20世纪90年代初出现的GPS观测技术为大地测量和地壳运动观测带来了一场革命。GPS高精度、大范围和准实时的地壳运动观测结果，使得多种空间尺度、多种时间分辨率和宽频率域的现今地壳运动观测成为可能。随着人们对导航定位性能要求的不断提升，航天、通信以及卫星导航技术本身的发展，GPS在性能上的局限性已显得越来越明显，新一代GNSS，如现代化的GPS、不断改造的GLONASS以及新建中的欧盟Galileo、我国的北斗卫星导航系统（BDS），都有了新的改进，处于迅速发展之中，现今导航定位技术无论在空间与时间的覆盖性上还是在精度上，都取得了革命性的进步，这些给我们带来了前所未有的机遇，同时也向我们提出了新的挑战。

丹麦物理学家尼尔斯·玻尔（Niels Bohr）曾说：“预测是非常困难的，尤其是对未来而言。”尤其在科技飞速发展的今天，更需要我们对未来做出前瞻性预判。近日，美国国家研究理事会（NRC）发布《美国国家科学基金会地球科学十年愿景（2020—2030）：时域地球》（A Vision for NSF Earth Sciences 2020-2030: Earth in Time，见文后参考文献），提出了美国国家科学基金委员会（National Science Foundation，NSF）地球科学处未来十年应重点关注的12个关键科学问题，并在配套基础设施和设备、信息化建设及人力资源基础架构等方面提出建议。本文就规划中GNSS的有关内容，对GNSS基础设施在地球科学未来发展中的作用予以解读。

1 与GNSS关系密切的关键科学问题

NSF提出的12个关键科学问题强调了地球演变是一个多种变化相互交织的复杂过程，涵盖了地球物理、地貌学、水文学、地质学、地理学、地球化学和生态学等学科方向，每个科学问题的回答均需依赖多维度、准确的地球观测数据。结合GNSS的当前应用与发展方向，认为GNSS与12个科学问题均有或多或少的联系，而其中关系较密切的科学问题有：①问题2：板块构造开始的时间、机制和方式。板块构造的发生，改变了陆地、海洋和大气层，但是对于在地球上板块构造何时开始的，为什么会在地球上发展而不是在其他行星体以及板块构造随时间演化的机制等问题仍缺乏基本了解；②问题4：地震的本质及其驱动力。地震破裂是一个复杂过程，地球变形以不同速率、多种形式在一定范围内发生，既可能发生缓慢的塑性变形，也可能发生快速的爆发式脆性变化，地球科学家不得不重新考虑地震的本质及其动力来源；③问题6：地形变化的原因和后果是什么？地形变化与气候变化、构造运动和沉积剥蚀等过程密切相关，测量从地质时间尺度到人类时间尺度不同时期地形变化的新技术的进步，使研究地球深部过程、地表过程、人类社会发展以及当前面临的地质灾害、资源和气候变化等问题之间的关系成为可能；④问题12：如何通过地球科学研究降低地质灾害的风险和损失？对地质灾害的预测和定量认识，对于降低风险和影响、拯救生命和基础设施至关重要。

2 GNSS基础设施与设备的发展需求

未来对地球及其构成材料的观测将比以往任何时候更依赖于新兴技术、数据分析和人类基础设施。新的传感器设备的发展和基础设施的建设，是维持地球科学发展活力和创新性的重要保障。该报告认为，在众多地球观测手段中，GNSS是促进地球科学变革的重要手段之一。它提供的时间序列、多尺度和多维度的地壳运动观测数据为研究地球演变过程带来全新视角，是未来10年板块构造、地形、地质灾害、地球关键带、水循环和气象等领域的关键研究手段。为充分解决未来10年的科学关键问题，对GNSS基础设施提出以下需求。

（1）观测精度：更精细的时空分辨率。现今活动断层滑动速率和闭锁深度的判定是进行地震危险性地点预测的基础，断层滑动引起的地表位移变化一般发生在断层两边100 km范围内，未来需进一步扩大当前关注的地震监测区域，在断层两侧部署更高密度的观测站，实时获取秒级及以上采样率的观测数据，以期获取更精细时空分辨率的地壳形变。

