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        2000國(guó)家大地坐標(biāo)獲取方法探討

        2018-09-26 05:33:16譚榮杰陳長(zhǎng)歡
        經(jīng)緯天地 2018年4期
        關(guān)鍵詞:歷元站點(diǎn)坐標(biāo)系

        □ 譚榮杰 陳長(zhǎng)歡

        (內(nèi)蒙古自治區(qū)測(cè)繪院,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051)

        0.引言

        經(jīng)國(guó)務(wù)院批準(zhǔn),2000國(guó)家大地坐標(biāo)系于2008年7月1日,在中國(guó)開始全面啟用。2012年12月中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)管理辦公室公布的《中國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航空間信號(hào)接口控制文件》公開服務(wù)信號(hào)B1Ⅰ(1.0版)中要求,北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)采用2000國(guó)家大地坐標(biāo)系。由此,中國(guó)進(jìn)入了以2000國(guó)家大地坐標(biāo)系為基準(zhǔn)的測(cè)量時(shí)代。

        作為中國(guó)新一代地心坐標(biāo)系,2000國(guó)家大地坐標(biāo)系的定義與國(guó)際地球參考系(ITRS)一致:原點(diǎn)位于地球質(zhì)心,也是參考橢球的幾何中心;Z軸指向國(guó)際地球自轉(zhuǎn)服務(wù)組織(IERS)定義的參考極(IRP)方向;X軸為IERS定義的參考子午面(IRM)與通過原點(diǎn)且同Z軸正交的赤道面的交線。2000國(guó)家大地坐標(biāo)系參考橢球定義的基本常數(shù)為:長(zhǎng)半軸 a=6378137.0m;扁率:f=1/298.257222101。參考橢球定義常數(shù),除地心引力常數(shù)(GM)外,同GRS80橢球一致。

        其具體實(shí)現(xiàn)方法是通過中國(guó)地殼運(yùn)動(dòng)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò),國(guó)家GPSA、B級(jí)網(wǎng),全國(guó)GPS一、二級(jí)網(wǎng),地殼運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)網(wǎng)4個(gè)網(wǎng)內(nèi)2600多個(gè)站點(diǎn)數(shù)據(jù),統(tǒng)一在ITRF97框架下聯(lián)合處理,得到2000.00歷元下的三維坐標(biāo)。2000中國(guó)大地坐標(biāo)系實(shí)際上是對(duì)ITRF97框架2000.00歷元的。依據(jù)以上定義,本文以內(nèi)蒙古連續(xù)運(yùn)行參考站(NMGCORS)系統(tǒng)中部分站點(diǎn)數(shù)據(jù)為例,探討2000國(guó)家大地坐標(biāo)的獲取方法,希望能夠得出一些有益的結(jié)論。

        1.2000國(guó)家大地坐標(biāo)系與ITRF08參考框架的轉(zhuǎn)換關(guān)系

        1.1 不同ITRF框架之間的變化關(guān)系

        國(guó)際參考框架(ITRF)對(duì)每年分布全球的IGS連續(xù)運(yùn)行站坐標(biāo)與速度場(chǎng)處理分析,通過ITRS以年報(bào)與備忘錄的形式陸續(xù)發(fā)布了ITRF88、89、90、91、92、93、94、96、97、2000、2005、2008等參考框架,2017年ITRF2014框架近期即將公布,目前使用的還是ITRF2008參考框架,而作為2000國(guó)家大地坐標(biāo)系基礎(chǔ)框架的ITRF97參考框架,是我們關(guān)注的重點(diǎn)。

        理論上,將ITRF2008參考框架轉(zhuǎn)換到ITRF97參考框架,通過速度場(chǎng)將歷元?dú)w算到2000.00即可獲得CGCS2000坐標(biāo)。

        對(duì)于ITRF2008參考框架轉(zhuǎn)換到ITRF97參考框架,可通過相似性變化轉(zhuǎn)換得到,公式1為七參數(shù)轉(zhuǎn)換模型:

        式中(X、Y、Z)97為 ITRF97框架下的三維坐標(biāo),(X、Y、Z)08為 ITRF08 下的三維坐標(biāo),(Tx、Ty、Tz)為平移量,(Rx、Ry、Rz)為旋轉(zhuǎn)量,D為尺度因子。

        對(duì)于不同的框架之間轉(zhuǎn)換,隨時(shí)間變化參數(shù)也隨之變化,可表達(dá)為參數(shù)P(t)從基準(zhǔn)歷元P(t0)到P(t)的變化量,公式2為:

        ITRF2008與ITFR97參考框架之間七參數(shù)及其變化率可在ITRF網(wǎng)站上查詢,(如表1所示)從ITRF2008與ITFR97參考框架的轉(zhuǎn)換參數(shù)。

        表1 從ITRF2008與ITFR97參考框架的轉(zhuǎn)換參數(shù)

