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(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430079

人類活動(dòng)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(gè)橢球、對(duì)橢球進(jìn)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(diǎn)、軸向和尺度[1]。大地坐標(biāo)框架(以下簡(jiǎn)稱“坐標(biāo)框架”)是大地坐標(biāo)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，是描述地球形狀及其變化和表達(dá)地球空間信息的基礎(chǔ)，由一組具有坐標(biāo)(及其隨時(shí)間變化)的觀測(cè)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(diǎn)傳遞的技術(shù)方式提供坐標(biāo)，未考慮板塊運(yùn)動(dòng)、地表質(zhì)量重分布等地球動(dòng)力學(xué)效應(yīng)對(duì)地面點(diǎn)的時(shí)變影響，相對(duì)精度大約為10-5量級(jí)[2-3]。例如，我國(guó)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(diǎn)位置及橢球XYZ軸指向，對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)框架則是用經(jīng)典大地測(cè)量技術(shù)所測(cè)定的全國(guó)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(zhǎng)基線干涉測(cè)量(VLBI)、衛(wèi)星激光測(cè)距(SLR)、多普勒無(wú)線電定軌定位系統(tǒng)(DORIS)等空間大地測(cè)量觀測(cè)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(cè)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(guó)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(guó)際地球參考系統(tǒng)(international terrestrial reference system,ITRS)及其實(shí)現(xiàn)國(guó)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(jìn)可持續(xù)發(fā)展，2015年聯(lián)合國(guó)通過(guò)了采用ITRF作為全球統(tǒng)一大地測(cè)量參考框架的決議[5]。

近年來(lái)，很多國(guó)家也在積極推進(jìn)區(qū)域坐標(biāo)框架建設(shè)的進(jìn)程，以ITRF為基準(zhǔn)，利用GNSS等技術(shù)更新了各自的國(guó)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(jì)一體化、全球大地測(cè)量參考框架綜合服務(wù)體系的構(gòu)建奠定了非常堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。迄今為止，超過(guò)80%的國(guó)家地心坐標(biāo)框架與ITRF對(duì)準(zhǔn)[6]，例如，2007年啟用的最新韓國(guó)大地測(cè)量基準(zhǔn)2002(Korean Geodetic Datum 2002，KGD2002)與ITRF2000對(duì)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(guó)為例，最新的2000國(guó)家大地坐標(biāo)系統(tǒng)(China geodetic coordinate system 2000,CGCS2000)定義與ITRS一致。其實(shí)現(xiàn)，也就是CGCS2000坐標(biāo)框架，代表了我國(guó)坐標(biāo)基準(zhǔn)建設(shè)的最高水平，精度顯著優(yōu)于我國(guó)長(zhǎng)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(lái)說(shuō)，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(duì)偏低。目前，一些國(guó)家重大工程仍部分依賴于國(guó)際數(shù)據(jù)，難以滿足我國(guó)測(cè)繪基準(zhǔn)現(xiàn)代化對(duì)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(cè)技術(shù)，基于全球第二次數(shù)據(jù)重新處理計(jì)劃(repro2)建立。相較于ITRF2008，ITRF2014采用的觀測(cè)數(shù)據(jù)及測(cè)站數(shù)量更多，數(shù)據(jù)處理模型及策略更先進(jìn)，并且首次考慮了基準(zhǔn)站的非線性運(yùn)動(dòng)。因此，其精度優(yōu)于以往所有ITRF版本，但是長(zhǎng)期精度仍為厘米級(jí)，無(wú)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(jí)地球系統(tǒng)動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)的需求[4,10]。尤其是長(zhǎng)期海平面變化監(jiān)測(cè)，需要坐標(biāo)框架的精確度和穩(wěn)定性水平分別達(dá)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(shí)刻的位置及長(zhǎng)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(jí)仍有待進(jìn)一步評(píng)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(jí)坐標(biāo)框架迫在眉睫，是目前大地測(cè)量領(lǐng)域面臨的一項(xiàng)新任務(wù)和新挑戰(zhàn)，同時(shí)也是全球大地測(cè)量觀測(cè)系統(tǒng)(global geodetic observation system,GGOS)的研究目標(biāo)，還是國(guó)際大地測(cè)量學(xué)界21世紀(jì)的中長(zhǎng)期學(xué)科目標(biāo)[12]。

