大地測量坐標(biāo)框架建立的進展與思考

姜衛(wèi)平，李 昭，魏 娜，劉經(jīng)南

1. 武漢大學(xué)衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)研究中心，湖北 武漢 430079； 2. 湖北珞珈實驗室，湖北 武漢 430079

人類活動80%以上的信息與空間位置有關(guān)。描述位置信息的前提是建立參照系，也就是坐標(biāo)系統(tǒng)。大地坐標(biāo)系統(tǒng)的確定包括選擇一個橢球、對橢球進行定位和確定大地起算數(shù)據(jù)，也就是定義坐標(biāo)系的原點、軸向和尺度[1]。大地坐標(biāo)框架(以下簡稱“坐標(biāo)框架”)是大地坐標(biāo)系統(tǒng)的實現(xiàn)，是描述地球形狀及其變化和表達地球空間信息的基礎(chǔ)，由一組具有坐標(biāo)(及其隨時間變化)的觀測站組成。由于科學(xué)技術(shù)的制約以及其他歷史原因，在20世紀(jì)末以前，世界上所建立的大地坐標(biāo)系統(tǒng)及大地坐標(biāo)框架基本表現(xiàn)為二維、參心特征，采用局域定位和地面網(wǎng)點傳遞的技術(shù)方式提供坐標(biāo)，未考慮板塊運動、地表質(zhì)量重分布等地球動力學(xué)效應(yīng)對地面點的時變影響，相對精度大約為10-5量級[2-3]。例如，我國的1954年北京坐標(biāo)系、1980西安坐標(biāo)系就是如此，其定義包括所采用的地球橢球、大地原點位置及橢球XYZ軸指向，對應(yīng)的坐標(biāo)框架則是用經(jīng)典大地測量技術(shù)所測定的全國天文大地網(wǎng)[2-3]。

20世紀(jì)末葉，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)、甚長基線干涉測量(VLBI)、衛(wèi)星激光測距(SLR)、多普勒無線電定軌定位系統(tǒng)(DORIS)等空間大地測量觀測手段成為建立全球或區(qū)域坐標(biāo)框架不可或缺的重要觀測技術(shù)。隨后，地心坐標(biāo)系及其框架開始逐漸取代傳統(tǒng)的參心坐標(biāo)系統(tǒng)及其坐標(biāo)框架。例如，GPS采用的世界大地坐標(biāo)系統(tǒng)(world geodetic system,WGS)及其框架、俄羅斯格洛納斯(GLONASS)坐標(biāo)系統(tǒng)及其參考框架PZ-90(Parametry Zelmy 1990)、歐盟伽利略地球參考框架(Galileo terrestrial reference frame,GTRF)、中國北斗導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)(BeiDou navigation satellite system,BDS)采用的坐標(biāo)系統(tǒng)(BeiDou coordinate system，BDCS)及其框架(BDS terrestrial reference frame,BTRF)、國際地球參考系統(tǒng)(international terrestrial reference system,ITRS)及其實現(xiàn)國際地球參考框架(international terrestrial reference frame,ITRF)，等。其中，ITRF是目前建立理論最完善、應(yīng)用最廣泛、精度最高的全球地心坐標(biāo)框架，為其他全球性和區(qū)域性坐標(biāo)框架提供統(tǒng)一的空間基準(zhǔn)[4]。為了促進可持續(xù)發(fā)展，2015年聯(lián)合國通過了采用ITRF作為全球統(tǒng)一大地測量參考框架的決議[5]。

近年來，很多國家也在積極推進區(qū)域坐標(biāo)框架建設(shè)的進程，以ITRF為基準(zhǔn)，利用GNSS等技術(shù)更新了各自的國家/區(qū)域地心坐標(biāo)框架。這些區(qū)域坐標(biāo)框架可以作為ITRF的加密或延伸，不僅支持了ITRF建設(shè)，還為全球經(jīng)濟一體化、全球大地測量參考框架綜合服務(wù)體系的構(gòu)建奠定了非常堅實的基礎(chǔ)。迄今為止，超過80%的國家地心坐標(biāo)框架與ITRF對準(zhǔn)[6]，例如，2007年啟用的最新韓國大地測量基準(zhǔn)2002(Korean Geodetic Datum 2002，KGD2002)與ITRF2000對準(zhǔn)[7]，2020年啟用的最新澳大利亞參考框架2014(Australian Terrestrial Reference Frame 2014,ATRF2014)與ITRF2014一致(https:∥icsm.gov.au/upgrades-australian-geospatial-reference-system)等。以我國為例，最新的2000國家大地坐標(biāo)系統(tǒng)(China geodetic coordinate system 2000,CGCS2000)定義與ITRS一致。其實現(xiàn)，也就是CGCS2000坐標(biāo)框架，代表了我國坐標(biāo)基準(zhǔn)建設(shè)的最高水平，精度顯著優(yōu)于我國長期采用的1954北京坐標(biāo)系、1980西安坐標(biāo)系[8-9]。然而，嚴(yán)格來說，CGCS2000坐標(biāo)框架屬于區(qū)域、靜態(tài)坐標(biāo)框架，整體精度相對偏低。目前，一些國家重大工程仍部分依賴于國際數(shù)據(jù)，難以滿足我國測繪基準(zhǔn)現(xiàn)代化對高精度坐標(biāo)框架的需求。

2016年發(fā)布的ITRF2014采用4種空間大地觀測技術(shù)，基于全球第二次數(shù)據(jù)重新處理計劃(repro2)建立。相較于ITRF2008，ITRF2014采用的觀測數(shù)據(jù)及測站數(shù)量更多，數(shù)據(jù)處理模型及策略更先進，并且首次考慮了基準(zhǔn)站的非線性運動。因此，其精度優(yōu)于以往所有ITRF版本，但是長期精度仍為厘米級，無法滿足氣候變化、地質(zhì)災(zāi)害、地震等大范圍或全球尺度毫米級地球系統(tǒng)動態(tài)變化監(jiān)測的需求[4,10]。尤其是長期海平面變化監(jiān)測，需要坐標(biāo)框架的精確度和穩(wěn)定性水平分別達到1 mm和1 mm/a[11]。2022年4月，最新的ITRF2020正式發(fā)布(https:∥itrf.ign.fr/en/solutions/ITRF2020)，不僅提供基準(zhǔn)站在參考?xì)v元時刻的位置及長期速度，還包括大地震造成的震后形變及周年、半周年參數(shù)模型。ITRF2020產(chǎn)品精度較ITRF2014有所提高，但是其量級仍有待進一步評估[6]。研究建立1 mm(中誤差1毫米，限差3倍中誤差，即1～3 mm)級坐標(biāo)框架迫在眉睫，是目前大地測量領(lǐng)域面臨的一項新任務(wù)和新挑戰(zhàn)，同時也是全球大地測量觀測系統(tǒng)(global geodetic observation system,GGOS)的研究目標(biāo)，還是國際大地測量學(xué)界21世紀(jì)的中長期學(xué)科目標(biāo)[12]。

