ITRF框架與CGCS2000坐標轉換的研究

張杰,范玉磊,董海政,盧群

(1.解放軍61243部隊,新疆 烏魯木齊 830006;2.解放軍32022部隊, 湖北 武漢 430074)

0 引 言

2008年7月1日起正式啟用的CGCS2000大地坐標系,由2000國家GPS大地網的點坐標和速度場具體實現,與ITRF97框架一致,參考歷元為2000.0[1]。隨著CGCS2000成為我國測繪領域的法定坐標系,所有大地控制網坐標均需采用CGCS2000坐標系,多數測繪成果也應盡可能歸算到2000國家大地坐標系。

利用高精度GNSS相對定位或精密單點定位進行解算時,通常以精密星歷為基準,計算結果是特定ITRF框架下基于觀測當天歷元的坐標,只需通過框架轉換和歷元歸算,將該坐標轉換到ITRF97框架、2000.0歷元,就可以認為轉換后的坐標屬于CGCS2000坐標系[2]。自2006年10月以來,IERS已發布了ITRF2005、ITRF2008和ITRF2014等參考框架。由于ITRF官方網站尚未提供ITRF2014參考框架下的站點數據成果,因此本文以目前測繪實踐中常見的ITRF2005和ITRF2008與CGCS2000的坐標轉換為例進行探討,ITRF2014和其它框架坐標轉換的原理和方法類似。

1 框架轉換參數

國際地球參考系統ITRS是目前國際上最精確、最穩定的全球性地心坐標系,國際地球參考框架ITRF是一個地心四維坐標參考框架,是ITRS的具體實現,是基于VLBI、LLR、SLR、GPS和DORIS等空間技術所建立的現代全球地面參考框架[3]。ITRF是通過對框架的定向、原點、尺度和時間演變基準的明確定義來實現的,由于觀測手段和精度有所不同,加上時間基準的演變,使得不同的ITRF框架之間存在小的系統性差異,這些差異可以用7個框架轉換參數及其速率來表示[4]。框架轉換參數和速率由IERS公布,表1示出了常見的ITRF框架轉換參數及其速率。

表1 IERS公布的框架轉換參數及速率

聯系人: 張杰 E-mail: 378971110@qq.com

由IERS公布結果可知,ITRF2008與ITRF97在2000.0歷元可直接轉換,ITRF2005與ITRF97之間的框架轉換,需經過ITRF2000框架進行二次轉換且參考歷元不統一,計算過程比較繁瑣,本文將推導求得ITRF2005與ITRF97之間的轉換參數及速率。

每個具體的ITRF框架間轉換關系都定義在特定歷元,即框架轉換參數在不同歷元下是不同的[5]。依據公式(1)和(2),可計算任一參考歷元的框架轉換參數及速率,同時表明相同的框架轉換在任一歷元下的轉換參數速率是相同的。式中,P(t)表示參考歷元t的框架轉換參數,取t為2000,計算ITRF2000與ITRF97在2000.0歷元的轉換參數及速率,結果如表2所示。

(1)

(2)

不同框架的坐標可以采用布爾莎七參數模型,通過特定歷元下的相似變換進行轉換,分別使用T、D、R表示參考框架在特定歷元轉換時的平移參數向量、尺度參數和旋轉參數矩陣,則計算公式如下:

(3)

依據公式(3),可得到ITRF2005→ITRF2000和ITRF2000→ITRF97框架坐標轉換的計算公式

(4)

(5)

將公式(4)代入公式(5)中,整理后可得

(6)

由于T、D、R數值微小,其乘積可忽略不計,上式中的微小項可以省略,因此特定參考歷元下ITRF2005→ITRF97的轉換參數為ITRF2005→ITRF2000和ITRF2000→ITRF97在同一歷元下各相應轉換參數之和。

(7)

(8)

(9)

式(8)和式(9)相加后可得式(10)

(P1(t0)+P2(t0))]/

(t-t0) .

