地球參考框架ITRF2008在中國(guó)大地基準(zhǔn)中的應(yīng)用*

蔣光偉 程傳錄 郭春喜 王文利 王 斌 聶建亮 馬新瑩

(國(guó)家測(cè)繪局大地測(cè)量數(shù)據(jù)處理中心，西安 710054)

地球參考框架ITRF2008在中國(guó)大地基準(zhǔn)中的應(yīng)用*

蔣光偉 程傳錄 郭春喜 王文利 王 斌 聶建亮 馬新瑩

(國(guó)家測(cè)繪局大地測(cè)量數(shù)據(jù)處理中心，西安 710054)

利用國(guó)際地球參考框架ITRF2008及中國(guó)大陸連續(xù)基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)，分析了ITRF2008與ITRF2005及CGCS2000的差異，得出ITRF2008比早期的模型精度更高，但也存在著一定的差異性，這與觀測(cè)臺(tái)站、板塊本身，數(shù)據(jù)解算策略等因素有關(guān);中國(guó)地殼板塊運(yùn)動(dòng)的不均勻性和復(fù)雜性造成了CGCS2000的變化，需對(duì)其進(jìn)行動(dòng)態(tài)維護(hù)。同時(shí)對(duì)CGCS2000與ITRF2008之間轉(zhuǎn)換的方案也作了初步討論。

ITRF;框架轉(zhuǎn)換;CGCS2000;中國(guó)大地基準(zhǔn);板塊運(yùn)動(dòng)

1 前言

國(guó)際地球參考系(ITRS)是由國(guó)際地球自轉(zhuǎn)服務(wù)中心負(fù)責(zé)定義，并通過ITRF來具體實(shí)現(xiàn)和維持的國(guó)際地球參考系。ITRF作為地球相關(guān)科學(xué)應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)框架，它的主要目標(biāo)之一是提供盡可能精確的基準(zhǔn)定義:原點(diǎn)、尺度和NNR條件。由于觀測(cè)技術(shù)精度不斷提高，數(shù)據(jù)解算的方法更趨合理，ITRF也在不斷精化［1］。目前ITRF已廣泛應(yīng)用于地球框架維護(hù)，導(dǎo)航定位以及全球性的地殼運(yùn)動(dòng)與氣象、地球物理勘探、海洋監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。

為服務(wù)于中國(guó)測(cè)繪、導(dǎo)航等領(lǐng)域及國(guó)民經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)發(fā)展的需要，我國(guó)從2008年7月1日開始啟動(dòng)2000國(guó)家大地坐標(biāo)(CGCS2000)。CGCS2000是由中國(guó)地殼運(yùn)動(dòng)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)、國(guó)家測(cè)繪地理信息局GPS A、B級(jí)網(wǎng)、總參測(cè)繪局GPS一、二級(jí)網(wǎng)和全國(guó)天文大地網(wǎng)聯(lián)合平差得到，其參考框架為ITRF97，參考?xì)v元為 2000.0。因此可視 CGCS2000為 ITRF97框架2000歷元的區(qū)域?qū)崿F(xiàn)。目前在框架轉(zhuǎn)換方面研究也相當(dāng)豐富［2，3］。

研究表明ITRF97、ITRF2000、CGCS2000坐標(biāo)精度在cm級(jí)水平是一致的［2］。美國(guó)WGS84坐標(biāo)系從1987年開始啟用經(jīng)歷了3次較大修正，將ITRF若干核心基準(zhǔn)站納入到本國(guó)框架中，使 WGS84與ITRF基本一致。日本、歐洲等國(guó)也都建立了國(guó)家型動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)監(jiān)測(cè)網(wǎng)，維護(hù)本國(guó)坐標(biāo)框架。

鑒于此，本文將研究與分析不同框架對(duì)點(diǎn)位的影響和CGCS2000與ITRF2008［3］的差異。

2 地心參考框架介紹

2.1 ITRF2005的實(shí)現(xiàn)與定義

1)ITRF2005［4-6］的實(shí)現(xiàn)是基于多種空間技術(shù)解時(shí)間序列的聯(lián)合處理而得到，在歷元2000.0時(shí)刻各基準(zhǔn)站的坐標(biāo)、速度場(chǎng)和周日地球定向參數(shù)(EOP)序列。