本文首先介紹基于現(xiàn)代空間大地測量技術(shù)的坐標(biāo)框架建立理論與方法，然后詳細(xì)闡述全球及區(qū)域坐標(biāo)框架的最新進展及其局限性，最后圍繞構(gòu)建毫米級坐標(biāo)框架的幾個關(guān)鍵問題進行了展望，并給出了研究思路。

1 基于空間大地測量技術(shù)的坐標(biāo)框架建立方法

1.1 坐標(biāo)框架定義及確定方法

基于空間大地測量觀測技術(shù)建立的坐標(biāo)框架理論上應(yīng)該是ITRS的實現(xiàn)。原點、尺度、定向及其隨時間的演變是建立坐標(biāo)框架的必備要素，也就是基準(zhǔn)。確定了一套基準(zhǔn)，就確定了一個坐標(biāo)框架。動態(tài)坐標(biāo)框架在數(shù)學(xué)上表現(xiàn)為14個參數(shù)，即7參數(shù)(包括3個平移參數(shù)、3個旋轉(zhuǎn)參數(shù)、1個尺度參數(shù))及其隨時間的演變[13]?？紤]到ITRF是目前精度最高的大地測量坐標(biāo)框架，本文以ITRF為例，闡述基于空間大地測量觀測技術(shù)的坐標(biāo)框架建立方法。

ITRF的原點理論上位于包括固體地球、海洋和大氣的地球質(zhì)量中心(center of mass,CM)，通常利用SLR技術(shù)對坐標(biāo)框架的原點進行約束實現(xiàn)[14]。例如，ITRF2014的原點由SLR長期地球參考框架(terrestrial reference frame,TRF)的原點確定。在進行時間序列堆棧建立SLR長期TRF時，對其平移參數(shù)及其速率附加了內(nèi)部約束，以保證無外部原點基準(zhǔn)引入到SLR長期TRF中。值得注意的是，采用的內(nèi)部約束方法僅顧及一階項，即僅對ITRF原點相對于CM的長期變化進行約束，并不約束由地表質(zhì)量負(fù)載等引起的季節(jié)性變化[15]。嚴(yán)格來講，目前實現(xiàn)的ITRF原點既不是CM，也不是固體地球的形狀中心(center of figure,CF)，而是由實際地面觀測網(wǎng)維持的地球中心(center of network,CN)。實際布設(shè)地面網(wǎng)時都會盡量選擇均勻分布的全球網(wǎng)，此時CN近似于CF。由于附加了外部基準(zhǔn)約束，ITRF的原點在長時間尺度上近似于CM，近似的程度取決于附加基準(zhǔn)約束的質(zhì)量；在季節(jié)性時間尺度上近似于CF，近似的程度取決于觀測網(wǎng)空間分布。

坐標(biāo)框架的尺度通常由光速c、地球總質(zhì)量、地心引力常數(shù)GM及相對論改正模型共同確定。理論上，VLBI、SLR、GNSS和DORIS 4種技術(shù)均可以定義ITRF的尺度。GNSS技術(shù)除了受GM和c的影響外，還受到如衛(wèi)星天線相位中心的Z方向偏差、對流層延遲等技術(shù)相關(guān)系統(tǒng)誤差的影響，目前并不適合確定尺度。VLBI數(shù)據(jù)處理采用幾何方法，基本與地球引力場無關(guān)，其尺度因子主要取決于光速c，因此VLBI尺度因子的長期穩(wěn)定度優(yōu)于SLR和GNSS[13]。鑒于上述原因，從ITRF2000開始，GNSS技術(shù)不再參與定義尺度，僅VLBI和SLR用于ITRF尺度定義。

ITRF定向隨時間的演變相對于地球表面的水平運動符合相對于地殼整體無殘余旋轉(zhuǎn)[13]，采用上一版本ITRF提供的實測速度場對定向隨時間的演變進行約束[16]。例如，ITRF2014在歷元2010.0，相對于ITRF2008的旋轉(zhuǎn)參數(shù)和旋轉(zhuǎn)速率為零[4]?；诳臻g大地測量技術(shù)建立的坐標(biāo)框架定向可以借鑒ITRF的思路，即選擇在指定參考?xì)v元相對于最新版本ITRF的旋轉(zhuǎn)參數(shù)及旋轉(zhuǎn)速率為零來實現(xiàn)。

1.2 技術(shù)組合原理及算法

4種大地測量技術(shù)監(jiān)測TRF的原點、尺度和定向的能力不同。為了綜合利用不同技術(shù)的優(yōu)勢，IERS的4個技術(shù)中心IGS(International GNSS Service)、IVS(International VLBI Service)、ILRS(International Laser Ranging Service)和IDS(International DORIS Service)，分別負(fù)責(zé)收集并提供GNSS、VLBI、SLR及DORIS數(shù)據(jù)給IERS。IERS通過對不同技術(shù)的站坐標(biāo)時間序列進行多技術(shù)組合，并將并置站之間的基線測量值作為虛擬觀測值引入聯(lián)合平差過程，添加到技術(shù)間組合法方程，實現(xiàn)各空間大地測量技術(shù)間的綜合解算，進而建立ITRF。

建立ITRF的第1步是對不同技術(shù)中心預(yù)處理后的SINEX(solution independent exchange format)文件進行單技術(shù)時間序列堆棧，獲得每種技術(shù)的長期TRF。技術(shù)內(nèi)組合可在參數(shù)層面或法方程層面進行時間序列堆棧，ITRF采用基于參數(shù)層面的方式實現(xiàn)[17]。由于每種技術(shù)估計的轉(zhuǎn)換參數(shù)個數(shù)不同，堆棧法方程會有不同程度的秩虧，技術(shù)內(nèi)組合時主要通過附加最小約束消除法方程秩虧[18]。而且，還需要采用迭代的方法，探測和剔除各個分析中心提供的解包含的粗差，并更新相應(yīng)的方差因子，直到剔除所有粗差。

建立ITRF的第2步是將不同技術(shù)的法方程組合到一個法方程系統(tǒng)中，通常采用方差分量估計的方法合理地確定各類技術(shù)之間的權(quán)重[17]，并通過局部連接將不同技術(shù)聯(lián)系起來。技術(shù)間組合的輸入數(shù)據(jù)是各技術(shù)的長期TRF，同時引入并置站局部連接約束，將各技術(shù)通過并置站觀測數(shù)據(jù)綁定在一起進行綜合。如果并置站中不同技術(shù)獲得的測站速度相同，則將該假設(shè)作為約束條件附加到技術(shù)間組合過程，最終解算法方程獲得測站坐標(biāo)、地球定向參數(shù)和各子網(wǎng)框架歸算到ITRF的轉(zhuǎn)換參數(shù)。

