空间大地测量主要研究地球自转、定向及其随时间变化，建立和维持大地测量坐标框架，精确测定地面三维地心坐标，并通过卫星重力观测确定高阶地球重力场。

人类很早就开始利用自然天体开展大地测量实践活动。人造卫星相比于自然天体来说，更靠近地球，可更好地解决一些大地测量问题。利用空间大地测量观测可以获取全球均匀分布的观测资料，从而可以更精确地研究地球形状。当前，确定大地测量常数主要依赖于空间大地测量观测技术。射电源、月球或卫星等观测目标在天球参考系统中的位置可准确给出，而天球参考系统和地球参考系统可通过岁差、章动和地球自转参数联系起来，进而可以通过空间大地测量观测获得地球自转参数及其变化信息。

地球形状及其引力场的不规则会造成卫星轨道偏离其正常的椭圆轨道，使卫星轨道产生摄动。因此，观测卫星摄动可以得出地球形状及其引力场信息。

利用空间大地技术可建立全球和区域地心参考框架。国际地球参考框架（ITRF）基于全球分布的地面观测台站，采用甚长基线干涉测量（VLBI）、卫星激光测距（SLR）、全球导航卫星系统（GNSS）、激光测月（LLR）和多里斯系统（DORIS）等空间大地测量技术，经观测数据综合处理分析，得到地面测站高精度站坐标和速度场。

在卫星几何大地测量问世早期，人造地球卫星仅仅作为一种空间动态观测目标，由地面测站拍摄卫星的瞬时位置而测定地面点的坐标，称之为传统卫星三角测量。

不同于传统地面三角控制测量，卫星三角测量可在全球范围内建立一定精度的地面控制网。1966～1972年，美国国家大地测量局在英国和德国测绘部门的协作下，建立了一个全球卫星三角测量几何大地测量网，该网由45个全球分布的测站组成，平均站间距离3000～4000千米，并获得了±5米的点位精度。同一时期，西欧卫星三角测量网（WEST）也被建立，该网由分布在17个国家的40个观测站组成。

传统的卫星三角测量把卫星作为空间测量目标，而多普勒测量把卫星作为动态已知点。卫星多普勒定位测量原理最早是由美国约翰斯·霍普金斯大学应用物理实验室G.C.韦芬巴克（George C.Weiffenbach）等科学家在用无线电跟踪苏联人造地球卫星时发现的。他们发现接收到的卫星电磁波频率随着卫星的运动而变化，其规律符合奥地利物理学家C.多普勒（Christian Doppler）于1842年发现的多普勒效应。

1958年，美国约翰斯·霍普金斯大学应用物理实验室在美国海军的资助下，用上述原理研制了一种多普勒卫星导航系统，称为美国海军卫星导航系统（Navy Navigation Satellite System; NNSS）。该系统卫星在几乎圆形的极轨道（轨道倾角约为90°）上运行，因此该系统也称为子午卫星（TRANSIT）导航系统。

与传统地面测量方法相比，多普勒定位测量具有经济、快速、不受天气和时间限制等优点。世界许多国家也都利用多普勒定位测量技术建立了各自国家或地区的多普勒网。中国在20世纪70年代后期建立了包括西沙和南沙群岛的全国性多普勒网。

由于多普勒卫星导航系统在实际应用中的局限性，美国就研发了第二代卫星导航定位系统。1973年，美国国防部（DoD）开始组织研究“授时与测距导航系统/全球定位系统”（Navigation System Timing and Ranging/Global Positioning System-NAVSTAR/GPS），简称“全球定位系统”（GPS）。GPS系统的设计初衷是为美国陆海空三军提供实时、全天候和全球性的导航服务。

全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System; GNSS）利用GPS、BDS、GLONASS和Galileo中的一个或多个系统，并结合区域导航定位系统进行导航定位。中国北斗卫星导航系统（BeiDou Navigation Satellite System; BDS）是中国自行研制的全球卫星导航系统。

