地球参考框架ITRF2008在中国大地基准中的应用*

蒋光伟 程传录 郭春喜 王文利 王 斌 聂建亮 马新莹

(国家测绘局大地测量数据处理中心，西安 710054)

地球参考框架ITRF2008在中国大地基准中的应用*

蒋光伟 程传录 郭春喜 王文利 王 斌 聂建亮 马新莹

(国家测绘局大地测量数据处理中心，西安 710054)

利用国际地球参考框架ITRF2008及中国大陆连续基准站数据，分析了ITRF2008与ITRF2005及CGCS2000的差异，得出ITRF2008比早期的模型精度更高，但也存在着一定的差异性，这与观测台站、板块本身，数据解算策略等因素有关;中国地壳板块运动的不均匀性和复杂性造成了CGCS2000的变化，需对其进行动态维护。同时对CGCS2000与ITRF2008之间转换的方案也作了初步讨论。

ITRF;框架转换;CGCS2000;中国大地基准;板块运动

1 前言

国际地球参考系(ITRS)是由国际地球自转服务中心负责定义，并通过ITRF来具体实现和维持的国际地球参考系。ITRF作为地球相关科学应用的标准框架，它的主要目标之一是提供尽可能精确的基准定义:原点、尺度和NNR条件。由于观测技术精度不断提高，数据解算的方法更趋合理，ITRF也在不断精化［1］。目前ITRF已广泛应用于地球框架维护，导航定位以及全球性的地壳运动与气象、地球物理勘探、海洋监测等领域。

为服务于中国测绘、导航等领域及国民经济和科学技术发展的需要，我国从2008年7月1日开始启动2000国家大地坐标(CGCS2000)。CGCS2000是由中国地壳运动观测网络、国家测绘地理信息局GPS A、B级网、总参测绘局GPS一、二级网和全国天文大地网联合平差得到，其参考框架为ITRF97，参考历元为 2000.0。因此可视 CGCS2000为 ITRF97框架2000历元的区域实现。目前在框架转换方面研究也相当丰富［2，3］。

研究表明ITRF97、ITRF2000、CGCS2000坐标精度在cm级水平是一致的［2］。美国WGS84坐标系从1987年开始启用经历了3次较大修正，将ITRF若干核心基准站纳入到本国框架中，使 WGS84与ITRF基本一致。日本、欧洲等国也都建立了国家型动态基准监测网，维护本国坐标框架。

鉴于此，本文将研究与分析不同框架对点位的影响和CGCS2000与ITRF2008［3］的差异。

2 地心参考框架介绍

2.1 ITRF2005的实现与定义

1)ITRF2005［4-6］的实现是基于多种空间技术解时间序列的联合处理而得到，在历元2000.0时刻各基准站的坐标、速度场和周日地球定向参数(EOP)序列。

2)ITRF2005的定义

原点:在历元2000.0时ITRF2005与ILRS的SLR时间序列间的平移参数及其速率为零;

尺度:在历元2000.0时 ITRF2005与IVS的VLBI时间序列间的尺度因子及其速率为零;

定向:在历元2000.0时ITRF2005与ITRF2000间的旋转参数及其速率为零。

2.2 ITRF2008的实现与定义

1)ITRF2008的实现

采用VLBI、SLR、GPS、DORIS等大地测量技术，各观测技术分别采用了29年、26年、12.5年和16年的观测数据［1］，对站点数据进行时间序列和天EOP参数分析联合处理得到的。

2)ITRF2008定义

原点:在历元2005.0时ITRF2008与国际SLR服务(ILRS)的SLR解的平移参数及其速率为零;

尺度:在历元2005.0时 ITRF2008与IVS的VLBI和SLR时间序列尺度因子及其速率为零;

定向:在历元2005.0时ITRF2008与ITRF2005的旋转参数及其速率一致。

2.3 CGCS2000的定义及其与ITRF2008的差别

2.3.1 CGCS2000的定义［2］

1)CGCS2000的原点为(包括海洋和大气)整个地球质量中心;

2)尺度长度单位是米，它同地心局部框架的TCC(地心坐标时)时间一致，由适当相对论模型化得到;

3)它的定向初始由在 1984.0国家时间局(BIH)的定向给定;

4)定向的时间演变由整个地球水平构造运动无净旋转条件保证;

5)CGCS2000大地坐标系是右手地固直角坐标系。

2.3.2 CGCS2000与ITRF2008的差别

从采用框架来看，可认为 CGCS2000与ITRF2008都是 ITRF系列。而二者差异为: CGCS2000是基于ITRF97框架2000.0历元实现，ITRF2008的初始历元为2005.0;坐标轴指向差异为:

式中，io为转换框架，it为转换后框架，T为平移矩阵，D为尺度参数，R为旋转矩阵。

从2011年4月17日始IGS基于ITRF2008框架提供精密星历，如何对早期的成果进行统一，对CGCS2000的维护具有重要的参考意义。

在高精度GPS测量的基准问题上［7］，主要取决于两方面:1)GPS地面起算点的坐标基准，包括基线解算时地面参考点的坐标基准和网平差时的起算点坐标基准;2)基线解算时卫星星历的基准，包括星历的参考框架和观测时的平均历元。为了讨论框架差异对中国大陆基准的影响，将精密星历与地面基准进行统一，对结果进行时间序列分析;通过参数转化［8］(公式1)，分析坐标差异和转换参数的精度在中国大陆基准维护中的应用。