2)ITRF2005的定義

原點(diǎn):在歷元2000.0時(shí)ITRF2005與ILRS的SLR時(shí)間序列間的平移參數(shù)及其速率為零;

尺度:在歷元2000.0時(shí) ITRF2005與IVS的VLBI時(shí)間序列間的尺度因子及其速率為零;

定向:在歷元2000.0時(shí)ITRF2005與ITRF2000間的旋轉(zhuǎn)參數(shù)及其速率為零。

2.2 ITRF2008的實(shí)現(xiàn)與定義

1)ITRF2008的實(shí)現(xiàn)

采用VLBI、SLR、GPS、DORIS等大地測(cè)量技術(shù)，各觀測(cè)技術(shù)分別采用了29年、26年、12.5年和16年的觀測(cè)數(shù)據(jù)［1］，對(duì)站點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間序列和天EOP參數(shù)分析聯(lián)合處理得到的。

2)ITRF2008定義

原點(diǎn):在歷元2005.0時(shí)ITRF2008與國(guó)際SLR服務(wù)(ILRS)的SLR解的平移參數(shù)及其速率為零;

尺度:在歷元2005.0時(shí) ITRF2008與IVS的VLBI和SLR時(shí)間序列尺度因子及其速率為零;

定向:在歷元2005.0時(shí)ITRF2008與ITRF2005的旋轉(zhuǎn)參數(shù)及其速率一致。

2.3 CGCS2000的定義及其與ITRF2008的差別

2.3.1 CGCS2000的定義［2］

1)CGCS2000的原點(diǎn)為(包括海洋和大氣)整個(gè)地球質(zhì)量中心;

2)尺度長(zhǎng)度單位是米，它同地心局部框架的TCC(地心坐標(biāo)時(shí))時(shí)間一致，由適當(dāng)相對(duì)論模型化得到;

3)它的定向初始由在 1984.0國(guó)家時(shí)間局(BIH)的定向給定;

4)定向的時(shí)間演變由整個(gè)地球水平構(gòu)造運(yùn)動(dòng)無凈旋轉(zhuǎn)條件保證;

5)CGCS2000大地坐標(biāo)系是右手地固直角坐標(biāo)系。

2.3.2 CGCS2000與ITRF2008的差別

從采用框架來看，可認(rèn)為 CGCS2000與ITRF2008都是 ITRF系列。而二者差異為: CGCS2000是基于ITRF97框架2000.0歷元實(shí)現(xiàn)，ITRF2008的初始?xì)v元為2005.0;坐標(biāo)軸指向差異為:

式中，io為轉(zhuǎn)換框架，it為轉(zhuǎn)換后框架，T為平移矩陣，D為尺度參數(shù)，R為旋轉(zhuǎn)矩陣。

從2011年4月17日始IGS基于ITRF2008框架提供精密星歷，如何對(duì)早期的成果進(jìn)行統(tǒng)一，對(duì)CGCS2000的維護(hù)具有重要的參考意義。

在高精度GPS測(cè)量的基準(zhǔn)問題上［7］，主要取決于兩方面:1)GPS地面起算點(diǎn)的坐標(biāo)基準(zhǔn)，包括基線解算時(shí)地面參考點(diǎn)的坐標(biāo)基準(zhǔn)和網(wǎng)平差時(shí)的起算點(diǎn)坐標(biāo)基準(zhǔn);2)基線解算時(shí)衛(wèi)星星歷的基準(zhǔn)，包括星歷的參考框架和觀測(cè)時(shí)的平均歷元。為了討論框架差異對(duì)中國(guó)大陸基準(zhǔn)的影響，將精密星歷與地面基準(zhǔn)進(jìn)行統(tǒng)一，對(duì)結(jié)果進(jìn)行時(shí)間序列分析;通過參數(shù)轉(zhuǎn)化［8］(公式1)，分析坐標(biāo)差異和轉(zhuǎn)換參數(shù)的精度在中國(guó)大陸基準(zhǔn)維護(hù)中的應(yīng)用。