IERS負(fù)責(zé)對所有的并置站測量資料進行整理，并提供全球并置站測量的SINEX格式數(shù)據(jù)文件。并置站和局部連接的質(zhì)量是限制目前ITRF精度的主要因素之一[17]，其誤差會傳遞給測站坐標(biāo)甚至扭曲整個網(wǎng)形。

2 全球/區(qū)域坐標(biāo)框架最新進展及其局限性

2.1 多技術(shù)組合全球坐標(biāo)框架

為了綜合利用VLBI、SLR、GNSS、DORIS等不同空間大地測量技術(shù)的優(yōu)勢，IERS通過聯(lián)合多源技術(shù)建立TRF[19]，發(fā)布了3套官方產(chǎn)品，包括ITRF、DTRF及JTRF，分別由IERS的3個ITRS組合中心建立并提供。這3個中心分別是法國國家地理研究所(IGN)、德國大地測量研究所(DGFI)及美國噴氣推進實驗室(JPL)。3套產(chǎn)品均基于第1節(jié)的坐標(biāo)框架建立方法實現(xiàn)，采用完全相同的輸入數(shù)據(jù)，僅實施過程中的細(xì)節(jié)不同。下文將針對3種框架的技術(shù)特征進行總結(jié)和概括。

2.1.1 ITRF

IGN選擇參數(shù)層面的多技術(shù)組合方式，基于最小二乘方法實現(xiàn)ITRF。自1988年起，經(jīng)過30多年的發(fā)展與改進，IERS發(fā)布了ITRF1988—ITRF2020共14個版本。自ITRF2005起，ITRF采用測站坐標(biāo)時間序列及地球定向參數(shù)(EOP)作為輸入數(shù)據(jù)，同時獲取框架點的位置、線性速度及與ITRF一致的EOP，其優(yōu)勢在于可以監(jiān)測測站的非線性運動及不連續(xù)性，研究參考框架物理參數(shù)，原點和尺度隨時間的變化規(guī)律。次新版本ITRF2014于2016年正式發(fā)布，參考?xì)v元為2010.0，原點由SLR確定，尺度由SLR/VLBI共同確定，定向在參考?xì)v元時刻相對于ITRF2008旋轉(zhuǎn)參數(shù)和旋轉(zhuǎn)速率均為零。ITRF2014首次考慮了基準(zhǔn)站的非線性運動，提供了周年、半周年季節(jié)變化及大型地震造成的測站震后形變模型，其精度優(yōu)于以往所有版本[4]，但是長期精度仍為厘米級。為此，2019年1月，IERS發(fā)起了建立新一代地球參考框架ITRF2020的倡議，IERS各技術(shù)中心開始籌備VLBI/SLR/DORIS/GNSS全球數(shù)據(jù)再分析工作。例如，同年10月，IGS全球分析中心啟動基于最新版本IERS協(xié)議的第3次全球GNSS數(shù)據(jù)重新處理(repro3)，應(yīng)用于ITRF2020的建立。2022年4月，ITRF2020正式發(fā)布(https:∥itrf.ign.fr/en/solutions/ITRF2020)，初步結(jié)果顯示SLR/VLBI兩種技術(shù)確定的尺度差異優(yōu)于0.5×10-9，精度較ITRF2014(1.37×10-9)顯著提高[6]。

2.1.2 DTRF

DGFI利用法方程疊加，基于最小二乘方法得到組合解。發(fā)布的DTRF系列包括DTRF2008、DTRF2014等[20-21]。其中，DTRF2014是ITRF2014框架下DGFI發(fā)布的最新IERS實現(xiàn)，原點僅由SLR確定，尺度由單SLR/VLBI技術(shù)確定的尺度加權(quán)平均實現(xiàn)，定向在參考?xì)v元時刻2000.0測站的位置及速度相對于DTRF2008滿足無凈旋轉(zhuǎn)條件。與ITRF2014相比，DTRF2014是首個在法方程層面考慮了非潮汐負(fù)載修正(包括大氣及水文負(fù)載模型)的組合全球坐標(biāo)框架。而且，發(fā)布的產(chǎn)品包括能夠幫助獲取任意時刻近似測站位置的所有必需信息。也就是說，除傳統(tǒng)的框架點SINEX(參考?xì)v元位置、速度)及EOP文件外，DTRF2014還提供非潮汐負(fù)載改正值、測站位置殘差時間序列及框架原點的平移時間序列[22]。考慮到近年來非潮汐負(fù)載產(chǎn)品的質(zhì)量及空間大地測量技術(shù)精度的不斷提升，新一代DTRF2020正在建設(shè)中[23]。

2.1.3 JTRF

DTRF及ITRF均屬于長期參考框架，提供框架點在參考?xì)v元的位置及線性速度，無法描述測站的季節(jié)性變化，導(dǎo)致參考框架的原點在季節(jié)性時間尺度不是CM，也影響了參考框架的精度。為了克服這一問題，DTRF2014提供了非潮汐大氣和水文負(fù)載造成的形變，對測站的部分非線性變化進行修正。與IGN和DGFI不同，JPL采用參數(shù)層面的組合方式，基于卡爾曼濾波(Kalman filtering)及平滑算法實現(xiàn)JTRF，以周坐標(biāo)時間序列的形式進行框架表達，可完整描述測站的非線性運動，最新版本為JTRF2014[24]。相比于ITRF2014及DTRF2014，JTRF2014屬于歷元參考框架，表現(xiàn)為亞長期(sub-secular)、非線性(non-linear)特征，在確定地心運動及降低測站坐標(biāo)離散度方面優(yōu)勢顯著[25]。

JTRF2014的框架原點由SLR獲得的準(zhǔn)瞬時地球質(zhì)心(quasi-instantaneous center of mass)實現(xiàn)，尺度由VLBI/SLR確定的準(zhǔn)瞬時尺度實現(xiàn)，定向的確定與ITRF2014一致。框架點運動模型考慮了長期線性運動、周年及半周年運動，能更真實地反映測站運動，但是穩(wěn)定性及估算的EOP質(zhì)量較差，而且并未考慮震后形變及非潮汐負(fù)載等的影響。因此，根據(jù)JTRF2014預(yù)測得到的震區(qū)測站位置誤差很大，無法在當(dāng)前的空間大地測量演算中采用[24-25]。另一方面，JTRF2014基于序貫估計方法實現(xiàn)，隨著全球空間大地測量觀測數(shù)據(jù)的迅猛增長，計算效率將是JTRF面臨的主要問題之一。新一代JTRF2020將基于平方根信息濾波(square-root information filter,SRIF)方法建立，實現(xiàn)由序貫算法到時變序貫算法的升級，并考慮震后形變影響，進一步提高歷元參考框架建立的效率和精度(https:∥www.iers.org/SharedDocs/Publikationen/EN/IERS/rep-orts/IAG/ReportIAG2019-2021.pdf)。