（2）站网设计：综合布设，同址观测。地球科学涉及多个交叉学科，依赖多维度观测数据，部署GNSS台站时需综合考虑与InSAR角反射器、重力、水准、强震和电离层等其他观测手段的同址观测，对于拓展地壳形变监测维度，不断提升对地球、大陆岩石圈及地震灾害的监测与探测能力有着至关重要的作用。

（3）建设技术：快速响应，快速部署。未来更为密集的GNSS观测站网对建站技术提出了新的要求，需要不断发展快速架站技术及更集成化的设备，以更低成本、更快速度完成观测站点的建设。

（4）设备革新：高精度、小型化、低功耗和抗干扰。以新技术带动观测设备的发展，以高精度、小型化、集成化、低功耗、抗干扰和低成本为未来发展趋势，加大对设备研发的投入力度。

（5）站网管理：以信息化驱动站网现代化。利用信息化手段，提升站网运管和数据使用水平，创新运管和台站共建共享机制，综合并充分利用现有GNSS观测资源，面向社会提供所需产品服务。

3 配合GNSS的信息基础设施建设发展趋势

信息基础设施由一系列软件工具组成，这些工具用于信息及来自相关元数据的上下文信息的收集、分析、集成、建模和存档。信息基础设施还包括高性能计算能力建设。随着技术的发展，利用信息数据和不断增长的硬件性能，GNSS及其相关地球科学学科正经历着数据获取能力的爆炸式增长，且计算需求迅速增加。计算环境，尤其是建模功能正在并且将继续快速发展。此外，已获取的大量数据，面临着丢失的风险，地球科学网络基础设施面临重大挑战。

（1）数据管理和归档。GNSS观测生成大量具有科学价值但格式各异的数据。许多重要的传统数据（如野外观测手簿）甚至未进行数字化，未来需要将数字数据与极具实用性的元数据以数字形式提供；制定数据和元数据字段的标准；开发数据生成时进行归档、整理、分析和可视化的方法；对数据库进行可靠、持续的支持，确保不在单一项目周期后过时或无法使用。

（2）FAIR标准。制定并实施一项战略，以支持在GNSS数据工作中的FAIR做法，即GNSS数据应具有可查询（Findable）、可获取（Accessible）、可互操作（Interoperable）及可重利用（Reusable）等性质。

（3）改善计算需求。加强高频实时GNSS数据和多元高时空分辨率数据获取和联合解算能力，提升高性能计算、改进建模能力、建立强大的数据管理和标准化功能，构建互联的网络基础架构，实现多类型记录的解算分析。

4 未来GNSS的人才发展与合作共享发展思路

为了实现报告中所提出的科学和基础设施目标，我们需要一支强大且富有创新能力的人才队伍作为支撑，未来对GNSS人才知识体系的专业性和复合性、团队的合作共享等方面都提出了新的要求。

（1）加大对技术人员的支持和投入。利用GNSS基础设施为科学研究和专业人才的培养提供了一个科学实践平台，通过国家基础数据资源与教育资源的相互融合，稳定的科学研究经费支持，有竞争性的待遇，加速各学科教育的现代化，培养一批具备不同的专业背景、深厚的专业能力、熟练的业务能力、优秀的协调沟通能力、卓越的管理组织能力的复合型人才。

（2）加强对GNSS大数据计算科学人才的培养。随着GNSSS基础设施的发展，海量的、多源的、异构的GNSS和交叉学科数据，为GNSS科学的发展提供了丰富的计算资源，也意味着未来需要更多的GNSS大数据计算方面的地球科学人才，来对数据进行计算管理。

（3）致力于推进人才队伍的多元化、公平和包容性。从最广义的角度考虑多样性和包容性，无论民族、性别、父母身份、年龄、能力、以及其他特征，要致力于推进GNSS科学人才队伍的多元化发展，创造一个每一个GNSS科学的从业者都能受到公平的对待，并拥有平等发展机会的科学研究环境。

（4）加强团队合作共享。GNSS科学的复杂性和跨学科属性为各部门之间的研究合作提供了绝佳的机会。未来要从国家层面推进GNSS科研团队交流合作，实现观测资源共享，通过探索合理、有效的途径，力求各方利益的最大化，逐步实现GNSS观测资源的共建共享和与地球科学多学科的交叉融合。