11月14日，位于河北怀来的地外天体着陆综合试验场，中国火星探测任务首次公开亮相，并在多国驻华大使及媒体的观摩下完成了首次火星探测任务着陆器悬停避障试验

该试验模拟了着陆器在火星环境下悬停、避障、缓速下降的过程，对其设计正确性进行了综合验证，接着，12月11日中国火星天团首度亮相，一举登上热搜

当我们说到火星的时候你会想到什么？重力只有地球的三分之一，还是火星有两个月亮？其实火星最为人所知的应该就是奥林帕斯山，这个火星上的盾状火山，号称太阳系中最高的山

生活在地球上的我们都知道位于中国西藏自治区与尼泊尔交界处的喜马拉雅山脉中段主峰—珠穆朗玛峰，是地球上的最高峰，而在火星上的奥林帕斯山，高度是珠峰的3倍，且这座巨型火山，大概也跟一个法国差不多大

那么问题来了，在地球上，我们常用海拔来形容某地与海平面的高度差，火星上的奥林帕斯山的高度又是如何定义测量的呢？

在这里，我们先了解一个概念—高程（height），它指的是某点沿铅垂线方向到绝对基面的距离，称绝对高程，也简称高程，而某点沿铅垂线方向到某假定水准基面的距离称为假定高程

通俗的理解起来，因为我国的高程系统使用黄海平均海水面作为基准面，那么你可以简单理解为高程就是海拔高度

世界各国采用的高程系统主要有两类：正高系统和正常高系统，其所对应的高程名称分别为海拔高和近似海拔高度

虽然行星表面没有海，但因为对其高程的测量暂时没有很大的实际意义，所以对火星上奥林帕斯山高程的定义并没有“另起炉灶”新建一套系统，而依然使用的是跟在地球上一样的高程系统

地球上的高程系统

任何天体的表面都不可能是均匀的，如果存在海洋，可以将其视为相当均匀，但是陆地的表面及地形的变化会表现出巨大的垂直变化，这些变化使得不可能用任何合理简单的数学模型来近似模拟天体的形状

以地球为例，已经建立了两个主要基准面来近似表示它的形状，一个参考面称为大地水准面（geoid），另一个为参考椭球面（reference ellipsoid），如下图所示：

大地水准面（Geoid）是一个假想的由地球自由静止的海水平面扩展延伸而形成的闭合曲面，由于重力分布的不同和完美椭球体有一定出入，大地水准面通常是被认为是地球真实轮廓，它所包围的形体称为大地体

因为大地体的形状和大小非常接近自然地球的形状和大小，并且位置比较稳定，因此，在大范围的区域内，一般选取大地水准面作为外业测量成果的共同基准面

大地水准面这一概念最早在1873年由德国数学家利斯廷（Johann Benedict Listing）提出

而参考椭球面是一个数学上定义的地球表面，它近似于大地水准面，由于其相对简单，参考椭球是大地控制网计算和显示点坐标（如纬度，经度和海拔）的首选的地球表面的几何模型

通常所说地球的形状和大小，实际上就是以参考椭球体的长半轴、短半轴和扁率来表示的

如何测量

高程测量方法依使用仪器及作业方法不同，可分为直接高程测量和间接高程测量，其中直接高程测量即为水准测量，使用水准仪观测水平视准线在两水准尺上的读数求得两点间的高程差，这种方法精度较高

间接高程测量的方法较多，包括三角高程测量（根据距离及垂直角度计算两点间高程差）、视距高程测量、气压计高程测量

很显然，上述的这些测量方法都需要大量的人力物力和时间来完成，而我们现在打开一个软件，输入自己的所在位置的经纬度，很快就可以得到海拔高度，这就不得不得益于GPS和测高卫星的使用了

此时我们需要用到的不再是大地水准面而是参考椭球面，因为大地水准面是重力等位面，而不同于海上的平均海水面即为重力等位面，陆地区域的大地水准面无法观测到，所以以此为依据的正高没有实际操作性

这也就是在实际的工程中往往测量的是以似大地水准面为参考面的正常高了

说到GPS和测高卫星如何获取全球的高程信息，就要提一下世界统一的地球坐标系统WGS84（World Geodetic System）

世界大地测量系统（World Geodetic System, WGS）是一种用于地图学、大地测量学和导航（包括全球定位系统）的大地测量系统标准，WGS包含一套地球的标准经纬坐标系、一个用于计算原始海拔数据的参考椭球体，和一套用以定义海平面高度的引力等势面数据

WGS的最新版本为WGS 84（也称作WGS 1984、EPSG:4326），1984年定义、最后修订于2004年

WGS 84基准面是以地心为中心的全球通用的椭球面，而各国则选取最符合本国实际的基准面，也就是最贴近本国地面的椭球平面

前面提到过GPS高程是大地高，以WGS84椭球面为基准，而实际应用中的地面点高程是正常高，以似大地水准面为基准，所以要将GPS大地高转化为水准高，必须确定似大地水准面模型，理论上就是确定GPS大地高与海拔高之间的转换关系，实际解决方法为:结合GPS大地高和重力资料与水准资料，通过不同的数学模型求解似大地水准面

严格来讲，虽然用GPS大地高代替水准正常高是难以达到的，但是，在实际应用上，通过数学模型改正，用大地高高差代替水准高差却是具有一定意义的

火星上的高程如何测量

前面也提到过，对于宇宙中天体高程系统的建立跟在地球上一样，由于火星没有海洋，因此也没有“海平面”，因此定义一个任意的零海拔平面或“基准”来绘制表面很方便

火星的数据是根据恒定的大气压任意定义的，在Mariner 9（是NASA的太空探测卫星，用于探索火星）任务期间，将其选择为610.5 Pa（6.105 mbar），原因是低于此压力，液态水将永远无法保持稳定（即，水的三点处于此压力下）

该值仅是地球上海平面压力的0.6％，它构成了我们星球的零海拔基准，请注意，选择该值并不意味着液态水的确存在于该高度以下，而仅仅是温度可能超过273.16K（即为0摄氏度）

而我们得到的火星上奥林帕斯山的高度就是依此进行测量得出的

最后

中国终于要踏上前往火星的征程了，在未来，我们的目标是星辰大海，现在这一步就是出发的号角