2.2 GNSS全球坐標(biāo)框架

利用GNSS基準(zhǔn)站網(wǎng)建立與維持全球或區(qū)域地心動態(tài)坐標(biāo)框架，是目前最經(jīng)濟有效的方式[26]。國際上應(yīng)用較為廣泛的GNSS全球坐標(biāo)框架主要包括IGS發(fā)布的IGS參考框架系列、美國國防部建立的WGS-84系列、俄羅斯格洛納斯地球參考框架PZ-90(Parametry Zelmy 1990)，以及歐盟伽利略地球參考框架GTRF(Galileo terrestrial reference frame)等，均為ITRS的具體實現(xiàn)。

2.2.1 IGS和WGS-84參考框架

IGS參考框架及WGS-84(http:∥www.acc.igs.org/igs-frames.html)與ITRF一致，但是僅使用GPS數(shù)據(jù)建立和維持。自IGS05起，IGS參考框架的實現(xiàn)過程包括3步：首先，IGS從對應(yīng)的ITRF最終解中選取基準(zhǔn)站結(jié)果；然后，進行絕對天線相位中心改正；最后，通過Helmert轉(zhuǎn)換將其對準(zhǔn)到ITRF框架[18]。IGS參考框架目前最新的版本為與ITRF2014基準(zhǔn)一致的IGS14[27]。

WGS-84是GPS廣播星歷和美國國家地理空間情報局(National Geospatial-Intelligence Agency，NGA)精密星歷采用的TRF，于1987年1月開始使用，最新版本為2021年1月發(fā)布的WGS-84(G2139)，與ITRF2014一致(https:∥geodesy.noaa.gov/TOOLS/Htdp/HTDP-log.pdf)。次新版本為2013年發(fā)布的WGS-84(G1762)，在參考?xì)v元2005.0與ITRF2008的一致性水平為1 cm。

2.2.2 PZ-90和Galileo參考框架

PZ-90參考框架由俄羅斯聯(lián)邦國防部建立，是俄羅斯全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System,GLONASS)采用的參考框架。該框架于1993年開始采用，更新頻率低于WGS-84，至今僅有兩個版本：PZ-90.02和PZ-90.11。最新版本PZ-90.11對準(zhǔn)到ITRF2008，參考?xì)v元為2010.0，精度優(yōu)于2 cm[28]。

GTRF由歐空局(European Space Agency,ESA)建立，是Galileo衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)采用的參考框架，至今共發(fā)布了12個版本，最新版本為GTRF19v01，與ITRF2014對準(zhǔn)[29]。

2.2.3 北斗參考框架

2020年7月31日，我國自主建設(shè)、獨立運行的北斗三號全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS-3)正式運行，面向全球用戶提供服務(wù)[30]。目前，BDS采用的官方地球參考框架產(chǎn)品為BDCS(2019V01)，是2017年12月發(fā)布的北斗坐標(biāo)系統(tǒng)(BeiDou Coordinate System,BDCS)的實現(xiàn)[31]，也是ITRS的具體實現(xiàn)。BDCS(2019V01)框架點由100多個全球分布、包含北斗雙頻數(shù)據(jù)的地面站組成，包括IGS基準(zhǔn)站(中國境內(nèi)3個:LHAZ、SHAO、BJFS)、陸態(tài)網(wǎng)臺站、IGS/MGEX及IGMAS監(jiān)測站，通過31個IGS站采用最小約束與ITRF2014對準(zhǔn)，兩者一致性在厘米級，但是目前僅采用GPS數(shù)據(jù)建立[32]。隨著BDS-3的全面建成，未來可考慮聯(lián)合BDS/GPS/GLONASS/Galileo多衛(wèi)星系統(tǒng)，以及聯(lián)合GNSS、VLBI、SLR等多種空間大地測量技術(shù)手段，采用更長觀測時段、更多觀測數(shù)據(jù)對框架進行更新，進一步提高精度。

2.3 區(qū)域坐標(biāo)框架

在過去幾年里，很多國家都在積極推進國家/區(qū)域地心坐標(biāo)框架體系的進程，取得了許多重要的成果。本節(jié)介紹利用GNSS技術(shù)建立區(qū)域坐標(biāo)框架的方法，并闡述我國及其他國家坐標(biāo)框架建設(shè)的最新進展。

2.3.1 基于GNSS技術(shù)的區(qū)域坐標(biāo)框架建立方法

2019年，國際大地測量協(xié)會(IAG)通過了將ITRF作為定位、衛(wèi)星導(dǎo)航及地球科學(xué)應(yīng)用、國家/區(qū)域參考框架定義及對準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)地球參考框架的決議[33]。利用GNSS技術(shù)建立與ITRF對準(zhǔn)的區(qū)域坐標(biāo)框架可采取如下步驟實現(xiàn)：

(1) 建立GNSS觀測站，進行空間測量。測站選取參照IGS基準(zhǔn)站標(biāo)準(zhǔn)。一般來說，為了獲得準(zhǔn)確的基準(zhǔn)站速度，累積至少2.5年的觀測資料[34]。

(2) 根據(jù)協(xié)議約定，采用國際推薦的最新模型參數(shù)、常數(shù),對觀測數(shù)據(jù)進行高精度處理，解算測站坐標(biāo)。

(3) 堆棧測站坐標(biāo)時間序列，選擇全球均勻分布或區(qū)域周邊若干穩(wěn)定ITRF/IGS基準(zhǔn)站作為框架點，采用最小約束獲得單GNSS技術(shù)長期解，從而確定區(qū)域坐標(biāo)框架。

2.3.2 CGCS2000坐標(biāo)框架

我國最新的坐標(biāo)系統(tǒng)CGCS2000自2008年7月發(fā)布以來，在國民經(jīng)濟建設(shè)和社會發(fā)展中已經(jīng)發(fā)揮了重要作用，于2018年7月起全面啟用。CGCS2000坐標(biāo)框架是CGCS2000坐標(biāo)系統(tǒng)的實現(xiàn)，表現(xiàn)為3個層次：第1層次為GNSS國家級連續(xù)運行站網(wǎng)(簡稱“國家CORS系統(tǒng)”)，包括28個IGS站和CORS站，坐標(biāo)精度為毫米級(3 mm)，速度精度為1 mm/a；第2層次為2000國家GPS大地控制網(wǎng)，包括覆蓋中國全部領(lǐng)土、領(lǐng)海的高精度GPS網(wǎng)點(全國GPS一、二級網(wǎng)，國家GPS A、B級網(wǎng)，地殼運動監(jiān)測網(wǎng)和地殼運動觀測網(wǎng)絡(luò)工程網(wǎng)，共約2542點)，三維地心坐標(biāo)精度約3 cm；第3層次為全國天文大地控制網(wǎng)(約50 000點)，三維點位誤差約0.3 m[1,8]。CGCS2000坐標(biāo)框架在參考?xì)v元2000.0與ITRF97對齊，僅提供極少部分測站的速度，屬于靜態(tài)坐標(biāo)框架。例如，經(jīng)過20余年的地殼運動，框架站點坐標(biāo)變化最大超1 m，必須要維持。文獻[34]基于CGCS2000建立了動態(tài)大地測量基準(zhǔn)，但產(chǎn)品精度仍未突破毫米量級[35]。