本文首先介紹基于現(xiàn)代空間大地測(cè)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(jìn)展及其局限性，最后圍繞構(gòu)建毫米級(jí)坐標(biāo)框架的幾個(gè)關(guān)鍵問題進(jìn)行了展望，并給出了研究思路。

1 基于空間大地測(cè)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(cè)量觀測(cè)技術(shù)建立的坐標(biāo)框架理論上應(yīng)該是ITRS的實(shí)現(xiàn)。原點(diǎn)、尺度、定向及其隨時(shí)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(gè)坐標(biāo)框架。動(dòng)態(tài)坐標(biāo)框架在數(shù)學(xué)上表現(xiàn)為14個(gè)參數(shù)，即7參數(shù)(包括3個(gè)平移參數(shù)、3個(gè)旋轉(zhuǎn)參數(shù)、1個(gè)尺度參數(shù))及其隨時(shí)間的演變[13]?？紤]到ITRF是目前精度最高的大地測(cè)量坐標(biāo)框架，本文以ITRF為例，闡述基于空間大地測(cè)量觀測(cè)技術(shù)的坐標(biāo)框架建立方法。

ITRF的原點(diǎn)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(duì)坐標(biāo)框架的原點(diǎn)進(jìn)行約束實(shí)現(xiàn)[14]。例如，ITRF2014的原點(diǎn)由SLR長(zhǎng)期地球參考框架(terrestrial reference frame,TRF)的原點(diǎn)確定。在進(jìn)行時(shí)間序列堆棧建立SLR長(zhǎng)期TRF時(shí)，對(duì)其平移參數(shù)及其速率附加了內(nèi)部約束，以保證無(wú)外部原點(diǎn)基準(zhǔn)引入到SLR長(zhǎng)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(xiàng)，即僅對(duì)ITRF原點(diǎn)相對(duì)于CM的長(zhǎng)期變化進(jìn)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(lái)講，目前實(shí)現(xiàn)的ITRF原點(diǎn)既不是CM，也不是固體地球的形狀中心(center of figure,CF)，而是由實(shí)際地面觀測(cè)網(wǎng)維持的地球中心(center of network,CN)。實(shí)際布設(shè)地面網(wǎng)時(shí)都會(huì)盡量選擇均勻分布的全球網(wǎng)，此時(shí)CN近似于CF。由于附加了外部基準(zhǔn)約束，ITRF的原點(diǎn)在長(zhǎng)時(shí)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(shí)間尺度上近似于CF，近似的程度取決于觀測(cè)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(duì)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(duì)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(chǎng)無(wú)關(guān)，其尺度因子主要取決于光速c，因此VLBI尺度因子的長(zhǎng)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(shí)間的演變相對(duì)于地球表面的水平運(yùn)動(dòng)符合相對(duì)于地殼整體無(wú)殘余旋轉(zhuǎn)[13]，采用上一版本ITRF提供的實(shí)測(cè)速度場(chǎng)對(duì)定向隨時(shí)間的演變進(jìn)行約束[16]。例如，ITRF2014在歷元2010.0，相對(duì)于ITRF2008的旋轉(zhuǎn)參數(shù)和旋轉(zhuǎn)速率為零[4]。基于空間大地測(cè)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(duì)于最新版本ITRF的旋轉(zhuǎn)參數(shù)及旋轉(zhuǎn)速率為零來(lái)實(shí)現(xiàn)。

1.2 技術(shù)組合原理及算法

4種大地測(cè)量技術(shù)監(jiān)測(cè)TRF的原點(diǎn)、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(shì)，IERS的4個(gè)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(guò)對(duì)不同技術(shù)的站坐標(biāo)時(shí)間序列進(jìn)行多技術(shù)組合，并將并置站之間的基線測(cè)量值作為虛擬觀測(cè)值引入聯(lián)合平差過(guò)程，添加到技術(shù)間組合法方程，實(shí)現(xiàn)各空間大地測(cè)量技術(shù)間的綜合解算，進(jìn)而建立ITRF。

