；③儀器笨重。NASM22A型光速電測距儀主機重達94kg，加上附屬設備，便有幾百千克。一個光速測距小組出測，需要一輛大卡車運送，且經常遇到登山越嶺，非常費時費力。此外，光速測距的測距精度和測程仍不能令人滿意，因此，人們迫切期望革新光速測距儀。
距離測量，是最早應用雷射器的技術領域。在雷射器問世的第二年(1961年)，首先就被用作距離測量的試驗，從而產生了第一臺雷射測距儀。用於大地測量的雷射測距儀，一般能夠測量15m～60km的距離，其測距精度為±(5mm+1E-6D)；而它的工作原理，與前述的光速測距儀是基本相同的，僅以雷射器取代了白熾燈或高壓水銀燈。但是，這種光源改變，致使雷射測距儀具有突出特點: ①全天候：它將以夜間觀測為主的光速測距變成了晝夜能夠觀測的雷射測距，用於大地測量的雷射測距儀，白天測程可達60km以上(而夜晚測程還要遠一些)，這比光速測距儀白天測程高達10倍左右。②遠測程：在相當好的能見度條件下，遠程光速測距儀的夜間測程亦不過30km左右，而雷射測距儀測程比它遠一倍多；雷射測距的固定誤差也較光速測距的固定誤差減少一半。③小儀器：用於大地測量的雷射測距儀，比用於同等目的的光速測距儀一般要輕三四倍；例如，AGA儀器公司生產的AGA28型雷射測距儀僅重23kg，而NASM22A型光速測距儀重達94kg。AGA28型雷射測距儀功耗為75W，僅為NASM22A型光速測距儀功耗的50%，可用較輕便的蓄電瓶供電，而不需要用重達幾十千克的發電機。AGA28型雷射測距儀的改進型AGA2600，則有更優的性能，例如，儀器僅重15kg，功耗為26W，俯仰角為-55°～+90°，測程為15m～40km，測距精度為±(5mm+1E-6D)，而被銷售到全球許多國家。
我國不僅引進了數十臺AGA28型、AGA2600型雷射測距儀和美國K + E公司的Rangemeter雷射測距儀，而且自行研製了多種型號的雷射測距儀。例如，武漢地震研究所研製的JCY22型、JCY23型雷射測距儀；北京光學儀廠和總參測繪研究所合作研製的DC230JG型雷射測距儀；國營向陽儀器廠研製的HQ2120型雷射測距儀。這幾種儀器的測距精度都能達到±(5mm+1E-6D)，但其測程僅JCY23能達到50km，餘者均為20km左右。它們在我國大地測量控制網的建設和地震預報監測中發揮了重要作用。
上述測地型雷射測距儀的相對測距精度，均在1∶700 000左右。但是，某些特種工程建設，需要百萬分之一以上的相對測距精度。人們在研究雷射測距誤差時，發現大氣折射率誤差，是限制雷射測距精度提高的重要誤差源，而提出了直接測定大氣折射率的科學思想，從而導致了雙色雷射測距儀和三波測距儀的研製。1974年，英國國家物理實驗室和倫敦帝國大學地球物理系共同成功研製了用藍綠色雷射作載波的Goran21型雙色雷射測距儀，它的最大測程為30km，而其相對測距精度達到了5E-7，但儀器重達25kg。與此同時，美國華盛頓大學的LE Slater和G R Ruggett成功研製了用紅綠色雷射和9600MHz微波作載波的APL型三波測距儀，當用它測量1011km的距離時， 其相對測距精度達到了5E-8，但儀器重達42kg。由於Goran21型雙色雷射測距儀和APL型三波測距儀的重量等因素影響，未能形成商品出售。