3 算例分析

選取中國(guó)大陸基準(zhǔn)2011-04-01—30日32個(gè)連續(xù)運(yùn)行參考站的數(shù)據(jù)，采用GAMIT10.40軟件并利用國(guó)際GPS服務(wù)跟蹤站精密星歷，顧及衛(wèi)星鐘差、接收機(jī)鐘差、對(duì)流層、電離層延遲、天線相位中心等各項(xiàng)改正進(jìn)行基線解算，采用參數(shù)法進(jìn)行ITRF框架轉(zhuǎn)化，從以下幾方面分析ITRF2008與ITRF2005的差異以及對(duì)中國(guó)大地基準(zhǔn)CGCS2000的影響。

3.1 解的穩(wěn)定性

在 ITRF2005和 ITRF2008框架下分析了URUM、WUHN、BJFS、BJSH四個(gè)框架點(diǎn)的穩(wěn)定性，結(jié)果見圖1～4。

從圖1～4可看出:ITRF2008較ITRF2005解在N、E、U方向上明顯穩(wěn)定，噪聲也較小。WUHN站在N方向差異較大，可能與采取的解算方案、天線相位中心模型和星歷轉(zhuǎn)換以及觀測(cè)環(huán)境有關(guān)。

圖1 ITRF2008框架下URUM、WUHN時(shí)間序列Fig.1 Time series of URUM and WUHN under ITRF2008

圖2 ITRF2005框架下URUM、WUHN時(shí)間序列Fig.2 Time series of URUM and WUHN under ITRF2005

圖3 ITRF2008框架下BJFS、BJSH時(shí)間序列Fig.3 Time series of BJFS and BJSH under ITRF2008

圖4 ITRF2005框架下BJFS、BJSH時(shí)間序列Fig.4 Time series of BJFS and BJSH under ITRF2005

3.2 框架轉(zhuǎn)換精度在中國(guó)大地基準(zhǔn)的適應(yīng)性

確定CGCS2000與ITRF2008轉(zhuǎn)換關(guān)系，須分析高精度框架間轉(zhuǎn)換參數(shù)精度在中國(guó)大地基準(zhǔn)的分布情況。圖5、6為公共核心站的差異及速度殘差分布。

從計(jì)算結(jié)果可以看出:

1)轉(zhuǎn)換參數(shù)精度在我國(guó)存在不均勻性，這與選取的公共站及加權(quán)策略、測(cè)站的位置有關(guān)［9，10］。轉(zhuǎn)換殘差在X、Y、Z方向的平均差異分別為3.5 mm、-2.6 mm和-3.2 mm，而在N、E、U方向的平均差異分別為0.6 mm、2.8 mm和5.3 mm，方向的互差較N、E方向大?？傮w看轉(zhuǎn)換精度可滿足框架間轉(zhuǎn)化的要求。

2)ITRF核心站的速度年平均殘差在mm級(jí)，在我國(guó)西北部，U方向速率殘差為-4 mm/a左右，南部U方向速率殘差為4.8 mm/a，太平洋板塊處U方向速率殘差為5.0 mm/a。

圖5 ITRF2008與ITRF2005框架采用參數(shù)轉(zhuǎn)化在X、Y、Z以及N、E、U方向的差異Fig.5 Difference between ITRF2008 and ITRF2005 on X，Y，Z and N，E，U by using the parameter transformation

3.3 CGCS2000與ITRF2008的差異

CGCS2000與ITRF2008的差異見圖7。

從圖7可得出:

1)ITRF2008框架在 2000.0歷元坐標(biāo)與CGCS2000在N方向平均差異在2.6 cm左右，標(biāo)準(zhǔn)差為±6.4 mm;E方向平均差異為1.3 mm，標(biāo)準(zhǔn)差為±1.2 mm;U方向平均差異為2.2 cm，標(biāo)準(zhǔn)差為±9.8 mm。