建立ITRF的第1步是對(duì)不同技術(shù)中心預(yù)處理后的SINEX(solution independent exchange format)文件進(jìn)行單技術(shù)時(shí)間序列堆棧，獲得每種技術(shù)的長(zhǎng)期TRF。技術(shù)內(nèi)組合可在參數(shù)層面或法方程層面進(jìn)行時(shí)間序列堆棧，ITRF采用基于參數(shù)層面的方式實(shí)現(xiàn)[17]。由于每種技術(shù)估計(jì)的轉(zhuǎn)換參數(shù)個(gè)數(shù)不同，堆棧法方程會(huì)有不同程度的秩虧，技術(shù)內(nèi)組合時(shí)主要通過(guò)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(cè)和剔除各個(gè)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(gè)法方程系統(tǒng)中，通常采用方差分量估計(jì)的方法合理地確定各類技術(shù)之間的權(quán)重[17]，并通過(guò)局部連接將不同技術(shù)聯(lián)系起來(lái)。技術(shù)間組合的輸入數(shù)據(jù)是各技術(shù)的長(zhǎng)期TRF，同時(shí)引入并置站局部連接約束，將各技術(shù)通過(guò)并置站觀測(cè)數(shù)據(jù)綁定在一起進(jìn)行綜合。如果并置站中不同技術(shù)獲得的測(cè)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(guò)程，最終解算法方程獲得測(cè)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(duì)所有的并置站測(cè)量資料進(jìn)行整理，并提供全球并置站測(cè)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(huì)傳遞給測(cè)站坐標(biāo)甚至扭曲整個(gè)網(wǎng)形。

2 全球/區(qū)域坐標(biāo)框架最新進(jìn)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(cè)量技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，IERS通過(guò)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(gè)ITRS組合中心建立并提供。這3個(gè)中心分別是法國(guó)國(guó)家地理研究所(IGN)、德國(guó)大地測(cè)量研究所(DGFI)及美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)，采用完全相同的輸入數(shù)據(jù)，僅實(shí)施過(guò)程中的細(xì)節(jié)不同。下文將針對(duì)3種框架的技術(shù)特征進(jìn)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(shí)現(xiàn)ITRF。自1988年起，經(jīng)過(guò)30多年的發(fā)展與改進(jìn)，IERS發(fā)布了ITRF1988—ITRF2020共14個(gè)版本。自ITRF2005起，ITRF采用測(cè)站坐標(biāo)時(shí)間序列及地球定向參數(shù)(EOP)作為輸入數(shù)據(jù)，同時(shí)獲取框架點(diǎn)的位置、線性速度及與ITRF一致的EOP，其優(yōu)勢(shì)在于可以監(jiān)測(cè)測(cè)站的非線性運(yùn)動(dòng)及不連續(xù)性，研究參考框架物理參數(shù)，原點(diǎn)和尺度隨時(shí)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(diǎn)由SLR確定，尺度由SLR/VLBI共同確定，定向在參考?xì)v元時(shí)刻相對(duì)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(yùn)動(dòng)，提供了周年、半周年季節(jié)變化及大型地震造成的測(cè)站震后形變模型，其精度優(yōu)于以往所有版本[4]，但是長(zhǎng)期精度仍為厘米級(jí)。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(dòng)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(shí)現(xiàn)，原點(diǎn)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(shí)現(xiàn)，定向在參考?xì)v元時(shí)刻2000.0測(cè)站的位置及速度相對(duì)于DTRF2008滿足無(wú)凈旋轉(zhuǎn)條件。與ITRF2014相比，DTRF2014是首個(gè)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(shí)刻近似測(cè)站位置的所有必需信息。也就是說(shuō)，除傳統(tǒng)的框架點(diǎn)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(cè)站位置殘差時(shí)間序列及框架原點(diǎn)的平移時(shí)間序列[22]?？紤]到近年來(lái)非潮汐負(fù)載產(chǎn)品的質(zhì)量及空間大地測(cè)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(zhǎng)期參考框架，提供框架點(diǎn)在參考?xì)v元的位置及線性速度，無(wú)法描述測(cè)站的季節(jié)性變化，導(dǎo)致參考框架的原點(diǎn)在季節(jié)性時(shí)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(duì)測(cè)站的部分非線性變化進(jìn)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(shí)現(xiàn)JTRF，以周坐標(biāo)時(shí)間序列的形式進(jìn)行框架表達(dá)，可完整描述測(cè)站的非線性運(yùn)動(dòng)，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(zhǎng)期(sub-secular)、非線性(non-linear)特征，在確定地心運(yùn)動(dòng)及降低測(cè)站坐標(biāo)離散度方面優(yōu)勢(shì)顯著[25]。

