程傳錄，謝 方，王小瑞，馬新瑩

（國(guó)家測(cè)繪地理信息局大地測(cè)量數(shù)據(jù)處理中心，陜西西安 710054）

2000國(guó)家大地坐標(biāo)系數(shù)據(jù)處理的若干技術(shù)研究

程傳錄，謝 方，王小瑞，馬新瑩

（國(guó)家測(cè)繪地理信息局大地測(cè)量數(shù)據(jù)處理中心，陜西西安 710054）

2000國(guó)家大地坐標(biāo)系（CGCS2000）成果的獲取技術(shù)涉及國(guó)際地球參考框架（ITRF）、參考?xì)v元、衛(wèi)星星歷及站點(diǎn)速度場(chǎng)等歸算問(wèn)題。介紹了不同參考框架的轉(zhuǎn)換模型和參數(shù)，討論了獲取CGCS2000成果的數(shù)據(jù)處理方法，利用實(shí)測(cè)觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)分析了IERS發(fā)布的不同ITRF參考框架和不同國(guó)際機(jī)構(gòu)發(fā)布的各種不同類(lèi)型的星歷對(duì)基線(xiàn)結(jié)果的影響，以及直接平差與采用框架轉(zhuǎn)換方法求得CGCS2000坐標(biāo)成果的差異。結(jié)果表明：IGS發(fā)布的星歷精度要高于其他機(jī)構(gòu)發(fā)布的精密星歷；不同參考框架的精密星歷對(duì)基線(xiàn)長(zhǎng)度在4 000 km以?xún)?nèi)的基線(xiàn)影響小于1．3 mm，一般在控制網(wǎng)基線(xiàn)解算時(shí)可不考慮衛(wèi)星星歷參考框架的影響；在獲取CGCS2000成果時(shí)，可不考慮星歷的類(lèi)型、參考框架及歷元問(wèn)題；非ITRF97、2000．0成果可采用框架轉(zhuǎn)換公式及轉(zhuǎn)換參數(shù)進(jìn)行成果歸算得到CGCS2000成果。

2000國(guó)家大地坐標(biāo)系；參考框架；參考?xì)v元；精密星歷；基線(xiàn)；數(shù)據(jù)處理

0 引 言

自2008年7月1日起，中國(guó)啟用2000國(guó)家大地坐標(biāo)系（China Geodetic Coordinate System 2000，CGCS2000）［1－5］，并公布了CGCS2000的定義、采用的參考橢球、參考框架和參考?xì)v元。CGCS2000采用的參考橢球是GRS 80參考橢球，與WGS 84坐標(biāo)系參考橢球基本一致，只是扁率略有區(qū)別，投影到平面坐標(biāo)相差0．1 mm左右，可以忽略不計(jì)［6］。中國(guó)已建成的國(guó)家高精度GPS A級(jí)和B級(jí)網(wǎng)及中國(guó)GPS一級(jí)和二級(jí)網(wǎng)成果都不屬于CGCS2000成果，已建成的2000國(guó)家GPS大地控制網(wǎng)［7－8］的成果是CGCS2000成果。

CGCS2000成果涉及國(guó)際地球參考框架（International Terrestrial Reference Frame，ITRF）、參考?xì)v元及速度場(chǎng)等歸算問(wèn)題，目前獲得CGCS2000成果的主要技術(shù)手段是GPS測(cè)量，通過(guò)與IGS（International GNSS Service）連續(xù)運(yùn)行參考站聯(lián)測(cè)，利用其精確坐標(biāo)和速度場(chǎng)，利用參考框架轉(zhuǎn)換和速度場(chǎng)歸算才能得到控制網(wǎng)點(diǎn)的CGCS2000成果。國(guó)際各研究機(jī)構(gòu)提供了多種衛(wèi)星星歷，不同星歷對(duì)數(shù)據(jù)處理產(chǎn)生的差異未知，而且在中國(guó)地區(qū)的IGS站數(shù)量有限，且分布不均勻，同時(shí)中國(guó)還沒(méi)有權(quán)威部門(mén)發(fā)布中國(guó)板塊運(yùn)動(dòng)的速度場(chǎng)，因此如何處理得到CGCS2000成果已成為廣大用戶(hù)關(guān)注的焦點(diǎn)問(wèn)題。筆者就參考框架、衛(wèi)星星歷及數(shù)據(jù)處理軟件GAMIT／GLOBK的應(yīng)用等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行研究分析，為更好獲取CGCS2000成果提供實(shí)用的技術(shù)方法。