2)ITRF2008框架較 CGCS2000更自洽、更可靠。CGCS2000個(gè)別框架點(diǎn)與ITRF2008框架差異較大，說明CGCS2000框架存在局部變形。

圖7 ITRF2008歷元2000.0時(shí)刻與CGCS2000差異Fig.7 Difference between ITRF2008 and CGCS2000 at Epoch 2000.0 on NEU

3)N、E、U方向平均差異為 2 cm ，說明CGCS2000與ITRF2008基本一致。CGCS2000建立數(shù)十年，由于地殼形變與板塊運(yùn)動(dòng)等原因，存在局部變形，部分框架點(diǎn)位置有較大變化，因此，如何基于高精度框架ITRF2008對(duì)CGCS2000進(jìn)行動(dòng)態(tài)維護(hù)是亟待解決的問題。

4)CGCS2000建立在少數(shù)連續(xù)運(yùn)行站基準(zhǔn)上，缺少能足夠反映2000國(guó)家大地坐標(biāo)系的大地點(diǎn)，大部分點(diǎn)不具有現(xiàn)勢(shì)性。從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，CGCS2000的動(dòng)態(tài)維護(hù)，可充分利用國(guó)家測(cè)繪地理信息局大地基準(zhǔn)點(diǎn)、陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)以及其他省市連續(xù)運(yùn)行站數(shù)據(jù)，顧及板塊運(yùn)動(dòng)差異均勻選取連續(xù)運(yùn)行跟蹤站初步建立框架轉(zhuǎn)換七參數(shù)，而后在此基礎(chǔ)上確定CGCS2000與ITRF2008轉(zhuǎn)換參數(shù)的變化率建立14參數(shù)轉(zhuǎn)換模型，從而初步確定ITRF2008與CGCS2000的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)化關(guān)系。

5)我國(guó)板塊運(yùn)動(dòng)極為復(fù)雜，各板塊運(yùn)動(dòng)速率不一致，將導(dǎo)致基準(zhǔn)點(diǎn)存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)。鑒于CGCS2000與ITRF2008在各方向與對(duì)應(yīng)平均差異最小為4.5 mm，能滿足工程距離變形小于5 cm的要求，可初步確定CGCS2000更新周期大致為10年。

4 結(jié)論

1)相對(duì)于ITRF2005，ITRF2008采用新的絕對(duì)相位中心偏移模型(IGS08)、新重力場(chǎng)模型(EGM08)、衛(wèi)星及測(cè)站的變化模型、天線溫度形變等改正，這些策略的采用證明ITRF2008框架的性能高于ITRF2005框架。因此，采用ITRF2008框架數(shù)據(jù)解算時(shí)基線重復(fù)性分布更合理，解更趨于穩(wěn)定。

2)在中國(guó)區(qū)域內(nèi)要實(shí)現(xiàn)框架轉(zhuǎn)換，由于轉(zhuǎn)換參數(shù)精度的不均勻性，將導(dǎo)致在板塊交接處有較大的殘差。因此，采用轉(zhuǎn)換參數(shù)得到CGCS2000框架坐標(biāo)時(shí)，須有準(zhǔn)確的速率場(chǎng)以削弱不同板塊運(yùn)動(dòng)速率不一致的影響。

3)我國(guó)板塊運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性和不均勻性造成CGCS2000內(nèi)部發(fā)生變化，本文提出動(dòng)態(tài)維護(hù)CGCS2000的方案和我國(guó)大地基準(zhǔn)更新周期大致為10年。因此，借助ITRF2008得到基于CGCS2000的速率和轉(zhuǎn)換參數(shù)變化率是亟待解決的問題。

1 Altamimi Z，Collilieux X and Metivier L.ITRF2008:an improved solution of the international terrestrial reference frame［J］.J Geod，2011，85:457-473.Doi 10.1007/s00190-011-0444-4.