GNSS以其精度高、全天候、高效益和自动化等优点，可以直接测定近地空间点的三维地心坐标，因此在研究地球几何形状和各种测量领域都得到了广泛应用。全球导航卫星系统（GNSS）由GPS、GLONASS、GALILEO和北斗导航卫星系统（BDS）以及区域增强系统等构成。GNSS观测有两种基本观测量，即码观测和相位观测。基于GNSS观测技术具有以下特点：①属于动力学技术，对坐标原点敏感。②对地球自转参数敏感，可用于确定ERP参数。③空间覆盖性好，可精确测定板块运动、电离层参数、对流层天顶延迟等，可用于实现地球参考框架的定向约束条件。④设备价廉、定位速度快，可在全球范围内提供实时高精度服务。

VLBI技术是20世纪60年代发展起来的空间大地测量技术。该技术将相距几千甚至上万千米的两台射电望远镜组合成一个高分辨率射电干涉测量系统，其分辨率可达到0.1毫角秒量级，应用于天文、地球物理、大地测量和空间技术等领域。VLBI主要用于射电天文、地球定向参数确定、地壳形变监测、深空探测等方面。

VLBI观测的天体是距地球非常遥远的河外射电源。50年代，剑桥大学的天文学家马M.赖尔（Martin Ryle）建成了第一台射电干涉仪，使不同望远镜接收到的电磁波可以叠加成像。

当天体辐射电磁波到达地球表面时，由于传播距离远远大于VLBI的基线长度，射电源可近似为平面波。由于两天线到某射电源的距离不同，有一路程差，射电信号的同一波面到达两个天线时间存在时间延迟，即存在以下观测方程，式中为真空光速。基于VLBI观测技术具有以下特点：①VLBI延迟和延迟率是纯几何观测量，不包含地球引力场信息，观测量受地球引力场影响很小。②VLBI是相对测量，利用VLBI观测只能测定出两个天线之间的相对位置，即基线矢量，不能直接测出各天线的地心坐标。③基线测量精度高，VLBI基线最长可达12 000千米。④确定VLBI站的地心坐标需在一个或多个VLBI测站上并置SLR或GNSS观测。利用SLR或GNSS所测地心坐标为基准，进而可推算出其他VLBI站的地心坐标。⑤由于射电源的赤经和地球自转直接相关，它们无法独立地从延迟观测和延迟率观测中解算出来，而必须用其他技术来测定。⑥延迟率观测量中不包含基线△Z分量的影响，仅利用VLBI延迟率观测无法解算出基线△Z分量。延迟率一般作为辅助观测参加数据处理和参数解算，而起决定作用的仍是延迟观测。

由于甚长基线干涉测量法具有很高的测量精度，所以用这种方法进行射电源的精确定位，测量数千千米范围内基线距离和方向的变化。

卫星激光测距是60年代中期兴起的一项空间大地测量技术，包括激光测月（lunar laser ranging; LLR）和人造卫星激光测距（satellite laser ranging; SLR）。卫星激光测距使用脉冲激光实现高精度卫星至地面测站间的距离观测。

激光测月是一种用激光直接测定地球与月球之间距离的技术。由地面观测站向放置在月球上的后向反射器发射激光束，然后接收从月球反射器反射回的激光回波，通过计数器测定激光束往返的时间间隔，利用已知光波速度推算出地球月球之间的距离。1969年，阿波罗登月飞船在月球上安装了最早的反射棱镜。1973年，苏联宇宙飞船又安装了四组棱镜，其中两组为美国制造，两组为法国制造。由于安装位置原因，其中一组棱镜没能发挥作用。激光测月技术应用已经超过36年，全球共进行了约16000次激光测月的月距离观测。激光测月是确定高精度相对论参数的有效技术手段。自1970年以来，该技术成功应用于检验广义相对论（强等效原理、引力常数变化和度量参数等）。

人造卫星激光测距利用地面激光测距仪跟踪装有激光反射器的卫星，测定测站至卫星的距离。人造卫星激光测距最初使用BE-C卫星。1976年美国宇航局发射了激光地球动力卫星LAGEOS-1，1992年美国和意大利合作发射了动力卫星LAGEOS-2，扩大了地球上人造卫星激光测距的观测范围。同时，法国、苏联、日本和德国等先后发射了人造卫星激光测距卫星。经过30多年的发展，人造卫星激光测距观测系统的测距精度由最初的1米提高到现在的1厘米，已成为精密卫星定位定轨的重要技术手段。