1 國(guó)際地球參考框架和精密星歷

1．1 國(guó)際地球參考框架

GPS是一種全球性的觀(guān)測(cè)技術(shù)，GPS觀(guān)測(cè)與數(shù)據(jù)處理離不開(kāi)全球參考框架。1988年，國(guó)際地球自轉(zhuǎn)和參考系統(tǒng)服務(wù)（IERS）成立，它創(chuàng)建和維持天球參考系統(tǒng)（ICRF）、國(guó)際地球參考框架（ITRF）及地球自轉(zhuǎn)參數(shù)（EOPS）。ITRF通過(guò)對(duì)框架的特性（定向、原點(diǎn)、尺度）和時(shí)間演變的定義，由一組地面控制點(diǎn)的坐標(biāo)和速率來(lái)實(shí)現(xiàn)地心地固參考框架。IERS每年公布ITRF，最新的是ITRF08［9－12］。

由于章動(dòng)和極移的影響，國(guó)際協(xié)議地極原點(diǎn)CIO變化以及位置和速率的解算方法變化，使得ITRF框架每年也在變化，存在不同參考框架的轉(zhuǎn)換問(wèn)題，ITRF已發(fā)布參考框架轉(zhuǎn)換公式和轉(zhuǎn)換參數(shù)。

1．2 精密星歷

精密星歷是由若干衛(wèi)星跟蹤站的觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)事后處理算得的、供衛(wèi)星精密定位等使用的衛(wèi)星軌道信息。目前能夠發(fā)布和提供精密星歷的機(jī)構(gòu)很多，其精度和發(fā)布時(shí)間不盡相同，最為成熟的是IGS精密星歷（表1）。NGS SIO IGS IGU IGR發(fā)布機(jī)構(gòu)美國(guó)國(guó)家大地測(cè)量局美國(guó)斯克里普斯海洋地理研究所國(guó)際GPS服務(wù)機(jī)構(gòu)國(guó)際GPS服務(wù)機(jī)構(gòu)國(guó)際GPS服務(wù)機(jī)構(gòu)

表1 不同機(jī)構(gòu)發(fā)布的衛(wèi)星星歷Tab．1 Satellite Ephemerises Issued by Different Agencies

IGS精密星歷是由IGS組織定期向用戶(hù)發(fā)布，采用IERS發(fā)布的ITRF參考框架。IGS精密星歷采用sp3格式，內(nèi)容包括表頭信息以及文件體，采樣率為15 min，實(shí)際解算中可以進(jìn)行精密鐘差的估計(jì)或內(nèi)插，以提高其可使用的歷元數(shù)。IGS精密星歷包括事后精密星歷、快速精密星歷及預(yù)報(bào)精密星歷3種類(lèi)型［9］，星歷文件的時(shí)延、精度、歷元間隔等各不相同，在實(shí)際工作中，根據(jù)工程項(xiàng)目對(duì)時(shí)間及精度的要求，選取不同的文件類(lèi)型（表2）。

2 關(guān)鍵技術(shù)研究

2．1 不同類(lèi)型衛(wèi)星星歷對(duì)基線(xiàn)結(jié)果的影響

2．1．1 數(shù)據(jù)處理

利用均勻分布中國(guó)大陸的GPS觀(guān)測(cè)點(diǎn)2010年001d數(shù)據(jù)，采用GAMIT／GLOBK軟件，在基線(xiàn)解算時(shí)，將衛(wèi)星星歷設(shè)置成統(tǒng)一的參考框架（ITRF97）和歷元（2000．0）以及統(tǒng)一的數(shù)據(jù)處理模式，以此分析不同衛(wèi)星星歷對(duì)高精度數(shù)據(jù)處理的影響。主要參數(shù)設(shè)置為：星歷軌道固定；衛(wèi)星截至高度角10°；采樣間隔設(shè)置30 s；采用Saastamoinen模型進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)氣象改正；觀(guān)測(cè)模式采用自動(dòng)修復(fù)周跳的LC－AUTCLN模式；采用IERS03潮汐改正模型；每隔2 h估計(jì)天頂延遲；估計(jì)大氣梯度；平差采用IGS中心公布的國(guó)際跟蹤站URUM、LHAS、KUNM、WUHN及SHAO作為起算，并給予強(qiáng)約束。