JTRF2014的框架原點(diǎn)由SLR獲得的準(zhǔn)瞬時(shí)地球質(zhì)心(quasi-instantaneous center of mass)實(shí)現(xiàn)，尺度由VLBI/SLR確定的準(zhǔn)瞬時(shí)尺度實(shí)現(xiàn)，定向的確定與ITRF2014一致。框架點(diǎn)運(yùn)動(dòng)模型考慮了長(zhǎng)期線性運(yùn)動(dòng)、周年及半周年運(yùn)動(dòng)，能更真實(shí)地反映測(cè)站運(yùn)動(dòng)，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(cè)得到的震區(qū)測(cè)站位置誤差很大，無(wú)法在當(dāng)前的空間大地測(cè)量演算中采用[24-25]。另一方面，JTRF2014基于序貫估計(jì)方法實(shí)現(xiàn)，隨著全球空間大地測(cè)量觀測(cè)數(shù)據(jù)的迅猛增長(zhǎng)，計(jì)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(shí)現(xiàn)由序貫算法到時(shí)變序貫算法的升級(jí)，并考慮震后形變影響，進(jìn)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(dòng)態(tài)坐標(biāo)框架，是目前最經(jīng)濟(jì)有效的方式[26]。國(guó)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(guó)國(guó)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(shí)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(shí)現(xiàn)過(guò)程包括3步：首先，IGS從對(duì)應(yīng)的ITRF最終解中選取基準(zhǔn)站結(jié)果；然后，進(jìn)行絕對(duì)天線相位中心改正；最后，通過(guò)Helmert轉(zhuǎn)換將其對(duì)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(guó)國(guó)家地理空間情報(bào)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(guó)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(gè)版本：PZ-90.02和PZ-90.11。最新版本PZ-90.11對(duì)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(gè)版本，最新版本為GTRF19v01，與ITRF2014對(duì)準(zhǔn)[29]。

2.2.3 北斗參考框架

2020年7月31日，我國(guó)自主建設(shè)、獨(dú)立運(yùn)行的北斗三號(hào)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS-3)正式運(yùn)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(shí)現(xiàn)[31]，也是ITRS的具體實(shí)現(xiàn)。BDCS(2019V01)框架點(diǎn)由100多個(gè)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(guó)境內(nèi)3個(gè):LHAZ、SHAO、BJFS)、陸態(tài)網(wǎng)臺(tái)站、IGS/MGEX及IGMAS監(jiān)測(cè)站，通過(guò)31個(gè)IGS站采用最小約束與ITRF2014對(duì)準(zhǔn)，兩者一致性在厘米級(jí)，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(lái)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(cè)量技術(shù)手段，采用更長(zhǎng)觀測(cè)時(shí)段、更多觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)框架進(jìn)行更新，進(jìn)一步提高精度。

2.3 區(qū)域坐標(biāo)框架

在過(guò)去幾年里，很多國(guó)家都在積極推進(jìn)國(guó)家/區(qū)域地心坐標(biāo)框架體系的進(jìn)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(guó)及其他國(guó)家坐標(biāo)框架建設(shè)的最新進(jìn)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(guó)際大地測(cè)量協(xié)會(huì)(IAG)通過(guò)了將ITRF作為定位、衛(wèi)星導(dǎo)航及地球科學(xué)應(yīng)用、國(guó)家/區(qū)域參考框架定義及對(duì)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(duì)準(zhǔn)的區(qū)域坐標(biāo)框架可采取如下步驟實(shí)現(xiàn)：

(1) 建立GNSS觀測(cè)站，進(jìn)行空間測(cè)量。測(cè)站選取參照IGS基準(zhǔn)站標(biāo)準(zhǔn)。一般來(lái)說(shuō)，為了獲得準(zhǔn)確的基準(zhǔn)站速度，累積至少2.5年的觀測(cè)資料[34]。

(2) 根據(jù)協(xié)議約定，采用國(guó)際推薦的最新模型參數(shù)、常數(shù),對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行高精度處理，解算測(cè)站坐標(biāo)。

