2000国家大地坐标系数据处理的若干技术研究

程传录，谢 方，王小瑞，马新莹

（国家测绘地理信息局大地测量数据处理中心，陕西西安 710054）

2000国家大地坐标系数据处理的若干技术研究

程传录，谢 方，王小瑞，马新莹

（国家测绘地理信息局大地测量数据处理中心，陕西西安 710054）

2000国家大地坐标系（CGCS2000）成果的获取技术涉及国际地球参考框架（ITRF）、参考历元、卫星星历及站点速度场等归算问题。介绍了不同参考框架的转换模型和参数，讨论了获取CGCS2000成果的数据处理方法，利用实测观测数据分析了IERS发布的不同ITRF参考框架和不同国际机构发布的各种不同类型的星历对基线结果的影响，以及直接平差与采用框架转换方法求得CGCS2000坐标成果的差异。结果表明：IGS发布的星历精度要高于其他机构发布的精密星历；不同参考框架的精密星历对基线长度在4 000 km以内的基线影响小于1．3 mm，一般在控制网基线解算时可不考虑卫星星历参考框架的影响；在获取CGCS2000成果时，可不考虑星历的类型、参考框架及历元问题；非ITRF97、2000．0成果可采用框架转换公式及转换参数进行成果归算得到CGCS2000成果。

2000国家大地坐标系；参考框架；参考历元；精密星历；基线；数据处理

0 引 言

自2008年7月1日起，中国启用2000国家大地坐标系（China Geodetic Coordinate System 2000，CGCS2000）［1－5］，并公布了CGCS2000的定义、采用的参考椭球、参考框架和参考历元。CGCS2000采用的参考椭球是GRS 80参考椭球，与WGS 84坐标系参考椭球基本一致，只是扁率略有区别，投影到平面坐标相差0．1 mm左右，可以忽略不计［6］。中国已建成的国家高精度GPS A级和B级网及中国GPS一级和二级网成果都不属于CGCS2000成果，已建成的2000国家GPS大地控制网［7－8］的成果是CGCS2000成果。

CGCS2000成果涉及国际地球参考框架（International Terrestrial Reference Frame，ITRF）、参考历元及速度场等归算问题，目前获得CGCS2000成果的主要技术手段是GPS测量，通过与IGS（International GNSS Service）连续运行参考站联测，利用其精确坐标和速度场，利用参考框架转换和速度场归算才能得到控制网点的CGCS2000成果。国际各研究机构提供了多种卫星星历，不同星历对数据处理产生的差异未知，而且在中国地区的IGS站数量有限，且分布不均匀，同时中国还没有权威部门发布中国板块运动的速度场，因此如何处理得到CGCS2000成果已成为广大用户关注的焦点问题。笔者就参考框架、卫星星历及数据处理软件GAMIT／GLOBK的应用等关键技术问题进行研究分析，为更好获取CGCS2000成果提供实用的技术方法。

1 国际地球参考框架和精密星历

1．1 国际地球参考框架

GPS是一种全球性的观测技术，GPS观测与数据处理离不开全球参考框架。1988年，国际地球自转和参考系统服务（IERS）成立，它创建和维持天球参考系统（ICRF）、国际地球参考框架（ITRF）及地球自转参数（EOPS）。ITRF通过对框架的特性（定向、原点、尺度）和时间演变的定义，由一组地面控制点的坐标和速率来实现地心地固参考框架。IERS每年公布ITRF，最新的是ITRF08［9－12］。

由于章动和极移的影响，国际协议地极原点CIO变化以及位置和速率的解算方法变化，使得ITRF框架每年也在变化，存在不同参考框架的转换问题，ITRF已发布参考框架转换公式和转换参数。

1．2 精密星历

精密星历是由若干卫星跟踪站的观测数据经事后处理算得的、供卫星精密定位等使用的卫星轨道信息。目前能够发布和提供精密星历的机构很多，其精度和发布时间不尽相同，最为成熟的是IGS精密星历（表1）。NGS SIO IGS IGU IGR发布机构美国国家大地测量局美国斯克里普斯海洋地理研究所国际GPS服务机构国际GPS服务机构国际GPS服务机构