2.3.3 北美坐標(biāo)框架

1983北美基準(zhǔn)(North American datum of 1983,NAD 83)目前仍然是美國本土及其領(lǐng)土采用的官方水平基準(zhǔn)，其實現(xiàn)是NAD 83坐標(biāo)框架，包括3部分：NAD 83(2011/PA11/MA11)，參考?xì)v元均為2010.0，分別適用于北美板塊、太平洋板塊及馬里亞納板塊(https:∥www.ngs.noaa.gov/datums/)。NAD 83的原點與地心偏離約2.2 m，其建立采用對大地測量基準(zhǔn)點進行地面測量實現(xiàn)，隨時間的推移基準(zhǔn)點會損壞，并且信息未知導(dǎo)致無法對基準(zhǔn)網(wǎng)進行維持。為了提高美國國家空間參考系統(tǒng)(National Spatial Reference System,NSRS)的精度，美國國家大地測量局(National Geodetic Survey,NGS)近幾年對國家地心參考框架現(xiàn)代化采取了一系列措施，計劃主要利用GNSS技術(shù)建立4種與板塊固連的全新地球參考框架(https:∥www.ngs.noaa.gov/datums/newdatums/naming-convention.shtml)，分別為2022北美參考框架(North American terrestrial reference frame of 2022,NATRF2022)、2022太平洋參考框架(Pacific Terrestrial Reference Frame of 2022,PATRF2022)、2022馬里亞納參考框架(Mariana terrestrial reference frame of 2022,MATRF2022)及2022加勒比海參考框架(Caribbean terrestrial reference frame of 2022,CATRF2022)。這4種參考框架與最新IGS參考框架一致，將取代現(xiàn)有的3種NAD 83坐標(biāo)框架，構(gòu)成美國現(xiàn)代大地坐標(biāo)框架體系，預(yù)計在2022年發(fā)布。

2.3.4 歐洲地球參考框架

1990年，歐洲大地參考框架(European geodetic reference frame,EUREF)基于ITRS建立了與亞歐穩(wěn)定板塊固連的1989歐洲地球參考系統(tǒng)(European terrestrial reference system 1989,ETRS89)。歐洲地球參考框架(European terrestrial reference frame,ETRF)是ETRS89的實現(xiàn)，至今發(fā)布了5個版本，通過EUREF永久基準(zhǔn)站網(wǎng)(EUREF permanent GNSS network,EPN)維持。其中，EUREF技術(shù)工作組建議采用ETRF2000作為常規(guī)基準(zhǔn)，所有測站坐標(biāo)都轉(zhuǎn)換至ETRF2000框架下表達。最新版本的ETRF2014與ITRF2014一致，推薦具有高精度應(yīng)用需求的用戶采用。截至2021年1月，EPN包括362個永久GNSS跟蹤站，所有站點都以IGS標(biāo)準(zhǔn)建站，其中50%的EPN站也是IGS觀測站(http:∥www.epncb.oma.be)。

2.3.5 新一代俄羅斯地心坐標(biāo)框架

俄羅斯新一代國家大地坐標(biāo)框架是最新高精度國家大地坐標(biāo)系統(tǒng)(state geodetic coordinate system,GSK-2011)的具體實現(xiàn)，于2017年1月起全面采用。俄羅斯地心坐標(biāo)框架同樣包括3個層次：第1層次為基礎(chǔ)天文大地參考框架(Fundamental astronomical-geodetic reference frame,FAGS)，由50個永久GNSS觀測站組成；第2層次為高精度大地參考框架(high-precision geodetic reference frame,VGS)，作為ITRF在俄羅斯領(lǐng)土范圍的加密，由300個平均距離為150～300 km的測點組成；第3層次為一級衛(wèi)星大地參考框架(first-class satellite geodetic reference frame of the first category,SGS-1),包括平均間距為15～35 km的約4500個測點。為了進一步提高實時導(dǎo)航精度，解決更加精細(xì)的地球物理及大地測量學(xué)科科學(xué)問題，計劃將FAGS、VGS及SGS-1的基準(zhǔn)站數(shù)量分別增加至80、350及6000，并且定期(3～5 a)對坐標(biāo)框架進行更新[28]。

2.3.6 其他國家/區(qū)域坐標(biāo)框架建設(shè)

除上述國家外，其他國家及地區(qū)也先后更新了各自的地心坐標(biāo)框架。例如，2000美洲大地參考框架(geodetic reference system for the Americas 2000,SIRGAS2000)是ITRF在美洲的加密，由分布在美洲北部、中部及南部的184個連續(xù)運行GPS觀測站組成。SIRGAS2000與ITRF2000對準(zhǔn)，參考?xì)v元為2000.4，坐標(biāo)精度約為3～6 mm(https:∥www.sirgas.org/en/sirgas-realizations/)。

2005年，基于GNSS技術(shù)建立、與ITRF及IGS標(biāo)準(zhǔn)一致的統(tǒng)一非洲大地參考框架(African geodetic reference frame,AFREF)建成并啟用[36]，以實現(xiàn)非洲大陸測繪產(chǎn)品的基準(zhǔn)統(tǒng)一轉(zhuǎn)換。AFREF是ITRF在非洲大陸的加密，通過間距約1000 km的永久GPS站網(wǎng)實現(xiàn)與維持。非洲各國家可以在各自領(lǐng)土范圍內(nèi)建立永久/半永久GPS運行站對AFREF實施加密，建立與ITRF一致的國家坐標(biāo)框架。

2017年10月，澳大利亞大地測量工作組將傳統(tǒng)澳大利亞地心坐標(biāo)框架1994(geocentric datum of Australia 1994,GDA94)升級為靜態(tài)GDA2020框架，并于2020年1月建立了與ITRF2014一致的動態(tài)2014澳大利亞參考框架(Australian terrestrial reference frame 2014,ATRF2014)。GDA2020及ATRF2014構(gòu)成了澳大利亞現(xiàn)代坐標(biāo)框架體系，二者之間可通過澳大利亞板塊運動模型實施轉(zhuǎn)換(https:∥icsm.gov.au/upgrades-australian-geospatial-reference-system)。