(3) 堆棧測(cè)站坐標(biāo)時(shí)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(diǎn)，采用最小約束獲得單GNSS技術(shù)長(zhǎng)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(guó)最新的坐標(biāo)系統(tǒng)CGCS2000自2008年7月發(fā)布以來(lái)，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)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(shí)現(xiàn)，表現(xiàn)為3個(gè)層次：第1層次為GNSS國(guó)家級(jí)連續(xù)運(yùn)行站網(wǎng)(簡(jiǎn)稱“國(guó)家CORS系統(tǒng)”)，包括28個(gè)IGS站和CORS站，坐標(biāo)精度為毫米級(jí)(3 mm)，速度精度為1 mm/a；第2層次為2000國(guó)家GPS大地控制網(wǎng)，包括覆蓋中國(guó)全部領(lǐng)土、領(lǐng)海的高精度GPS網(wǎng)點(diǎn)(全國(guó)GPS一、二級(jí)網(wǎng)，國(guó)家GPS A、B級(jí)網(wǎng)，地殼運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)網(wǎng)和地殼運(yùn)動(dòng)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)工程網(wǎng)，共約2542點(diǎn))，三維地心坐標(biāo)精度約3 cm；第3層次為全國(guó)天文大地控制網(wǎng)(約50 000點(diǎn))，三維點(diǎn)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(duì)齊，僅提供極少部分測(cè)站的速度，屬于靜態(tài)坐標(biāo)框架。例如，經(jīng)過(guò)20余年的地殼運(yùn)動(dòng)，框架站點(diǎn)坐標(biāo)變化最大超1 m，必須要維持。文獻(xiàn)[34]基于CGCS2000建立了動(dòng)態(tài)大地測(cè)量基準(zhǔn)，但產(chǎn)品精度仍未突破毫米量級(jí)[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(guó)本土及其領(lǐng)土采用的官方水平基準(zhǔn)，其實(shí)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(diǎn)與地心偏離約2.2 m，其建立采用對(duì)大地測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行地面測(cè)量實(shí)現(xiàn)，隨時(shí)間的推移基準(zhǔn)點(diǎn)會(huì)損壞，并且信息未知導(dǎo)致無(wú)法對(duì)基準(zhǔn)網(wǎng)進(jìn)行維持。為了提高美國(guó)國(guó)家空間參考系統(tǒng)(National Spatial Reference System,NSRS)的精度，美國(guó)國(guó)家大地測(cè)量局(National Geodetic Survey,NGS)近幾年對(duì)國(guó)家地心參考框架現(xiàn)代化采取了一系列措施，計(jì)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(guó)現(xiàn)代大地坐標(biāo)框架體系，預(yù)計(jì)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(shí)現(xiàn)，至今發(fā)布了5個(gè)版本，通過(guò)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(cè)站坐標(biāo)都轉(zhuǎn)換至ETRF2000框架下表達(dá)。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(gè)永久GNSS跟蹤站，所有站點(diǎn)都以IGS標(biāo)準(zhǔn)建站，其中50%的EPN站也是IGS觀測(cè)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(guó)家大地坐標(biāo)框架是最新高精度國(guó)家大地坐標(biāo)系統(tǒng)(state geodetic coordinate system,GSK-2011)的具體實(shí)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(gè)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(gè)永久GNSS觀測(cè)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(gè)平均距離為150～300 km的測(cè)點(diǎn)組成；第3層次為一級(jí)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(gè)測(cè)點(diǎn)。為了進(jìn)一步提高實(shí)時(shí)導(dǎo)航精度，解決更加精細(xì)的地球物理及大地測(cè)量學(xué)科科學(xué)問題，計(jì)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(duì)坐標(biāo)框架進(jìn)行更新[28]。

2.3.6 其他國(guó)家/區(qū)域坐標(biāo)框架建設(shè)

除上述國(guó)家外，其他國(guó)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(gè)連續(xù)運(yùn)行GPS觀測(cè)站組成。SIRGAS2000與ITRF2000對(duì)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(shí)現(xiàn)非洲大陸測(cè)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(guò)間距約1000 km的永久GPS站網(wǎng)實(shí)現(xiàn)與維持。非洲各國(guó)家可以在各自領(lǐng)土范圍內(nèi)建立永久/半永久GPS運(yùn)行站對(duì)AFREF實(shí)施加密，建立與ITRF一致的國(guó)家坐標(biāo)框架。

2017年10月，澳大利亞大地測(cè)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(jí)為靜態(tài)GDA2020框架，并于2020年1月建立了與ITRF2014一致的動(dòng)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(guò)澳大利亞板塊運(yùn)動(dòng)模型實(shí)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(shí)現(xiàn)[37]，由瑞典國(guó)家永久GNSS參考站網(wǎng)(Swepos)的30個(gè)A級(jí)基準(zhǔn)站及100個(gè)周邊國(guó)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(jí)坐標(biāo)框架構(gòu)建