表1 不同机构发布的卫星星历Tab．1 Satellite Ephemerises Issued by Different Agencies

IGS精密星历是由IGS组织定期向用户发布，采用IERS发布的ITRF参考框架。IGS精密星历采用sp3格式，内容包括表头信息以及文件体，采样率为15 min，实际解算中可以进行精密钟差的估计或内插，以提高其可使用的历元数。IGS精密星历包括事后精密星历、快速精密星历及预报精密星历3种类型［9］，星历文件的时延、精度、历元间隔等各不相同，在实际工作中，根据工程项目对时间及精度的要求，选取不同的文件类型（表2）。

2 关键技术研究

2．1 不同类型卫星星历对基线结果的影响

2．1．1 数据处理

利用均匀分布中国大陆的GPS观测点2010年001d数据，采用GAMIT／GLOBK软件，在基线解算时，将卫星星历设置成统一的参考框架（ITRF97）和历元（2000．0）以及统一的数据处理模式，以此分析不同卫星星历对高精度数据处理的影响。主要参数设置为：星历轨道固定；卫星截至高度角10°；采样间隔设置30 s；采用Saastamoinen模型进行标准气象改正；观测模式采用自动修复周跳的LC－AUTCLN模式；采用IERS03潮汐改正模型；每隔2 h估计天顶延迟；估计大气梯度；平差采用IGS中心公布的国际跟踪站URUM、LHAS、KUNM、WUHN及SHAO作为起算，并给予强约束。

表2 IGS精密星历的有关指标Tab．2 Related Indexes of IGS Precise Ephemeris

2．1．2 数据分析

经过基线解算及平差后，获得10种不同卫星星历的数据处理结果，针对结果进行分析研究。按基线长度从小到大的顺序，计算每种卫星星历的基线结果与平均基线结果的差值，分析不同卫星星历对高精度数据处理的影响。

从图1可以看出，基线长度在200 km以内，不同卫星星历的解算结果差异在0．2 mm以内；随着基线长度的增加，解算结果差异也越来越大；在基线长度相同的情况下，GFZ、SIO星历和其他机构发布的星历计算基线结果差异比较大；不论基线多长，利用IGS星历计算基线结果更接近真值。

图1 不同卫星星历对数据处理结果的影响Fig．1 Effect of Different Satellite Ephemerises on Data Processing

2．2 不同参考框架的星历对基线结果的影响

利用中国GPS连续运行站2000年001d～060d、2005年001d～060d及2010年001d～060d的数据，采用IGS精密星历进行数据处理与分析。

2．2．1 数据处理

IGS中心在不同时期发布的精密星历参考框架是不同的（表3［10－11］）。卫星轨道采用IGS中心发布的精密星历。在收集到的数据中，2000年星历的框架是ITRF97，2005年星历的框架是ITRF00，2010年星历的参考框架框架是ITRF05；通过框架转换公式及转换参数［9－10］，即可将2000年星历转换为ITRF00、ITRF05参考框架，将2005年星历转换为ITRF97、ITRF05参考架框，将2010年星历转换为ITRF97、ITRF00参考框架。

表3 IGS精密星历不同时期对应的参考框架Tab．3 Reference Frameworks Corresponded with IGS Precise Ephemeris at Different Times

起算点历元为2000．0，针对星历2000、2005、2010年的3种参考框架ITRF97、ITRF00、ITRF05进行数据处理，以比较不同参考框架的星历对基线结果的影响。数据处理方案及相关参数设置同第2．1．1节。

2．2．2 数据分析

经过基线解算及平差后，得到同一基线不同参考框架的结果，其比较统计见图2～4。从图2～4可以看出，基线长度为500 km，其基线差异在0．1 mm以内；基线长度为4 000 km以内，其基线差异在1．3 mm以内；随着基线长度的增加，两者之间的差异在逐渐增大；ITRF05和ITRF00的结果更接近，这与IRES机构提供的ITRF05和ITRF00参考框架的转换参数较小是一致的。因此，边长在4 000 km以内的GPS控制网在基线解算时可不考虑卫星参考框架的影响。