        1.2 不同歷元之間的變換方法

        對(duì)于待求點(diǎn)的ITRF97框架坐標(biāo)來說,最終結(jié)果需要轉(zhuǎn)換到2000.00歷元。雖然IGS站都有精確的速度場(chǎng),但是對(duì)于其他待求站點(diǎn),無法獲得精確的速度場(chǎng)。較為容易實(shí)現(xiàn)解決辦法有兩個(gè),一是利用待定點(diǎn)周邊的4個(gè)以上IGS站已知速度場(chǎng)模型,利用反距離加權(quán)的方法,求取待定點(diǎn)的速度場(chǎng),通過公式3對(duì)不同歷元坐標(biāo)進(jìn)行變換。

        式中,Xt1、Yt1、Zt1為待求點(diǎn) 2000.00 歷元坐標(biāo);Xt0、Yt0、Zt0。為待求點(diǎn)當(dāng)前歷元坐標(biāo);Vx、Vy、Vz為獲得的待求點(diǎn)的速度場(chǎng)。或者直接查詢魏子卿等人研究國(guó)家2000大地坐標(biāo)系后得出的中國(guó)區(qū)域內(nèi)3°×3°的格網(wǎng)平均速度值;二是利用IGS站公共點(diǎn)當(dāng)前歷元與2000.00歷元不同坐標(biāo)之間的相似性變換,求取待定點(diǎn)坐標(biāo)。

        2.利用實(shí)例驗(yàn)證

        選擇內(nèi)蒙古自治區(qū)連續(xù)運(yùn)行參考站內(nèi)DONS、HLGE、KBAS、TZQ_ 四站及中國(guó)周邊 IGS站CHAN、SHAO、BJFS、LHAZ、ULAB、URUM、WUHN七站2016年在102、103天數(shù)據(jù),利用Gamit軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,利用Globk進(jìn)行平差,得到DONS、HLGE、KBAS、TZQ_ 四站在 ITRF08 框架下的2016.279歷元下的坐標(biāo),通過表1的給定轉(zhuǎn)換參數(shù),求解出 DONS、HLGE、KBAS、TZQ_ 四站在ITRF97框架下的2016.279歷元下的坐標(biāo),以上兩種方法將2016.279歷元轉(zhuǎn)化為2000.00歷元。

        2.1 利用周邊IGS站已知速度場(chǎng)通過反距離加權(quán)的方法求取 DONS、HLGE、KBAS、TZQ_ 四站的速度場(chǎng)。其中西安站(XIAN)速度場(chǎng)由于站點(diǎn)維護(hù)原因,與周圍站點(diǎn)差異很大,故未使用?;蛘咄ㄟ^查閱魏子卿等公布的中國(guó)區(qū)域內(nèi)3°×3°的格網(wǎng)平均速度值,獲得 DONS、HLGE、KBAS、TZQ_四站的速度場(chǎng)值。見表2兩種方法所獲得速度場(chǎng)。根據(jù)公式3計(jì)算等到2000.00歷元坐標(biāo)。

        表2 兩種方法所獲得速度場(chǎng)

        2.2 通過中國(guó)周邊 IGS站 CHAN、SHAO、BJFS、LHAZ、ULAB、URUM、WUHN 七個(gè)公共點(diǎn),剔除掉具有顯著性差異站LHAZ及URUM,求得在2016.279歷元及2000.00歷元下七參數(shù)轉(zhuǎn)換關(guān)系,從而等到 DONS、HLGE、KBAS、TZQ_ 四站在2000.00歷元下的坐標(biāo)。

        根據(jù)定義,以上兩種方法獲得的均為2000國(guó)家大地坐標(biāo)系坐標(biāo)。以武漢大學(xué)解算結(jié)果為真值,與其比較,比較結(jié)果見表3兩種方法獲得坐標(biāo)與武漢大學(xué)計(jì)算真值比較。

        3.結(jié)論

        3.1 以上兩種方法獲得的2000國(guó)家大地坐標(biāo)具有高度的相近和相似性,而七參數(shù)方法獲取結(jié)果略高于速度場(chǎng)方法,分析原因認(rèn)為主要為缺少區(qū)域內(nèi)精確速度場(chǎng)模型,導(dǎo)致精度略低。但總體認(rèn)為,兩種速度場(chǎng)的方法及七參數(shù)方法,都具有可靠性。

        表3 兩種方法獲得坐標(biāo)與武漢大學(xué)計(jì)算真值比較

        3.2 兩種方法比較而言,X、Z方向精度低于Y方向,其原因待查。Z方向最大中誤差為±0.045,完全可以滿足區(qū)域2000國(guó)家大地坐標(biāo)系平差計(jì)算要求,且方法簡(jiǎn)單,不依賴于高精度的起算點(diǎn),即可以獲得良好的結(jié)果。

        3.3 對(duì)于高精度的求解,建議獲得更高精度的區(qū)域速度場(chǎng);或通過板塊模型(NNR-NUVEL1A)對(duì)基線矢量進(jìn)行轉(zhuǎn)換,再直接約束2000.00歷元的已知數(shù)據(jù)。

        3.4 本文著重從2000國(guó)家大地坐標(biāo)系定義角度,探討2000坐標(biāo)的獲取方法,但與實(shí)際2000國(guó)家大地坐標(biāo)一致性存在差異,使用時(shí),視具體精度要求取舍。

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