此外，99瑞典參考框架(Sweden Reference Frame 99,SWEREF99)是ETRS89在瑞典的具體實現(xiàn)[37]，由瑞典國家永久GNSS參考站網(wǎng)(Swepos)的30個A級基準(zhǔn)站及100個周邊國家基準(zhǔn)站定義(https:∥www.lantmateriet.se/en/geodata/gps-geodesi-och-swepos/reference-systems/ three-dimensional-systems/SWEREF-99/)。最新的2011日本大地基準(zhǔn)(Japanese Geodetic Datum 2011,JGD2011)于2011年10月啟用，取代地心三維大地基準(zhǔn)JGD2000[38]，為日本領(lǐng)土及領(lǐng)海提供坐標(biāo)基準(zhǔn)(https:∥www.gsi.go.jp/ENGLISH/page_e30030.html)。

3 顧及非線性變化的1毫米級坐標(biāo)框架構(gòu)建

從上述全球/區(qū)域大地測量坐標(biāo)框架的現(xiàn)狀可以看出，最新的國際地球參考框架仍然無法滿足大范圍或全球尺度毫米級地球系統(tǒng)動態(tài)變化監(jiān)測的需求。我國現(xiàn)行精度最高的CGCS2000坐標(biāo)框架是一個區(qū)域、靜態(tài)的框架，整體精度偏低，難以滿足我國測繪基準(zhǔn)現(xiàn)代化及北斗三號全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)對高精度坐標(biāo)框架的需求。研究建立顧及非線性變化的1毫米級坐標(biāo)框架，不僅是大地測量學(xué)21世紀(jì)的學(xué)科挑戰(zhàn)，也是我國坐標(biāo)框架建設(shè)的目標(biāo)，對于構(gòu)建和維持我國獨立自主的北斗全球空間基準(zhǔn)具有重要作用。其構(gòu)建思路主要包括以下幾個方面。

3.1 精密空間大地測量數(shù)據(jù)處理技術(shù)

高精度基準(zhǔn)站坐標(biāo)時間序列的獲取是建立1毫米級地球坐標(biāo)框架的必備前提條件。由于數(shù)據(jù)處理中涉及的地球物理與環(huán)境模型及策略不完善，導(dǎo)致空間觀測技術(shù)類系統(tǒng)誤差是限制基準(zhǔn)站坐標(biāo)時間序列精度的最主要因素，會造成基準(zhǔn)站“虛假”的非線性位移，與坐標(biāo)時間序列包括的真實地球物理信號相互作用，從而降低后續(xù)坐標(biāo)框架建立的精度。以GNSS技術(shù)為例，忽略高階電離層延遲會造成GNSS時間序列南北方向的周年、半周年虛假信號[39]，實施次分量海洋潮汐改正后多個GPS交點年諧波信號振幅減小[40]等。SLR技術(shù)類系統(tǒng)誤差包括距離偏差和時間偏差[41]。其中，時間偏差對測站坐標(biāo)的影響主要體現(xiàn)在水平方向，東西方向最大可達毫米級。距離偏差會造成測站坐標(biāo)的錯誤估計，最終影響框架尺度及地心定義。而且，間歇性的距離偏差還會造成測站坐標(biāo)時間序列“虛假”的跳躍，影響測站的速度。不同分析中心采用的不一致的距離偏差處理方式同樣會影響組合產(chǎn)品的精度。針對VLBI技術(shù)，系統(tǒng)誤差主要包括未模型化或模型化不完善的大氣傳播誤差(對流層、電離層延遲)、測站原子鐘誤差、天線誤差及地球物理模型誤差。其中，VLBI天線熱膨脹、機械變形及錯誤的地球物理模型建模導(dǎo)致的測站位置誤差均可達毫米級[42]。從多技術(shù)組合的角度來看，部分并置站不同觀測技術(shù)獲得的年周期信號之間仍然存在不一致，局部連接差異顯著。例如，在ITRF2014的建立過程中，41%的局部連接殘差超過5 mm[4]，主要是由于技術(shù)類系統(tǒng)誤差的影響，如未估計SLR距離偏差及VLBI天線重力變形、大規(guī)模全球GNSS基準(zhǔn)站分子網(wǎng)處理等[26,42-44]。

研究空間大地測量技術(shù)精密數(shù)據(jù)處理方法，不斷精化數(shù)學(xué)模型，確定最優(yōu)GNSS/VLBI/SLR/DORIS數(shù)據(jù)處理模型及策略，并對全球基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)進行整網(wǎng)一致性重處理，有助于進一步消除或減弱技術(shù)類系統(tǒng)誤差的影響，為1毫米級坐標(biāo)框架的建立提供更準(zhǔn)確的輸入數(shù)據(jù)。例如，與實現(xiàn)ITRF2014建立的全球第2次數(shù)據(jù)重新處理計劃(repro2)相比，全球第3次數(shù)據(jù)重新處理計劃(repro3)在數(shù)據(jù)處理方法及模型方面取得了很大的改進，包括引入了IERS建議的平均線性極潮新模型、太陽輻射壓模型、海洋潮汐模型FES2014b、高頻EOP新模型及未指北跟蹤天線相位中心改正旋轉(zhuǎn)，更新了GLONASS-M/GLONASS-K衛(wèi)星的地球反照率模型及Galileo衛(wèi)星天線相位中心偏差，并建議各分析中心將所有行星納入三體運動模型等(http:∥acc.igs.org/repro3/repro3.html)。研究確定數(shù)據(jù)處理模型變更導(dǎo)致的GNSS技術(shù)類系統(tǒng)誤差量級及其對坐標(biāo)時間序列的貢獻，有助于削弱“虛假”位移對真實地球物理信號的淹沒效應(yīng)，為后續(xù)坐標(biāo)框架的建立提供可靠“干凈”的數(shù)據(jù)源。

國際激光測距服務(wù)(international laser ranging service,ILRS)分析常務(wù)委員會(Analysis Standing Committee,ASC)通過同時估計測站坐標(biāo)及距離偏差，并引入新的質(zhì)心目標(biāo)特征(center of mass target signature)模型來消除系統(tǒng)誤差的影響，有效降低了ITRF2020中單VLBI/SLR技術(shù)獲得的系統(tǒng)尺度差異(0.22×10-9)，精度較ITRF2014(1.37×10-9)顯著提高[6]，但是系統(tǒng)誤差仍然存在，而且并未考慮時間偏差的影響。2019年起，國際VLBI服務(wù)(international VLBI service,IVS)引入新的平均極潮模型、高頻EOP模型，銀河系光行差模型及天線重力變形模型針對1979—2020年的全球VLBI觀測數(shù)據(jù)進行重新處理，發(fā)現(xiàn)4種新模型造成的VLBI臺站高程變化超過15 mm[45]。盡管如此，VLBI數(shù)據(jù)處理將觀測到的河外射電源作為點源處理。最新的研究結(jié)果表明，射電源結(jié)構(gòu)，也就是發(fā)射角分布導(dǎo)致的誤差占全部VLBI誤差方差的40%，與測站相關(guān)誤差幾乎為同一量級[46]。完善SLR距離偏差模型，并深入研究忽略時間偏差、射電源結(jié)構(gòu)造成的全球SLR、VLBI臺站“虛假”運動特征，有望大幅度削弱SLR/VLBI技術(shù)類系統(tǒng)誤差，進一步提高坐標(biāo)框架建立的精度。

