11月14日，位於河北懷來的地外天體着陸綜合試驗場，中國火星探測任務首次公開亮相，並在多國駐華大使及媒體的觀摩下完成了首次火星探測任務着陸器懸停避障試驗

火星探測任務着陸器懸停避障試驗

該試驗模擬了着陸器在火星環境下懸停、避障、緩速下降的過程，對其設計正確性進行了綜合驗證，接着，12月11日中國火星天團首度亮相，一舉登上熱搜

當我們說到火星的時候你會想到什麼？重力只有地球的三分之一，還是火星有兩個月亮？其實火星最爲人所知的應該就是奧林帕斯山，這個火星上的盾狀火山，號稱太陽系中最高的山

奧林帕斯山

生活在地球上的我們都知道位於中國西藏自治區與尼泊爾交界處的喜馬拉雅山脈中段主峯—珠穆朗瑪峯，是地球上的最高峯，而在火星上的奧林帕斯山，高度是珠峯的3倍，且這座巨型火山，大概也跟一個法國差不多大

那麼問題來了，在地球上，我們常用海拔來形容某地與海平面的高度差，火星上的奧林帕斯山的高度又是如何定義測量的呢？在這裏，我們先了解一個概念—高程（height），它指的是某點沿鉛垂線方向到絕對基面的距離，稱絕對高程，也簡稱高程，而某點沿鉛垂線方向到某假定水準基面的距離稱爲假定高程

通俗的理解起來，因爲我國的高程系統使用黃海平均海水面作爲基準面，那麼你可以簡單理解爲高程就是海拔高度

世界各國採用的高程系統主要有兩類：正高系統和正常高系統，其所對應的高程名稱分別爲海拔高和近似海拔高度

圖中H即爲正高，h即爲正常高，兩者高程基準面不同

雖然行星表面沒有海，但因爲對其高程的測量暫時沒有很大的實際意義，所以對火星上奧林帕斯山高程的定義並沒有“另起爐竈”新建一套系統，而依然使用的是跟在地球上一樣的高程系統

地球上的高程系統

任何天體的表面都不可能是均勻的，如果存在海洋，可以將其視爲相當均勻，但是陸地的表面及地形的變化會表現出巨大的垂直變化，這些變化使得不可能用任何合理簡單的數學模型來近似模擬天體的形狀

以地球爲例，已經建立了兩個主要基準面來近似表示它的形狀，一個參考面稱爲大地水準面（geoid），另一個爲參考橢球面（reference ellipsoid），如下圖所示：

大地水準面（geoid），參考橢球面（ellipsoid），平均海水面（MSL）

大地水準面（Geoid）是一個假想的由地球自由靜止的海水平面擴展延伸而形成的閉合曲面，由於重力分佈的不同和完美橢球體有一定出入，大地水準面通常是被認爲是地球真實輪廓，它所包圍的形體稱爲大地體

大地水準面

因爲大地體的形狀和大小非常接近自然地球的形狀和大小，並且位置比較穩定，因此，在大範圍的區域內，一般選取大地水準面作爲外業測量成果的共同基準面

平面示意圖

大地水準面這一概念最早在1873年由德國數學家利斯廷（Johann Benedict Listing）提出

而參考橢球面是一個數學上定義的地球表面，它近似於大地水準面，由於其相對簡單，參考橢球是大地控制網計算和顯示點座標（如緯度，經度和海拔）的首選的地球表面的幾何模型

左邊爲參考橢球面， 右邊爲大地水準面

通常所說地球的形狀和大小，實際上就是以參考橢球體的長半軸、短半軸和扁率來表示的

如何測量

高程測量方法依使用儀器及作業方法不同，可分爲直接高程測量和間接高程測量，其中直接高程測量即爲水準測量，使用水準儀觀測水平視準線在兩水準尺上的讀數求得兩點間的高程差，這種方法精度較高

單站直接水準測量示意圖

間接高程測量的方法較多，包括三角高程測量（根據距離及垂直角度計算兩點間高程差）、視距高程測量、氣壓計高程測量

很顯然，上述的這些測量方法都需要大量的人力物力和時間來完成，而我們現在打開一個軟件，輸入自己的所在位置的經緯度，很快就可以得到海拔高度，這就不得不得益於GPS和測高衛星的使用了

此時我們需要用到的不再是大地水準面而是參考橢球面，因爲大地水準面是重力等位面，而不同於海上的平均海水面即爲重力等位面，陸地區域的大地水準面無法觀測到，所以以此爲依據的正高沒有實際操作性

這也就是在實際的工程中往往測量的是以似大地水準面爲參考面的正常高了

說到GPS和測高衛星如何獲取全球的高程信息，就要提一下世界統一的地球座標系統WGS84（World Geodetic System）

世界大地測量系統（World Geodetic System, WGS）是一種用於地圖學、大地測量學和導航（包括全球定位系統）的大地測量系統標準，WGS包含一套地球的標準經緯座標系、一個用於計算原始海拔數據的參考橢球體，和一套用以定義海平面高度的引力等勢面數據

WGS的最新版本爲WGS 84（也稱作WGS 1984、EPSG:4326），1984年定義、最後修訂於2004年

WGS 84基準面是以地心爲中心的全球通用的橢球面，而各國則選取最符合本國實際的基準面，也就是最貼近本國地面的橢球平面

WGS 84基準面是以地心爲中心的全球通用的橢球面

前面提到過GPS高程是大地高，以WGS84橢球面爲基準，而實際應用中的地面點高程是正常高，以似大地水準面爲基準，所以要將GPS大地高轉化爲水準高，必須確定似大地水準面模型，理論上就是確定GPS大地高與海拔高之間的轉換關係，實際解決方法爲:結合GPS大地高和重力資料與水準資料，通過不同的數學模型求解似大地水準面

紅色框選出最近似的橢球面

嚴格來講，雖然用GPS大地高代替水準正常高是難以達到的，但是，在實際應用上，通過數學模型改正，用大地高高差代替水準高差卻是具有一定意義的

火星上的高程如何測量

前面也提到過，對於宇宙中天體高程系統的建立跟在地球上一樣，由於火星沒有海洋，因此也沒有“海平面”，因此定義一個任意的零海拔平面或“基準”來繪製表面很方便

火星海拔圖

火星的數據是根據恆定的大氣壓任意定義的，在Mariner 9（是NASA的太空探測衛星，用於探索火星）任務期間，將其選擇爲610.5 Pa（6.105 mbar），原因是低於此壓力，液態水將永遠無法保持穩定（即，水的三點處於此壓力下）

該值僅是地球上海平面壓力的0.6％，它構成了我們星球的零海拔基準，請注意，選擇該值並不意味着液態水的確存在於該高度以下，而僅僅是溫度可能超過273.16K（即爲0攝氏度）

而我們得到的火星上奧林帕斯山的高度就是依此進行測量得出的

火星激光高度計 (MOLA)將圖像和其他遙感數據精確投影到行星上，等勢面的球諧表示將用作高程的參考

最後

中國終於要踏上前往火星的征程了，在未來，我們的目標是星辰大海，現在這一步就是出發的號角

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