表2 IGS精密星歷的有關(guān)指標(biāo)Tab．2 Related Indexes of IGS Precise Ephemeris

2．1．2 數(shù)據(jù)分析

經(jīng)過(guò)基線(xiàn)解算及平差后，獲得10種不同衛(wèi)星星歷的數(shù)據(jù)處理結(jié)果，針對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析研究。按基線(xiàn)長(zhǎng)度從小到大的順序，計(jì)算每種衛(wèi)星星歷的基線(xiàn)結(jié)果與平均基線(xiàn)結(jié)果的差值，分析不同衛(wèi)星星歷對(duì)高精度數(shù)據(jù)處理的影響。

從圖1可以看出，基線(xiàn)長(zhǎng)度在200 km以?xún)?nèi)，不同衛(wèi)星星歷的解算結(jié)果差異在0．2 mm以?xún)?nèi)；隨著基線(xiàn)長(zhǎng)度的增加，解算結(jié)果差異也越來(lái)越大；在基線(xiàn)長(zhǎng)度相同的情況下，GFZ、SIO星歷和其他機(jī)構(gòu)發(fā)布的星歷計(jì)算基線(xiàn)結(jié)果差異比較大；不論基線(xiàn)多長(zhǎng)，利用IGS星歷計(jì)算基線(xiàn)結(jié)果更接近真值。

圖1 不同衛(wèi)星星歷對(duì)數(shù)據(jù)處理結(jié)果的影響Fig．1 Effect of Different Satellite Ephemerises on Data Processing

2．2 不同參考框架的星歷對(duì)基線(xiàn)結(jié)果的影響

利用中國(guó)GPS連續(xù)運(yùn)行站2000年001d～060d、2005年001d～060d及2010年001d～060d的數(shù)據(jù)，采用IGS精密星歷進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析。

2．2．1 數(shù)據(jù)處理

IGS中心在不同時(shí)期發(fā)布的精密星歷參考框架是不同的（表3［10－11］）。衛(wèi)星軌道采用IGS中心發(fā)布的精密星歷。在收集到的數(shù)據(jù)中，2000年星歷的框架是ITRF97，2005年星歷的框架是ITRF00，2010年星歷的參考框架框架是ITRF05；通過(guò)框架轉(zhuǎn)換公式及轉(zhuǎn)換參數(shù)［9－10］，即可將2000年星歷轉(zhuǎn)換為ITRF00、ITRF05參考框架，將2005年星歷轉(zhuǎn)換為ITRF97、ITRF05參考架框，將2010年星歷轉(zhuǎn)換為ITRF97、ITRF00參考框架。

表3 IGS精密星歷不同時(shí)期對(duì)應(yīng)的參考框架Tab．3 Reference Frameworks Corresponded with IGS Precise Ephemeris at Different Times

起算點(diǎn)歷元為2000．0，針對(duì)星歷2000、2005、2010年的3種參考框架ITRF97、ITRF00、ITRF05進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，以比較不同參考框架的星歷對(duì)基線(xiàn)結(jié)果的影響。數(shù)據(jù)處理方案及相關(guān)參數(shù)設(shè)置同第2．1．1節(jié)。