從上述全球/區(qū)域大地測(cè)量坐標(biāo)框架的現(xiàn)狀可以看出，最新的國(guó)際地球參考框架仍然無(wú)法滿足大范圍或全球尺度毫米級(jí)地球系統(tǒng)動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)的需求。我國(guó)現(xiàn)行精度最高的CGCS2000坐標(biāo)框架是一個(gè)區(qū)域、靜態(tài)的框架，整體精度偏低，難以滿足我國(guó)測(cè)繪基準(zhǔn)現(xiàn)代化及北斗三號(hào)全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)對(duì)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(jí)坐標(biāo)框架，不僅是大地測(cè)量學(xué)21世紀(jì)的學(xué)科挑戰(zhàn)，也是我國(guó)坐標(biāo)框架建設(shè)的目標(biāo)，對(duì)于構(gòu)建和維持我國(guó)獨(dú)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(gè)方面。

3.1 精密空間大地測(cè)量數(shù)據(jù)處理技術(shù)

高精度基準(zhǔn)站坐標(biāo)時(shí)間序列的獲取是建立1毫米級(jí)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(cè)技術(shù)類系統(tǒng)誤差是限制基準(zhǔn)站坐標(biāo)時(shí)間序列精度的最主要因素，會(huì)造成基準(zhǔn)站“虛假”的非線性位移，與坐標(biāo)時(shí)間序列包括的真實(shí)地球物理信號(hào)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(huì)造成GNSS時(shí)間序列南北方向的周年、半周年虛假信號(hào)[39]，實(shí)施次分量海洋潮汐改正后多個(gè)GPS交點(diǎn)年諧波信號(hào)振幅減小[40]等。SLR技術(shù)類系統(tǒng)誤差包括距離偏差和時(shí)間偏差[41]。其中，時(shí)間偏差對(duì)測(cè)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(dá)毫米級(jí)。距離偏差會(huì)造成測(cè)站坐標(biāo)的錯(cuò)誤估計(jì)，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(huì)造成測(cè)站坐標(biāo)時(shí)間序列“虛假”的跳躍，影響測(cè)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(huì)影響組合產(chǎn)品的精度。針對(duì)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(duì)流層、電離層延遲)、測(cè)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(jī)械變形及錯(cuò)誤的地球物理模型建模導(dǎo)致的測(cè)站位置誤差均可達(dá)毫米級(jí)[42]。從多技術(shù)組合的角度來(lái)看，部分并置站不同觀測(cè)技術(shù)獲得的年周期信號(hào)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(guò)程中，41%的局部連接殘差超過(guò)5 mm[4]，主要是由于技術(shù)類系統(tǒng)誤差的影響，如未估計(jì)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(cè)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(duì)全球基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)進(jìn)行整網(wǎng)一致性重處理，有助于進(jìn)一步消除或減弱技術(shù)類系統(tǒng)誤差的影響，為1毫米級(jí)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(shí)現(xiàn)ITRF2014建立的全球第2次數(shù)據(jù)重新處理計(jì)劃(repro2)相比，全球第3次數(shù)據(jù)重新處理計(jì)劃(repro3)在數(shù)據(jù)處理方法及模型方面取得了很大的改進(jìn)，包括引入了IERS建議的平均線性極潮新模型、太陽(yáng)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(yùn)動(dòng)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(jí)及其對(duì)坐標(biāo)時(shí)間序列的貢獻(xiàn)，有助于削弱“虛假”位移對(duì)真實(shí)地球物理信號(hào)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(guó)際激光測(cè)距服務(wù)(international laser ranging service,ILRS)分析常務(wù)委員會(huì)(Analysis Standing Committee,ASC)通過(guò)同時(shí)估計(jì)測(cè)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(lái)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(shí)間偏差的影響。2019年起，國(guó)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(duì)1979—2020年的全球VLBI觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行重新處理，發(fā)現(xiàn)4種新模型造成的VLBI臺(tái)站高程變化超過(guò)15 mm[45]。盡管如此，VLBI數(shù)據(jù)處理將觀測(cè)到的河外射電源作為點(diǎn)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(cè)站相關(guān)誤差幾乎為同一量級(jí)[46]。完善SLR距離偏差模型，并深入研究忽略時(shí)間偏差、射電源結(jié)構(gòu)造成的全球SLR、VLBI臺(tái)站“虛假”運(yùn)動(dòng)特征，有望大幅度削弱SLR/VLBI技術(shù)類系統(tǒng)誤差，進(jìn)一步提高坐標(biāo)框架建立的精度。