激光测距有三种方法：脉冲法、相位法、干涉法。人造卫星激光测距一般采用脉冲法。卫星激光测距系统分为地面激光测距仪和激光卫星两大部分。地面测距硬件设备主要包括激光器、望远镜、光电头、脉冲测量系统、时频测量系统、伺服系统和计算机等。

脉冲法测距用安置于地面激光测距仪向配备了后向反射棱镜的卫星发射激光脉冲信号，经被测卫星反射后，激光脉冲信号回到测距仪接收系统，测出发射和接收该激光脉冲信号的时间差。在利用人造卫星激光测距观测建立地球参考框架时，选取测站位置作为平差量，其他参数可采用理论值。人造卫星激光测距观测具有以下特点：①激光器输出功率可达到109瓦量级，在单位面积上的光能密度可高于太阳表面，作用距离可到达几万千米处的人造地球卫星，甚至到月球表面。②测距精度高，激光的谱线非常尖锐，半宽左右，有利于在接收光学系统中采用窄带滤光片消去天空背景噪声，提高观测信噪比。③对地心坐标、地心运动和尺度参数敏感，可用于定义地球参考框架的坐标原点和尺度。④受地面站分布限制，不具备确定地球定向参数高频变化监测能力。

法国利用多普勒原理建立的多里斯系统（DORIS）由星上部分和地面部分组成。星上部分包括双频全向天线、接收机和超稳石英振荡器（ultra-stable oscillator; USO）。地面部分主要包括多功能数据处理中心（altimetry orbitography and positioning multi-mission center; SSALTO）、测站网，其中测站网由主控测站、定轨测站和普通测站等构成。

图1 DORIS测量原理

DORIS系统利用多普勒原理，采用单程双频测速体制，星载接收机直接测量一段时间内（约10秒）卫星相对于地面测站的多普勒积分，再将其转换为平均距离变化率。平均距离变化率的设计精度为0.3毫米/秒。两个信号频率分别是低频401.25兆赫和高频2036.25兆赫，其中高频信号用于测量卫星的多普勒频移，低频信号用于修正电离层折射误差。

卫星测高（satellite altimetry; SA）技术利用安装在卫星上的雷达测高仪（又称雷达高度计），以一定的时间间隔对海洋表面发射预制波长的窄电磁脉冲，来测量测高仪到海面的往返时间，从而获得瞬时海面高。影响测高仪测量海面高的因素有多种，主要包括卫星径向轨道误差、电离层/对流层信号延迟、地球重力场模型误差、仪器误差以及波束校正误差等。这些误差影响大多能进行高精度改正，从而获得厘米级精度的瞬时海面高。

图2 海洋卫星测高原理示意图

卫星测高在大地测量中的主要作用是，根据卫星测高获取的海面至卫星的高度，确定海洋大地水准面，反演高分辨率海洋重力场，解决大洋地区高频重力场信号的空白问题，探测洋流及海面地形，监测海平面变化，确定全球高精度高分辨率海洋潮汐模型。国内外大地测量学者，利用卫星测高数据联合地面重力和卫星重力场模型，已发展了多个高阶地球重力场模型。

当前，用于地球重力场形变监测的卫星重力场测量技术主要有：卫星跟踪技术、卫星重力梯度测量和海洋卫星测高技术。卫星跟踪技术包括卫星激光测距、高低卫星跟踪（hl-SST）和低低卫星跟踪（ll-SST）技术。卫星激光测距能以很高的精度监测8阶以下的长波重力场随时间的变化，分辨率可达到一周；高低卫星跟踪可以监测6～20阶长波重力场随时间的变化；低低卫星跟踪可以监测10～90阶中长波重力场随时间的变化，分辨率可达到10～30天；卫星重力梯度测量（SGG）技术可以监测60～180阶中短波重力场随时间的变化，分辨率60～90天。SGG技术受轨道维持难度大的限制，还难以实现多年连续的重力场时变监测。卫星激光测距、高低卫星跟踪和低低卫星跟踪三者结合，可在1厘米精度水平上监测中长波重力场形变，时间分辨率约为1个月（30天）。一般情况下波长越长，组合监测重力场形变的时间分辨率越高。