2．2．2 數(shù)據(jù)分析

經(jīng)過(guò)基線(xiàn)解算及平差后，得到同一基線(xiàn)不同參考框架的結(jié)果，其比較統(tǒng)計(jì)見(jiàn)圖2～4。從圖2～4可以看出，基線(xiàn)長(zhǎng)度為500 km，其基線(xiàn)差異在0．1 mm以?xún)?nèi)；基線(xiàn)長(zhǎng)度為4 000 km以?xún)?nèi)，其基線(xiàn)差異在1．3 mm以?xún)?nèi)；隨著基線(xiàn)長(zhǎng)度的增加，兩者之間的差異在逐漸增大；ITRF05和ITRF00的結(jié)果更接近，這與IRES機(jī)構(gòu)提供的ITRF05和ITRF00參考框架的轉(zhuǎn)換參數(shù)較小是一致的。因此，邊長(zhǎng)在4 000 km以?xún)?nèi)的GPS控制網(wǎng)在基線(xiàn)解算時(shí)可不考慮衛(wèi)星參考框架的影響。

圖2 ITRF05與ITRF00基線(xiàn)比較Fig．2 Comparison of Baselines Between ITRF05 and ITRF00

2．3 歷元?dú)w算對(duì)平差結(jié)果的影響

在GLOBK平差中，點(diǎn)位坐標(biāo)的參考框架及歷元確定可采用2種方法。

圖4 ITRF05與ITRF97基線(xiàn)比較Fig．4 Comparison of Baselines Between ITRF05 and ITRF97

方法（1）：網(wǎng)平差GLOBK軟件自動(dòng)歸算。起算點(diǎn)的坐標(biāo)和速率采用IGS公布的ITRF97結(jié)果，SHAO、KUNM、WUHN、BJFS作為本次網(wǎng)平差起算點(diǎn)，通過(guò)網(wǎng)平差后，得到平均瞬時(shí)歷元坐標(biāo)為2010．090。

方法（2）：直接固定起算的坐標(biāo)、框架及歷元，平差獲得其他點(diǎn)與起算點(diǎn)一致的框架及歷元的坐標(biāo)。按IGS提供的速度將SHAO、KUNM、WUHN、BJFS的坐標(biāo)按歷元轉(zhuǎn)換公式直接歸算至歷元2010．090，固定平差直接得到歷元2010．090的坐標(biāo)。

方法（1）和方法（2）平差結(jié)果比較見(jiàn)圖5。從圖5可以看出，這2種方法平差得到坐標(biāo)結(jié)果之間的差異非常小，差值中誤差在2．0 mm內(nèi)。由此可見(jiàn)，無(wú)論采用何種方案，都是適宜的。

圖5 2種方法的比較Fig．5 Comparison of Two Methods

2．4 非ITRF97、2000．0成果的轉(zhuǎn)換

IGS發(fā)布的IGS站ITRF97框架坐標(biāo)歷元為1997．0，ITRF00框架坐標(biāo)歷元為1997．0，ITRF05框架坐標(biāo)歷元為2000．0，ITRF08框架坐標(biāo)歷元為2005．0［9－12］，要將這些都轉(zhuǎn)換為CGCS2000坐標(biāo)成果，首先利用IGS發(fā)布的IGS站速率將歷元轉(zhuǎn)換為2000．0，再利用基準(zhǔn)框架轉(zhuǎn)換公式將IGS站的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到ITRF97參考框架。

本次收集了IGS發(fā)布的WUHN、SHAO、URUM、LHAS、XIAN等IGS站的ITRF97、ITRF00、ITRF05、ITRF08等參考框架的相應(yīng)坐標(biāo)和速度，利用速率和基準(zhǔn)框架轉(zhuǎn)換公式轉(zhuǎn)換到ITRF97參考框架，對(duì)其結(jié)果進(jìn)行比較分析。從表4～6可以看出，ITRF00、ITRF05、ITRF08參考框架的WUHN、SHAO、URUM、LHAS、XIAN等IGS站坐標(biāo)，通過(guò)歷元和基準(zhǔn)框架的轉(zhuǎn)化得到的ITRF97、2000．0成果精度在1．5 cm以?xún)?nèi)。XIAN站轉(zhuǎn)換殘差偏大，主要原因是只有2000年以前的數(shù)據(jù)，其現(xiàn)勢(shì)性不夠，其他站都在2．0 cm以?xún)?nèi)，完全可以滿(mǎn)足控制網(wǎng)建設(shè)需要。