3.2 基準(zhǔn)站非線性運(yùn)動(dòng)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(cè)站震后形變，無(wú)法精確描述基準(zhǔn)站呈現(xiàn)的復(fù)雜非線性運(yùn)動(dòng)，這是導(dǎo)致ITRF2014精度難以達(dá)到毫米級(jí)的一個(gè)主要原因。地球物理信號(hào)不僅表現(xiàn)為周年、半周年運(yùn)動(dòng)，同時(shí)呈現(xiàn)年間及短周期變化(如日變化)特征[47-48]。學(xué)者評(píng)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(hào)，同時(shí)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(diǎn)的年周期信號(hào)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(hào)[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(yùn)動(dòng)，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(cè)站垂直位移某些區(qū)域可達(dá)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(duì)地球物理效應(yīng)造成的基準(zhǔn)站非線性位移對(duì)于坐標(biāo)框架建立的貢獻(xiàn)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(gè)方面：①水文負(fù)載對(duì)于GNSS基準(zhǔn)站垂直非線性運(yùn)動(dòng)的貢獻(xiàn)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(duì)基準(zhǔn)站非線性運(yùn)動(dòng)的貢獻(xiàn)目前尚無(wú)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(shí)施，造成了坐標(biāo)框架定義參數(shù)及產(chǎn)品的扭曲。評(píng)估不同時(shí)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(shí)間序列；發(fā)展基于滯彈性地球模型及測(cè)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(yùn)動(dòng)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(jí)基準(zhǔn)站地球物理運(yùn)動(dòng)模型，并評(píng)估其對(duì)地球參考框架的貢獻(xiàn)具有重要的理論價(jià)值，有望進(jìn)一步提高產(chǎn)品精度，為實(shí)現(xiàn)1毫米級(jí)坐標(biāo)框架建立提供方法支持。

3.3 空間大地測(cè)量技術(shù)組合

利用單一技術(shù)難以同時(shí)解決框架的原點(diǎn)、尺度精度問題及站點(diǎn)分布密度問題，綜合GNSS、VLBI、SLR、DORIS等多源空間大地測(cè)量觀測(cè)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)1毫米級(jí)地球參考框架的重要基礎(chǔ)。其挑戰(zhàn)和難點(diǎn)主要表現(xiàn)為3個(gè)方面：首先，由于不同測(cè)量技術(shù)觀測(cè)精度參差不齊、系統(tǒng)誤差顯著，而且組合時(shí)未顧及季節(jié)信號(hào)等問題，導(dǎo)致基于多源觀測(cè)技術(shù)建立的地球參考框架精度受限；其次，多源觀測(cè)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(duì)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(guò)地面常規(guī)測(cè)量方法獲得，與空間大地測(cè)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(guò)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(cè)值層面的組合，也就是說(shuō)，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(cè)數(shù)據(jù)[13,9]。而且，我國(guó)北斗三號(hào)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(jí)，與ITRF框架還存在較大的差距。

識(shí)別并減弱GNSS/VLBI/SLR/DORIS等空間大地測(cè)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(shí)現(xiàn)在觀測(cè)值層面的多源空間觀測(cè)技術(shù)精密融合，可以為1毫米級(jí)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(gè)方面進(jìn)行：①利用緊組合方式，實(shí)現(xiàn)同種技術(shù)內(nèi)多分析中心基準(zhǔn)站坐標(biāo)時(shí)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(jìn)技術(shù)間組合方法；③對(duì)輸入的技術(shù)內(nèi)組合坐標(biāo)時(shí)間序列進(jìn)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(duì)技術(shù)間組合的法方程進(jìn)行基準(zhǔn)定義，以獲取最終的組合解。

考慮到SLR站不僅觀測(cè)LAGEOS(laser geodynamics satellite)等激光測(cè)地衛(wèi)星，還觀測(cè)GNSS衛(wèi)星和低軌衛(wèi)星、GNSS衛(wèi)星和低軌衛(wèi)星還能同時(shí)作為GNSS和SLR的空間并置站，可以增加有效的共同觀測(cè)量，為解決地面并置站空間分布不合理，且與空間大地測(cè)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(yùn)動(dòng)