图2 ITRF05与ITRF00基线比较Fig．2 Comparison of Baselines Between ITRF05 and ITRF00

2．3 历元归算对平差结果的影响

在GLOBK平差中，点位坐标的参考框架及历元确定可采用2种方法。

图4 ITRF05与ITRF97基线比较Fig．4 Comparison of Baselines Between ITRF05 and ITRF97

方法（1）：网平差GLOBK软件自动归算。起算点的坐标和速率采用IGS公布的ITRF97结果，SHAO、KUNM、WUHN、BJFS作为本次网平差起算点，通过网平差后，得到平均瞬时历元坐标为2010．090。

方法（2）：直接固定起算的坐标、框架及历元，平差获得其他点与起算点一致的框架及历元的坐标。按IGS提供的速度将SHAO、KUNM、WUHN、BJFS的坐标按历元转换公式直接归算至历元2010．090，固定平差直接得到历元2010．090的坐标。

方法（1）和方法（2）平差结果比较见图5。从图5可以看出，这2种方法平差得到坐标结果之间的差异非常小，差值中误差在2．0 mm内。由此可见，无论采用何种方案，都是适宜的。

图5 2种方法的比较Fig．5 Comparison of Two Methods

2．4 非ITRF97、2000．0成果的转换

IGS发布的IGS站ITRF97框架坐标历元为1997．0，ITRF00框架坐标历元为1997．0，ITRF05框架坐标历元为2000．0，ITRF08框架坐标历元为2005．0［9－12］，要将这些都转换为CGCS2000坐标成果，首先利用IGS发布的IGS站速率将历元转换为2000．0，再利用基准框架转换公式将IGS站的坐标转换到ITRF97参考框架。

本次收集了IGS发布的WUHN、SHAO、URUM、LHAS、XIAN等IGS站的ITRF97、ITRF00、ITRF05、ITRF08等参考框架的相应坐标和速度，利用速率和基准框架转换公式转换到ITRF97参考框架，对其结果进行比较分析。从表4～6可以看出，ITRF00、ITRF05、ITRF08参考框架的WUHN、SHAO、URUM、LHAS、XIAN等IGS站坐标，通过历元和基准框架的转化得到的ITRF97、2000．0成果精度在1．5 cm以内。XIAN站转换残差偏大，主要原因是只有2000年以前的数据，其现势性不够，其他站都在2．0 cm以内，完全可以满足控制网建设需要。

表4 ITRF00、1997．0成果转换至ITRF97、2000．0成果的比较Tab．4 Comparison Between ITRF00 and Epoch 1997．0 Production and Converted ITRF97 and Epoch 2000．0 Production

表5 ITRF05、2000．0成果转换至ITRF97、2000．0成果的比较Tab．5 Comparison Between ITRF05 and Epoch 2000．0 Production and Converted ITRF97 and Epoch 2000．0 Production

3 结 语

（1）基线长度在200 km以内，不同卫星星历的解算结果差异在0．2 mm以内，IGS发布的星历精度要高于其他机构发布的星历，在数据处理时建议使用IGS精密星历。

（2）基线长度小于4 000 km时，不同参考框架的IGS精密星历对基线影响小于1．3 mm，中国一般控制网边长均在4 000 km以内，因此在控制网数据处理时，不必对IGS精密星历进行参考框架的统一转换，可不考虑卫星参考框架的影响。

表6 ITRF08、2005．0成果转换至ITRF97、2000．0成果的比较Tab．6 Comparison Between ITRF08 and Epoch 2005．0 Production and Converted ITRF97 and Epoch 2000．0 Production

（3）起算点有ITRF97、2000．0成果可直接固定，进行整体平差获得CGCS2000坐标成果。

（4）成果为ITRF00、ITRF05或ITRF08参考框架等非ITRF97、2000．0成果时，可利用全球IGS站的ITRF00、ITRF05或ITRF08和ITRF97坐标与速度场，采用框架转换公式计算转换参数，求得CGCS2000坐标成果。

References：

［1］ 国家测绘局．国家测绘局公告（2008年第2号）［N］．中国测绘报，2008－06－27（1）．

National Administration of Surveying and Mapping．Bulletin of National Administration of Surveying and Mapping（No．2，2008）［N］．China Surveying and Mapping News，2008－06－27（1）．