(10)

由于上文已證明,同一歷元下的轉換參數P為P1與P2之和,式(10)經整理后可得式(11)

(11)

對比式(7)和式(11),可得

(12)

由式(12)可知,ITRF2005→ITRF97的轉換參數速率為ITRF2005→ITRF2000和ITRF2000→ITRF97的相應轉換參數速率之和。綜合以上分析,計算ITRF2005與ITRF97在歷元2000.0的轉換參數及速率,結果如表3所示。

表3 ITRF2005與ITRF97在歷元2000.0的轉換參數及其速率

2 坐標轉換方法

2.1 先歷元后框架

已知測站速度值(Vx,Vy,Vz)ITRFxx時,利用式(13)求得ITRFxx框架、2000.0歷元下的坐標。

(13)

2.2 先框架后歷元

已知測站速度值(Vx,Vy,Vz)ITRF97時,利用式(14)求得ITRF97框架、2000.0歷元下的坐標。

(14)

3 算例分析

以中國大陸四個IGS站點WUHN、SHAO、LHAS和XIAN為例,利用Matlab編寫程序對其進行坐標轉換,數據來源于ITRF官方網站。選擇四個站點在ITRF2008框架、歷元2014.0和ITRF2005框架、歷元2008.0的坐標與速度,按兩種不同方法轉換至CGCS2000坐標即ITRF97框架、歷元2000.0坐標,轉換后的坐標與ITRF官方提供坐標的差值如表4和表5所示。

表4 先歷元后框架的坐標轉換結果

表5 先框架后歷元的坐標轉換結果

從數據處理結果來看,兩種方法的坐標轉換精度基本在1～2 cm左右。XIAN站坐標轉換精度稍差,Y、Z分量一般在2～3 cm左右,原因應該是ITRF提供的站坐標和速度精度較低。國際上GPS永久跟蹤站網提供的站坐標和速度場參數,總是框架越晚、年代越近越精確,利用早期框架參數和速度場順推某一歷元的測站坐標精度不高[6],而較低精度的速度場經過框架轉換后誤差進一步增加,因此表4、5中ITRF2005框架下兩種方法的精度差異較為明顯。

實例驗證表明,本文推導計算的框架轉換參數準確可靠,兩種轉換方法均可滿足一般坐標轉換精度要求,同時可以分析得出以下幾點結論:

1) 通過推導ITRF2005和ITRF97的框架轉換參數及速率,計算過程避免經過ITRF2000進行分步轉換的步驟,與直接提供轉換參數的框架間轉換類似,方法簡便、精度可靠。

2) 采用先框架后歷元的轉換方法,無論是直接利用早期的ITRF97框架速度場,或是對較晚框架的速度場進行框架間轉換,得到的速度場精度一般相對較低。因此使用較新的ITRF2008坐標和速度,利用先歷元后框架的方法進行轉換,結果精度稍有一定提高。

3) 計算過程表明,歷元歸算對坐標分量的影響很大,速度場參數的誤差越大,經過長時間的歷元跨度,導致的誤差積累也越大。目前的速度場參數一般以線性模型計算得到,而IGS站的位置時間序列中除包含線性運動的長期趨勢外,還包含復雜的非線性運動特征[7]。以速度計算精度1 mm/y來推算,反映在點位上的誤差,10年就是1 cm,且逐年增大,因此坐標轉換精度與測站的速度場精度密切相關。

4 結束語

本文對ITRF框架轉換參數的推導計算及坐標轉換的兩種方法展開研究,利用國內4個IGS站的數據進行實例分析,結果表明參數推導準確可靠,兩種坐標轉換方法及精度滿足生產要求,在實際工程中優先選擇先歷元后框架的轉換方法。

坐標轉換的計算過程表明,速度場的獲取是ITRF框架與CGCS2000坐標轉換的關鍵因素,直接影響到轉換結果的精度。目前國內不少單位和學者,利用大量歷史觀測資料計算得到的速度場,從運動趨勢看大體一致,但運動矢量的大小和方向有明顯差異,對計算結果影響較大。因此,如何獲得有效的、高精度的速度場,是ITRF框架與CGCS2000實現高精度轉換的瓶頸,還需進一步深入研究。

[1] 于強,易長榮,占惠.ITRF2000轉換到CGCS2000框架的分析[J].全球定位系統,2009,34(5):49-51.

[2] 熊四明.2000國家大地坐標系下點位坐標轉換方法淺析[J].測繪與空間地理信息,2009,32(5):155-158.

[3] 苗龍.ITRF2008與CGCS2000坐標系的轉換[J].地理空間信息,2011,9(6):144-145.

[4] 劉立,成英燕.ITRF框架的相互轉化[J].大地測量與地球動力學,2010,30(2):141-143,147.

[5] 高樂,成英燕,鄭作亞,等.局部區域數據納入ITRF的新方法[J]. 武漢大學學報(信息科學版),2011,36(7):839-842,852.

[6] 姚宜斌.高精度GPS 測量中坐標基準的統一方法研究[J].地礦測繪,2001(2):3-5.

[7] 范玉磊,王賀,黃聲享,等.利用小波分析IGS跟蹤站的非線性運動特征[J]. 測繪工程,2014,23(9):5-8.