光波測距儀「量距不用尺」的優越性，引起了廣大工程測量員、礦山測量員、鐵路公路勘測者和水電建設者的濃厚興趣。1953年，西德的E Gigas和KNottar研製成功了用於地形測量的EMC型短程光速測距儀，其最大測程為5km，而其測距精度是500px。1960年，蘇聯國家光學研究所的Ю ВПопов等學者成功研製了ГДМ型光速測距經緯儀，這是第一臺能夠同時測量距離和角度的組合式儀器。用於測距的調製光發射系統置於ТБ21型經緯儀望遠鏡的上方，該經緯儀望遠鏡，除了用於測量角度外，還用來接收從測線彼端反光鏡反射回到測站的調製光，進而測得距離值，其最大測程不足3km，而其測距精度可達125px。ГДМ型光速測距經緯儀的問世，為人們開闊了設計視野，而使之成為現代電子全站儀的先驅者。
1962年12月，砷化鎵(GaAs)半導體雷射器的問世，為短程光測距儀的發展，增添了活力；隨後問世的砷化鎵等半導體發光二極體，將短程光速測距儀推向了廣闊的發展空間。編碼度盤和光柵度盤的快速發展，使得電子經緯儀的測角精度顯著提高，而能夠達到015″左右。將上述新科技成果和計算機技術集成成功研製的電子全站儀，具有傾斜距離、水平距離、水平角、垂直角和高差的測量功能，並能在測量現場實施數據處理，獲取所需的測量成果。這是GPS衛星測量技術難以替代的測量設備，以致它能夠青春常在，不斷更新換代。這種電子全站儀，多用半導體發光二極體作光源，也用小型脈衝式雷射器，而可進行無稜鏡做合作目標的距離測量。目前，中國、瑞士和日本等國家的一些廠商正在生產著各具特色的現代電子全站儀，此處不一一予以介紹。
四、GPS 衛星測量技術實現了「量距不見站」
GPS衛星所發送的導航定位信號，是一種可供無數用戶共享的空間信息資源；陸地、海洋和空間的廣大用戶，只要持有一種能夠接收、跟蹤、變換和測量GPS信號的接收機，就可以全天時、全天候和全球性地測量運動載體的七維狀態參數和三維姿態參數；其用途之廣，影響之大，是任何其他無線電接收設備望塵莫及的。因此，GPS信號接收機的應用，上至航空太空飛行器，下達捕魚、導遊、攝影、通信和農業生產，已經「無孔不入」了。對於測地應用而言，無論兩個測站隔山不見，還是隔水不通，都能夠直接測得測站的點位三維坐標值和站間距離，其測量精度一般均能達到釐米級。美國的試驗表明，對於3 000km站間距離，GPS相對定位數據，經過精細處理後，相對測距精度達到了±(5mm+1E-8D)。筆者在湖北崇陽整體大地測量試驗網上的試驗也表明，22個GPS站間距離(平均長度為119km)與ME-5000光電測距邊相比較，平均外部符合精度達到了三十一萬分之一，且未發現系統偏差。據統計，美國用常規大地測量技術測定一個I等水平控制點，需要耗費7000美元，用GPS技術測量同等精度的這種控制點，只需耗費2000美元，節約71.4%的費用。因此，GPS衛星測量技術已經成為建立現代大地測量和工程測量控制網的主要手段，也成為陸地和海島之間聯測的重要技術。
五、SLR和VLB I測量技術實現了遠達數千千米的站間距離測量
早在1964年10月10日， 美國航空航天局(NASA)發射了世界上第一顆帶雷射反射鏡而僅用於雷射測距的人造地球衛星──BE2B衛星。隨後，NASA Goddard空間飛行中心用調Q紅寶石雷射器向BE2B雷射衛星發射雷射脈衝，而成功地首次測定了地球和該顆衛星之間的距離，開創了地球對衛星雷射測距的新紀元。隨後，美國、法國、日本和前蘇聯分別發射了專用於衛星雷射測距(SLR)的衛星，稱之為雷射衛星；在其圓形外殼上安設了幾百甚至上千塊角反射鏡，其雷射有效反射面積可達7500px2左右。目前，全球衛星雷射測距網共有40多個地面雷射測距站分布在世界各地，其中包括我國的上海、武漢、長春、北京和昆明五個固定站和2個流動站。這些SLR站大多採用Nd:YAG或Nd:YAP固體雷射器發射的532nm或539nm綠色雷射脈衝，其單脈衝能量為10～100mJ，脈寬為30～200p sec，脈衝重複率是5～10Hz。