基于空間大地測(cè)量觀測(cè)技術(shù)確定的坐標(biāo)框架原點(diǎn)實(shí)際上為分布全球的基準(zhǔn)站觀測(cè)網(wǎng)中心CN，在觀測(cè)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(diǎn)應(yīng)該位于CM，通常將CF相對(duì)于CM的變化定義為地心運(yùn)動(dòng)[15]。季節(jié)性地心運(yùn)動(dòng)也是目前建立與維持地心坐標(biāo)框架的主要誤差源。國(guó)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(cè)量數(shù)據(jù)估計(jì)季節(jié)性地心運(yùn)動(dòng)[52-53]，但是目前為止尚未提供一套公認(rèn)的地心運(yùn)動(dòng)模型。

從造成地心運(yùn)動(dòng)的根本原因入手，聯(lián)合多種空間大地測(cè)量技術(shù)及地球物理模型反演地心運(yùn)動(dòng)是今后的發(fā)展趨勢(shì)，其結(jié)果可最大限度地綜合利用不同技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，以解決坐標(biāo)框架原點(diǎn)定義與實(shí)現(xiàn)間的不一致問題，為地球動(dòng)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(duì)于反演地心運(yùn)動(dòng)的貢獻(xiàn)將越來(lái)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(cè)站點(diǎn)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(cè)站點(diǎn)方面，對(duì)現(xiàn)有空間大地測(cè)量地面監(jiān)測(cè)網(wǎng)進(jìn)行升級(jí)改造，是建立1毫米級(jí)坐標(biāo)框架的一項(xiàng)重要任務(wù)。一方面，現(xiàn)有IGS測(cè)站普遍存在近場(chǎng)相位多路徑效應(yīng)[55]，而且部分SLR測(cè)站的儀器存在老化，在后續(xù)基準(zhǔn)站網(wǎng)建立過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)基礎(chǔ)設(shè)施的升級(jí)。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(cè)站數(shù)達(dá)到約1100個(gè)，但是在非洲北部仍然存在空白，而且南半球的VLBI/SLR站點(diǎn)仍然過(guò)于稀疏[6]，從而限制坐標(biāo)框架原點(diǎn)、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(cè)網(wǎng)，尤其是擴(kuò)大VLBI/SLR站點(diǎn)的全球均勻覆蓋率。而且，作為未來(lái)導(dǎo)航、通信、遙感融合發(fā)展的平臺(tái)，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(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。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(qiáng)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(bǔ)地面并置站全球分布不均勻及地面/空間觀測(cè)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(jī)模型假設(shè)為白噪聲[6]。然而，國(guó)際公認(rèn)的GNSS坐標(biāo)時(shí)間序列的隨機(jī)特征表現(xiàn)為白噪聲加有色噪聲，純白噪聲假設(shè)會(huì)導(dǎo)致基準(zhǔn)站速度不確定度的過(guò)低估計(jì)[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(lái)關(guān)注的一個(gè)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(hào)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(wú)須衛(wèi)星的量子定位導(dǎo)航技術(shù)正在穩(wěn)步推進(jìn)，未來(lái)將可以實(shí)現(xiàn)新型定位導(dǎo)航。量子系統(tǒng)運(yùn)行的方式最接近宇宙，會(huì)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(qiáng)大。此外，GNSS采用銣原子鐘和銫原子鐘(微波鐘)提供高精度時(shí)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(jí)。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(guó)光鐘最高穩(wěn)定度為10-18，國(guó)際水平已達(dá)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(gè)量級(jí)，由此可增加頻率的精度和帶寬(攜帶信息的能力)。如果未來(lái)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(yǔ)

坐標(biāo)框架是拓展人類活動(dòng)、促進(jìn)社會(huì)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(jí)大地測(cè)量坐標(biāo)框架是國(guó)際大地測(cè)量學(xué)界21世紀(jì)的重要挑戰(zhàn)，也是我國(guó)坐標(biāo)框架建設(shè)的目標(biāo)。通過(guò)解決多源大地測(cè)量觀測(cè)數(shù)據(jù)高精度處理及融合、毫米級(jí)基準(zhǔn)站非線性運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)的1毫米級(jí)地球參考框架。這不僅能夠?yàn)樯羁仗綔y(cè)、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(cè)與科學(xué)研究，如地球動(dòng)力學(xué)反演，地震、氣候及水文監(jiān)測(cè)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(jià)值。