表4 ITRF00、1997．0成果轉(zhuǎn)換至ITRF97、2000．0成果的比較Tab．4 Comparison Between ITRF00 and Epoch 1997．0 Production and Converted ITRF97 and Epoch 2000．0 Production

表5 ITRF05、2000．0成果轉(zhuǎn)換至ITRF97、2000．0成果的比較Tab．5 Comparison Between ITRF05 and Epoch 2000．0 Production and Converted ITRF97 and Epoch 2000．0 Production

3 結(jié) 語(yǔ)

（1）基線(xiàn)長(zhǎng)度在200 km以?xún)?nèi)，不同衛(wèi)星星歷的解算結(jié)果差異在0．2 mm以?xún)?nèi)，IGS發(fā)布的星歷精度要高于其他機(jī)構(gòu)發(fā)布的星歷，在數(shù)據(jù)處理時(shí)建議使用IGS精密星歷。

（2）基線(xiàn)長(zhǎng)度小于4 000 km時(shí)，不同參考框架的IGS精密星歷對(duì)基線(xiàn)影響小于1．3 mm，中國(guó)一般控制網(wǎng)邊長(zhǎng)均在4 000 km以?xún)?nèi)，因此在控制網(wǎng)數(shù)據(jù)處理時(shí)，不必對(duì)IGS精密星歷進(jìn)行參考框架的統(tǒng)一轉(zhuǎn)換，可不考慮衛(wèi)星參考框架的影響。

表6 ITRF08、2005．0成果轉(zhuǎn)換至ITRF97、2000．0成果的比較Tab．6 Comparison Between ITRF08 and Epoch 2005．0 Production and Converted ITRF97 and Epoch 2000．0 Production

（3）起算點(diǎn)有ITRF97、2000．0成果可直接固定，進(jìn)行整體平差獲得CGCS2000坐標(biāo)成果。

（4）成果為ITRF00、ITRF05或ITRF08參考框架等非ITRF97、2000．0成果時(shí)，可利用全球IGS站的ITRF00、ITRF05或ITRF08和ITRF97坐標(biāo)與速度場(chǎng)，采用框架轉(zhuǎn)換公式計(jì)算轉(zhuǎn)換參數(shù)，求得CGCS2000坐標(biāo)成果。

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Study on Some Technologies of Data Processing for China Geodetic Coordinate System 2000

CHENG Chuan－lu，XIE Fang，WANG Xiao－rui，MA Xin－ying
（Geodetic Data Processing Centre，The State Bureau of Surveying，Mapping and Geoinformation，Xi'an 710054，Shaanxi，China）

The technology for obtaining China Geodetic Coordinate System 2000（CGCS2000）production is related to the reducing problem of international terrestrial reference framework（ITRF），reference epoch，satellite ephemeris and velocity of station．Conversion model and parameter of different reference frames were introduced，data processing method for obtaining CGCS2000 production was discussed，effects of different ITRFs issued by IERS and satellite ephemerises issued by different international agencies on baseline were analyzed based on the observational data，and the difference of CGCS2000 production obtained by direct adjustment and framework conversion was explained．The results showed that precision of satellite ephemeris issued by IGS was higher than that issued by other agencies；effect of precise ephemeris of different reference frameworks on the baseline was less than 1．3 mm when the length of baseline was less than 4 000 km，and effect of satellite ephemeris reference framework was usually negligible for the control network baseline calculation；for obtaining CGCS2000 production，the problem about the type of satellite ephemeris，reference framework and epoch was negligible；non－ITRF97 and non－epoch 2000．0 production could be converted to CGCS2000 production byreducing calculus production with framework conversion formula and parameter．

China Geodetic Coordinate System 2000；reference frame；reference epoch；precise ephemeris；baseline；data processing

P228．1

A

1672－6561（2012）03－0106－05

2011－10－25

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（“八六三”計(jì)劃）項(xiàng)目（2009AA121402－5）；陜西省測(cè)繪局科技項(xiàng)目（2009－03）

程傳錄（1965－），男，陜西商南人，教授級(jí)高級(jí)工程師，E－mail：cl＿cheng＠163．com。