其中的某些SLR站還能夠進行地月雷射測距。衛星雷射測距精度從1964年的幾米到1994年的幾毫米，亦即，全球的衛星雷射測距精度在30年內提高了三個數量級。值得特別指出的是，雙色雷射脈衝的應用，使衛星雷射測距精度邁上了新臺階。例如，德國Wettzell衛星觀測站的TLRS衛星雷射測距儀，採用847nm的近紅外雷射和42315nm的紫色雷射作測距信號，達到了幾毫米的測距精度，且能測量300km高的近地雷射衛星和36 000km高的靜地雷射衛星。因此，SLR成果廣泛用於衛星軌道、地殼運動、大陸板塊運動速率、地極移動、地球自轉等參數的精確測定。目前，已有包括海洋測高衛星在內的40餘顆對地觀測衛星安設了類型各異的雷射後向反射鏡陣，用於雷射測距。
甚長基線射電幹涉測量(VLB I)，是20世紀60年代末期問世的一種空間大地測量新技術。在離地球遠達若干億光年(1光年=91463E+12km)的宇宙空間，有些射電源不斷地輻射無規律的電磁波。這些銀河系外的射電源與某些恆星狀的天體相對應，被稱為類星射電源，或者叫做類星體(Quasar)。類星體的體積很小，許多類星體的直徑僅達1光年左右，約為普通星系直徑的十萬分之一。然而它們所輻射的電磁波功率卻要比一般星系強百萬倍，因此，類星體就成為射電測量中非常理想的觀測目標。如此亮而大的類星體，因距離地球異常遙遠，對地面觀測者而言，它們仍可視作宇宙空間的一種點波源。地面上的VLB I測量設備，以這種點波源作為觀測對象，而實現測量地球動態參數的目的。目前，在美國國內擁有由10臺口徑為25m的射電望遠鏡構成了VLB I觀測網；在歐洲，由德國的口徑為100m和英國的口徑為76m為首的8臺射電望遠鏡構成了歐洲VLB I觀測網；在澳大利亞，由4臺射電望遠鏡構成了VLB I觀測網；在日本，有12臺射電望遠鏡構成了VLB I觀測網；在中國，由上海(25m天線)、北京(50m天線)、昆明(40m天線) 和烏魯木齊(25m天線)四個觀測站構成了中國VLB I觀測網，它除了進行常規的VLB I觀測外，還用於嫦娥一號衛星在星箭分離後幾乎所有軌道段的定軌測量。
從測量站間距離看來，上表列述了在美國本土所做的SLR和VLB I協同測量部分結果。由此可見，兩者測量的最短站間距離為1711375km，最長站間距離是4 0571022km，SLR和VLB I測量成果較差僅為釐米級，而且未發現系統偏差。因此，它們能夠用於測定臺站坐標、現代板塊運動、全球和區域性地殼形變和地球定向參數(世界時UT1、地極坐標、歲差和章動)等；近年來，還被用於月球探測和深空測量。特別值得一提的是，射電測量衛星於20世紀末的入軌運行，它所載的VBL I測量設備與地面上的一臺VLB I測量設備，可構成20 000km左右的測量基線，而開創了能夠測量站間距離遠達兩萬餘千米的新時代。
六、結束語
自20世紀50年代末期以來，距離測量所發生的巨大變化可概括為這樣的發展歷程：「量距靠線尺」→「量距不用尺」→「量距不見站」。這主要表現在下列方面：20世紀50年代末期，光速測距儀和微波測距儀的推廣應用，開創了「量距不用尺」的新時代；20世紀60年代中期，測地型雷射測距儀的快速發展，將光波測距推向了高精度遠測程的新境界；幾乎與此同時，衛星雷射測距和甚長基線射電幹涉測量技術的測地實用化，使得測地工作者能夠測量遠達數千千米的站間距離；20世紀80年代初期，GPS衛星測量技術的問世，使得測地工作者步入了快速高效「量距不見站」的新天地。距離測量的演變和發展，是測繪科學技術進步的一大縮影。