3.2 基準(zhǔn)站非線性運動建模

由于僅模型化了周年、半周年季節(jié)變化及大地震造成的測站震后形變，無法精確描述基準(zhǔn)站呈現(xiàn)的復(fù)雜非線性運動，這是導(dǎo)致ITRF2014精度難以達到毫米級的一個主要原因。地球物理信號不僅表現(xiàn)為周年、半周年運動，同時呈現(xiàn)年間及短周期變化(如日變化)特征[47-48]。學(xué)者評估DTRF2014發(fā)現(xiàn)，水文負(fù)載改正能顯著減小基于VLBI技術(shù)得到的尺度周年信號，同時改正非潮汐大氣壓及水文負(fù)載效應(yīng)則能使地球參考框架原點的年周期信號消失，且大幅度減小基于SLR及VLBI技術(shù)獲得的尺度年周期信號[23]。然而，新一代地球參考框架ITRF2020的建立仍然采用周年、半周年季節(jié)變化模型描述基準(zhǔn)站非線性運動，并未將環(huán)境負(fù)載改正模型納入最終產(chǎn)品[6]。而且，除環(huán)境負(fù)載外的其他地球物理因素同樣可能造成基準(zhǔn)站的非線性變化。例如，非季節(jié)溫度變化造成的測站垂直位移某些區(qū)域可達3 mm[49]，地表覆蓋的土壤層同樣可能導(dǎo)致基準(zhǔn)站熱膨脹效應(yīng)呈現(xiàn)相位滯后[50]，水位變化造成的孔隙彈性形變等。

針對地球物理效應(yīng)造成的基準(zhǔn)站非線性位移對于坐標(biāo)框架建立的貢獻當(dāng)前仍然處于起步階段，還有許多科學(xué)問題值得研究，主要體現(xiàn)在4個方面：①水文負(fù)載對于GNSS基準(zhǔn)站垂直非線性運動的貢獻差異較大，且與地表水平位移弱相關(guān)；②環(huán)境負(fù)載位移模型的建立忽略了地球的滯彈性特征及區(qū)域地理環(huán)境差異的影響；③非季節(jié)溫度變化造成的水平地表位移及其他地球物理因素對基準(zhǔn)站非線性運動的貢獻目前尚無研究涉及；④融合地球物理模型建立坐標(biāo)框架在地球形狀中心參考框架下實施，造成了坐標(biāo)框架定義參數(shù)及產(chǎn)品的扭曲。評估不同時空分辨率全球及區(qū)域水文模型的精度，建立精密水文模型，并與地表氣壓、洋底壓力模型聯(lián)合，建立全球GNSS基準(zhǔn)站的精密環(huán)境負(fù)載位移時間序列；發(fā)展基于滯彈性地球模型及測站格林函數(shù)建立環(huán)境負(fù)載模型的新方法，構(gòu)建顧及地表土壤厚度的全周期GNSS基準(zhǔn)站三維熱彈性應(yīng)變新模型，并探索可能造成基準(zhǔn)站非線性運動的其他地球物理因素；最后，融合環(huán)境負(fù)載、熱膨脹及其他模型，建立毫米級基準(zhǔn)站地球物理運動模型，并評估其對地球參考框架的貢獻具有重要的理論價值，有望進一步提高產(chǎn)品精度，為實現(xiàn)1毫米級坐標(biāo)框架建立提供方法支持。

3.3 空間大地測量技術(shù)組合

利用單一技術(shù)難以同時解決框架的原點、尺度精度問題及站點分布密度問題，綜合GNSS、VLBI、SLR、DORIS等多源空間大地測量觀測技術(shù)是實現(xiàn)1毫米級地球參考框架的重要基礎(chǔ)。其挑戰(zhàn)和難點主要表現(xiàn)為3個方面：首先，由于不同測量技術(shù)觀測精度參差不齊、系統(tǒng)誤差顯著，而且組合時未顧及季節(jié)信號等問題，導(dǎo)致基于多源觀測技術(shù)建立的地球參考框架精度受限；其次，多源觀測技術(shù)的組合主要依賴地面并置站，并置站的數(shù)量、精度、全球分布、局部連接的質(zhì)量等因素對技術(shù)組合解的精度也起到?jīng)Q定性的作用[51]；第三，局部連接一般通過地面常規(guī)測量方法獲得，與空間大地測量手段獲得的結(jié)果存在難以精確解釋的差異，同樣制約著多技術(shù)組合的精度和可靠性，例如，參與建立ITRF2014的并置站中，仍有41%的局部連接殘差超過5 mm，21%的局部連接殘差大于10 mm[4]。

目前ITRF的建立還是基于坐標(biāo)層面[4]，而DTRF的建立也是基于法方程層面[22]。為了保證各技術(shù)之間的一致性，更嚴(yán)密的組合方法是基于不同空間技術(shù)原始觀測值層面的組合，也就是說，采用同一數(shù)據(jù)處理軟件、相同常數(shù)及誤差改正模型，統(tǒng)一處理GNSS/VLBI/SLR/DORIS原始觀測數(shù)據(jù)[13,9]。而且，我國北斗三號全球?qū)Ш较到y(tǒng)目前采用的坐標(biāo)框架僅用GPS數(shù)據(jù)建立[32]，精度僅為厘米級，與ITRF框架還存在較大的差距。

識別并減弱GNSS/VLBI/SLR/DORIS等空間大地測量技術(shù)之間的系統(tǒng)誤差,確定不同技術(shù)及并置站的權(quán)重，實現(xiàn)在觀測值層面的多源空間觀測技術(shù)精密融合，可以為1毫米級地球參考框架建立提供技術(shù)支撐。具體可考慮從以下3個方面進行：①利用緊組合方式，實現(xiàn)同種技術(shù)內(nèi)多分析中心基準(zhǔn)站坐標(biāo)時間序列組合解的精確獲取；②深入研究技術(shù)間組合的輸入/輸出標(biāo)準(zhǔn)、模型、組合策略及不同技術(shù)系統(tǒng)誤差的處理、定權(quán)方式，提高并置站和局部連接精度及可靠性，從算法上改進技術(shù)間組合方法；③對輸入的技術(shù)內(nèi)組合坐標(biāo)時間序列進行分析，加入選取的符合要求的并置站和局部連接信息，消除系統(tǒng)誤差，并對技術(shù)間組合的法方程進行基準(zhǔn)定義，以獲取最終的組合解。