2 魏子卿.2000中國(guó)大地坐標(biāo)系及其與WGS84的比較［J］.大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)，2010，(2):117-124.(Wei Ziqing.China Geodetic Coordinate System 2000［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2010，(2):117-124)

3 林曉靜，張小紅.ITRF2005與CGCS2000坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法與精度分析［J］.大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)，2008，(5):1-5.(Lin Xiaojing and Zhang Xiaohong.Transformation methods and accuracy analysis between ITRF2005 and CGCS2000 coordinate［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2008，(5):1-5)

4 朱文耀，熊福文，宋淑麗.ITRF2005簡(jiǎn)介和評(píng)價(jià)［J］.天文學(xué)進(jìn)展，2008，26(1):1-14.(Zhu Wenyao，Xiong Fuwen and Song Shuli.Notes and commentary on the ITRF2005［J］.Progress in Astronomy，2008，26(1):1-14)

5 陳俊勇.大地坐標(biāo)框架理論和實(shí)踐的進(jìn)展［J］.大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)，2007，(1):1-6.(Chen Junyong.Progress in theory and practice for geodetic reference coordinate frame［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2007，(1):1-6)

6 魏娜，施闖.地球參考框架的實(shí)現(xiàn)和維持［J］.大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)，2009，(2):135-139.(Wei Na and Shi Chuang.Realization and maintenance of terrestrial reference frame［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2009，(2): 135-139)

7 李征航，黃勁松.GPS測(cè)量與數(shù)據(jù)處理［M］.武漢:武漢大學(xué)出版社，2010.(Li Zhenghang and Huang Jingsong.GPS surveying and data processing［M］.Wuhan:Wuhan U-niversity Press，2010)

8 吳吉賢，等.WGS84與ITRF2000參考框架坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的研究及應(yīng)用［J］.測(cè)繪科學(xué)，2008，33(5):73-74.(Wu Jixian，et al.Discussion of the coordinate conversion between WGS84 and ITRF2000［J］.Science of Surveying and Mapping，2008，33(5):73-74)

9 魏子卿.關(guān)于2000中國(guó)大地坐標(biāo)系的建議［J］.大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)，2006，(2):1-4.(Wei Ziqing.Proposal concerning China Geodetic Coordinate System 2000［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2006，(2):1-4)

10 金雙根，朱文耀.關(guān)于全球板塊運(yùn)動(dòng)模型ITRF2000VEL若干問題探討［J］.地球物理學(xué)進(jìn)展，2002，17(3):430 -436.(Jin Shuanggen and Zhu Wenyao.Discussing the newest present-day global plate motion model ITRF2000［J］.Progress in Geophysics，2002，17(3):430-436)

APPLICATION OF ITRF2008 IN CHINA GEOID DATUM

Jiang Guangwei，Cheng Chuanlu，Guo Chunxi，Wang wenli，Wang Bin，Nie Jianliang and Ma Xinying
(Geodetic Data Processing Center，National and Administration of Surveying，Mapping and Geoinformation，Xi’an 710054)

Taking the data of China geoid datum in consecutive days，as an example，the latest International Terrestrial Reference Frame(ITRF2008)was used to analyzed the difference between ITRF2008，ITRF2005 and CGCS2000.It is valuble maintaince to China geoid datum.It is concluded that the ITRF2008 more precise than the previous ITRF models，but there are some differences，which is related with observation stations，plate，the strategy for data solving and other factors.The nonuniforming and complexity of the earth plate movements cause the CGCS2000’s changes which should be dynamicly maintained.In the same time，the transformation scheme between CGCS2000 and ITRF2008 is preliminarily described.

ITRF;ITRFS transformation;CGCS2000;China geoid datum;plate movement

1671-5942(2012)02-0086-05

2011-09-27

國(guó)家863計(jì)劃項(xiàng)目(2009AA121402-5);陜測(cè)科項(xiàng)目(2009-03)

蔣光偉，男，1985年生，碩士，助理工程師，從事大地測(cè)量數(shù)據(jù)處理研究.E-mail:jgw_1985@163.com

P227

A