3 算例分析

选取中国大陆基准2011-04-01—30日32个连续运行参考站的数据，采用GAMIT10.40软件并利用国际GPS服务跟踪站精密星历，顾及卫星钟差、接收机钟差、对流层、电离层延迟、天线相位中心等各项改正进行基线解算，采用参数法进行ITRF框架转化，从以下几方面分析ITRF2008与ITRF2005的差异以及对中国大地基准CGCS2000的影响。

3.1 解的稳定性

在 ITRF2005和 ITRF2008框架下分析了URUM、WUHN、BJFS、BJSH四个框架点的稳定性，结果见图1～4。

从图1～4可看出:ITRF2008较ITRF2005解在N、E、U方向上明显稳定，噪声也较小。WUHN站在N方向差异较大，可能与采取的解算方案、天线相位中心模型和星历转换以及观测环境有关。

图1 ITRF2008框架下URUM、WUHN时间序列Fig.1 Time series of URUM and WUHN under ITRF2008

图2 ITRF2005框架下URUM、WUHN时间序列Fig.2 Time series of URUM and WUHN under ITRF2005

图3 ITRF2008框架下BJFS、BJSH时间序列Fig.3 Time series of BJFS and BJSH under ITRF2008

图4 ITRF2005框架下BJFS、BJSH时间序列Fig.4 Time series of BJFS and BJSH under ITRF2005

3.2 框架转换精度在中国大地基准的适应性

确定CGCS2000与ITRF2008转换关系，须分析高精度框架间转换参数精度在中国大地基准的分布情况。图5、6为公共核心站的差异及速度残差分布。

从计算结果可以看出:

1)转换参数精度在我国存在不均匀性，这与选取的公共站及加权策略、测站的位置有关［9，10］。转换残差在X、Y、Z方向的平均差异分别为3.5 mm、-2.6 mm和-3.2 mm，而在N、E、U方向的平均差异分别为0.6 mm、2.8 mm和5.3 mm，方向的互差较N、E方向大。总体看转换精度可满足框架间转化的要求。

2)ITRF核心站的速度年平均残差在mm级，在我国西北部，U方向速率残差为-4 mm/a左右，南部U方向速率残差为4.8 mm/a，太平洋板块处U方向速率残差为5.0 mm/a。

图5 ITRF2008与ITRF2005框架采用参数转化在X、Y、Z以及N、E、U方向的差异Fig.5 Difference between ITRF2008 and ITRF2005 on X，Y，Z and N，E，U by using the parameter transformation

3.3 CGCS2000与ITRF2008的差异

CGCS2000与ITRF2008的差异见图7。

从图7可得出:

1)ITRF2008框架在 2000.0历元坐标与CGCS2000在N方向平均差异在2.6 cm左右，标准差为±6.4 mm;E方向平均差异为1.3 mm，标准差为±1.2 mm;U方向平均差异为2.2 cm，标准差为±9.8 mm。

2)ITRF2008框架较 CGCS2000更自洽、更可靠。CGCS2000个别框架点与ITRF2008框架差异较大，说明CGCS2000框架存在局部变形。

图7 ITRF2008历元2000.0时刻与CGCS2000差异Fig.7 Difference between ITRF2008 and CGCS2000 at Epoch 2000.0 on NEU

3)N、E、U方向平均差异为 2 cm ，说明CGCS2000与ITRF2008基本一致。CGCS2000建立数十年，由于地壳形变与板块运动等原因，存在局部变形，部分框架点位置有较大变化，因此，如何基于高精度框架ITRF2008对CGCS2000进行动态维护是亟待解决的问题。

4)CGCS2000建立在少数连续运行站基准上，缺少能足够反映2000国家大地坐标系的大地点，大部分点不具有现势性。从长远看，CGCS2000的动态维护，可充分利用国家测绘地理信息局大地基准点、陆态网络以及其他省市连续运行站数据，顾及板块运动差异均匀选取连续运行跟踪站初步建立框架转换七参数，而后在此基础上确定CGCS2000与ITRF2008转换参数的变化率建立14参数转换模型，从而初步确定ITRF2008与CGCS2000的动态转化关系。

5)我国板块运动极为复杂，各板块运动速率不一致，将导致基准点存在相对运动。鉴于CGCS2000与ITRF2008在各方向与对应平均差异最小为4.5 mm，能满足工程距离变形小于5 cm的要求，可初步确定CGCS2000更新周期大致为10年。

4 结论

1)相对于ITRF2005，ITRF2008采用新的绝对相位中心偏移模型(IGS08)、新重力场模型(EGM08)、卫星及测站的变化模型、天线温度形变等改正，这些策略的采用证明ITRF2008框架的性能高于ITRF2005框架。因此，采用ITRF2008框架数据解算时基线重复性分布更合理，解更趋于稳定。

2)在中国区域内要实现框架转换，由于转换参数精度的不均匀性，将导致在板块交接处有较大的残差。因此，采用转换参数得到CGCS2000框架坐标时，须有准确的速率场以削弱不同板块运动速率不一致的影响。

3)我国板块运动的复杂性和不均匀性造成CGCS2000内部发生变化，本文提出动态维护CGCS2000的方案和我国大地基准更新周期大致为10年。因此，借助ITRF2008得到基于CGCS2000的速率和转换参数变化率是亟待解决的问题。

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.

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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

国家863计划项目(2009AA121402-5);陕测科项目(2009-03)

蒋光伟，男，1985年生，硕士，助理工程师，从事大地测量数据处理研究.E-mail:jgw_1985@163.com

P227

A