［2］ 陈俊勇．中国现代大地基准——中国大地坐标系统2000（CGCS2000）及其框架［J］．测绘学报，2008，37（3）：269－271．

CHEN Jun－yong．Chinese Modern Geodetic Datum—Chinese Geodetic Coordinate System 2000（CGCS2000）and Its Frame［J］．Acta Geodaetica et Cartographica Sinica，2008，37（3）：269－271．

［3］ 陈俊勇，杨元喜，王 敏，等．2000国家大地控制网的构建和它的技术进步［J］．测绘学报，2007，36（1）：1－8．

CHEN Jun－yong，YANG Yuan－xi，WANG Min，et al．Establishment of 2000 National Geodetic Control Network and It's Technological Progress［J］．Acta Geodaetica et Cartographica Sinica，2007，36（1）：1－8．

［4］ 杨元喜．2000中国大地坐标系［J］．科学通报，2009，

54（16）：2271－2276．

YANG Yuan－xi．Chinese Geodetic Coordinate System 2000［J］．Chinese Science Bulletin，2009，54（16）：2271－2276．

［5］ 魏子卿．2000中国大地坐标系［J］．大地测量与地球动力学，2008，28（6）：1－5．

WEI Zi－qing．China Geodetic Coordinate System 2000［J］．Journal of Geodesy and Geodynamics，2008，28（6）：1－5．

［6］ 程鹏飞，文汉江，成英燕，等．2000国家大地坐标系椭球参数与GRS 80和WGS 84的比较［J］．测绘学报，2009，38（3）：189－194．

CHENG Peng－fei，WEN Han－jiang，CHENG Ying－yan，et al．Parameters of the CGCS2000 Ellipsoid and Comparisons with GRS 80 and WGS 84［J］．Acta Geodaetica et Cartographica Sinica，2009，38（3）：189－194．

［7］ 程传录，郭春喜，王小瑞，等．关于国家高精度GPS B级网成果的使用问题［J］．测绘科学，2005，30（5）：31－32．

CHENG Chuan－lu，GUO Chun－xi，WANG Xiao－rui，et al．Some Investigations on Applications of National B－order GPS Network［J］．Science of Surveying and Mapping，2005，30（5）：31－32．

［8］ 程传录，王文利，郭春喜，等．2000国家大地坐标系下三角网平差技术研究［J］．地球科学与环境学报，2009，31（4）：432－436．

CHENG Chuan－lu，WANG Wen－li，GUO Chun－xi，et al．Adjustment of Triangulation Technique in China Geodetic Coordinate System 2000［J］．Journal of Earth Sciences and Environment，2009，31（4）：432－436．

［9］ 林晓静，张小红，郭 斐．ITRF2005与CGCS2000坐标转换方法与精度分析［J］．大地测量与地球动力学，2010，30（2）：117－119．

LIN Xiao－jing，ZHANG Xiao－hong，GUO Fei．Transformation Methods and Accuracy Analysis Between ITRF2005 and CGCS2000 Coordinate［J］．Journal of Geodesy and Geodynamics，2010，30（2）：117－119．

［10］ 成英燕．ITRF2008框架简介［J］．大地测量与地球动力学，2012，32（1）：47－50．

CHENG Ying－yan．Brief Introduction of ITRF2008 Frame［J］．Journal of Geodesy and Geodynamics，2012，32（1）：47－50．

［11］ 蒋光伟，程传录，郭春喜，等．地球参考框架ITRF2008在中国大地基准中的应用［J］．大地测量与地球动力学，2012，32（2）：86－90．

JIANG Guang－wei，CHENG Chuan－lu，GUO Chun－xi，et al．Application of ITRF2008 in China Geoid Datum［J］．Journal of Geodesy and Geodynamics，2012，32（2）：86－90．

［12］ 王艳梅，何雪梅．与IGS跟踪站联测并利用精密星历提高相对定位精度［J］．物探装备，2006，16（1）：63－66．

WANG Yan－mei，HE Xue－mei．Precision Relative Positioning by Using Precision Star Calendar and Jointmeasurement with IGS Tracing Station［J］．Equipment for Geophysical Prospecting，2006，16（1）：63－66．

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

国家高技术研究发展计划（“八六三”计划）项目（2009AA121402－5）；陕西省测绘局科技项目（2009－03）

程传录（1965－），男，陕西商南人，教授级高级工程师，E－mail：cl＿cheng＠163．com。