考慮到SLR站不僅觀測LAGEOS(laser geodynamics satellite)等激光測地衛(wèi)星，還觀測GNSS衛(wèi)星和低軌衛(wèi)星、GNSS衛(wèi)星和低軌衛(wèi)星還能同時作為GNSS和SLR的空間并置站，可以增加有效的共同觀測量，為解決地面并置站空間分布不合理，且與空間大地測量手段結(jié)果存在差異這一問題提供可能的有效途徑。

3.4 地心運動

基于空間大地測量觀測技術(shù)確定的坐標(biāo)框架原點實際上為分布全球的基準(zhǔn)站觀測網(wǎng)中心CN，在觀測網(wǎng)均勻分布的情況下，CN近似于CF。然而，根據(jù)IERS協(xié)議，ITRS的原點應(yīng)該位于CM，通常將CF相對于CM的變化定義為地心運動[15]。季節(jié)性地心運動也是目前建立與維持地心坐標(biāo)框架的主要誤差源。國際上主要采用網(wǎng)平移法或一階形變法，利用單一或多源空間大地測量數(shù)據(jù)估計季節(jié)性地心運動[52-53]，但是目前為止尚未提供一套公認(rèn)的地心運動模型。

從造成地心運動的根本原因入手，聯(lián)合多種空間大地測量技術(shù)及地球物理模型反演地心運動是今后的發(fā)展趨勢，其結(jié)果可最大限度地綜合利用不同技術(shù)的優(yōu)勢，以解決坐標(biāo)框架原點定義與實現(xiàn)間的不一致問題，為地球動力學(xué)研究提供更高精度的地心參考框架。特別是隨著精度的不斷提高，GNSS技術(shù)對于反演地心運動的貢獻將越來越大[10,13,53-54]。

3.5 其他問題

除上述關(guān)鍵問題外，坐標(biāo)框架建立的精度還與基準(zhǔn)站網(wǎng)中觀測站點的數(shù)量、質(zhì)量、選取、分布、均勻性及密度、數(shù)據(jù)處理方法等有關(guān)。在觀測站點方面，對現(xiàn)有空間大地測量地面監(jiān)測網(wǎng)進行升級改造，是建立1毫米級坐標(biāo)框架的一項重要任務(wù)。一方面，現(xiàn)有IGS測站普遍存在近場相位多路徑效應(yīng)[55]，而且部分SLR測站的儀器存在老化，在后續(xù)基準(zhǔn)站網(wǎng)建立過程中應(yīng)加強基礎(chǔ)設(shè)施的升級。另一方面，應(yīng)用于新一代坐標(biāo)框架ITRF2020建立的GNSS基準(zhǔn)站全球均勻覆蓋程度較ITRF2014顯著改善，測站數(shù)達到約1100個，但是在非洲北部仍然存在空白，而且南半球的VLBI/SLR站點仍然過于稀疏[6]，從而限制坐標(biāo)框架原點、尺度的精度，后續(xù)還需要繼續(xù)加密南半球的地面監(jiān)測網(wǎng)，尤其是擴大VLBI/SLR站點的全球均勻覆蓋率。而且，作為未來導(dǎo)航、通信、遙感融合發(fā)展的平臺，低軌衛(wèi)星(low earth orbit,LEO)星座發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，是當(dāng)前和未來的發(fā)展趨勢。發(fā)展以北斗為代表的GNSS、LEO等高中低軌異構(gòu)星座與地面增強的空天地一體化數(shù)據(jù)處理新技術(shù)和新方法，并建立GNSS/LEO/SLR空間連接(space tie)，有望彌補地面并置站全球分布不均勻及地面/空間觀測技術(shù)精度不匹配的不足。

在數(shù)據(jù)處理方面，最新ITRF建立采用的數(shù)學(xué)模型僅涉及函數(shù)模型，隨機模型假設(shè)為白噪聲[6]。然而，國際公認(rèn)的GNSS坐標(biāo)時間序列的隨機特征表現(xiàn)為白噪聲加有色噪聲，純白噪聲假設(shè)會導(dǎo)致基準(zhǔn)站速度不確定度的過低估計[56]。不斷優(yōu)化與完善坐標(biāo)框架數(shù)學(xué)模型，并將有色噪聲引入技術(shù)內(nèi)組合及技術(shù)間組合模型，是將來關(guān)注的一個研究方向。

當(dāng)前全球用戶依賴的GNSS衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)信號具備天然的脆弱性，易受環(huán)境阻礙或被干擾、劫持。隨著量子物理的快速發(fā)展，無須衛(wèi)星的量子定位導(dǎo)航技術(shù)正在穩(wěn)步推進，未來將可以實現(xiàn)新型定位導(dǎo)航。量子系統(tǒng)運行的方式最接近宇宙，會比其他系統(tǒng)以10～1000的倍數(shù)變得更快、更精準(zhǔn)、更靈敏、更強大。此外，GNSS采用銣原子鐘和銫原子鐘(微波鐘)提供高精度時間頻率基準(zhǔn)(原子秒)，其天穩(wěn)定度在10-14～10-15，限制了衛(wèi)星定位的精度在米級。隨著以更高穩(wěn)定度的光鐘(基于光學(xué)頻率的原子鐘)為代表的下一代原子鐘技術(shù)不斷突破，例如我國光鐘最高穩(wěn)定度為10-18，國際水平已達10-19，科學(xué)界將于2026年重新討論秒的定義[57]。光頻比微波頻率高4～5個量級，由此可增加頻率的精度和帶寬(攜帶信息的能力)。如果未來用光鐘替代現(xiàn)在使用的銣鐘和銫鐘，衛(wèi)星定位導(dǎo)航及坐標(biāo)框架的精度可能將顯著提升。

4 結(jié)束語

坐標(biāo)框架是拓展人類活動、促進社會發(fā)展的關(guān)鍵地球空間信息基礎(chǔ)設(shè)施。研究建立1毫米級大地測量坐標(biāo)框架是國際大地測量學(xué)界21世紀(jì)的重要挑戰(zhàn)，也是我國坐標(biāo)框架建設(shè)的目標(biāo)。通過解決多源大地測量觀測數(shù)據(jù)高精度處理及融合、毫米級基準(zhǔn)站非線性運動模型等難題，并建立優(yōu)化數(shù)據(jù)處理模型及策略，一致性重新處理30余年的GNSS、VLBI、SLR、DORIS等全球基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)，有望建立顧及基準(zhǔn)站非線性運動的1毫米級地球參考框架。這不僅能夠為深空探測、城市建設(shè)、救災(zāi)減災(zāi)等提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù),而且可以為開展全球變化探測與科學(xué)研究，如地球動力學(xué)反演，地震、氣候及水文監(jiān)測等，提供統(tǒng)一的高精度空間基準(zhǔn)，具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價值。