2000国家大地坐标动态转换方法探讨

黎鹏　何雯　罗晔

摘要：基于2000国家大地坐标系的定义，探讨利用待測点数据与ICS站点数据进行组网解算平差后得到ITRF2008框架瞬时坐标，通过动态转换计算出待测点的2000国家大地坐标系坐标，并通过实例验证该方法的可行性。结果表明：该方法求取坐标精度可达3cm，符合规程规定的2000国家大地坐标GPS控制网点位坐标精度，并可提高外业观测的灵活性和便利性。

关键词：2000国家大地坐标;动态转换;IGS;ITRF2008框架

中图法分类号：P226.3 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.07.007

1研究背景

2000国家大地坐标系（以下简称“CGCS2000坐标系”）是我国新一代大地坐标系，按照《国土资源部国家测绘地理信息局关于加快使用2000国家大地坐标系的通知》（国土资发[2017]30号）要求，2018年6月底前完成全系统各类国土资源空间数据向2000国家大地坐标系转换，2018年7月1日后自然资源系统将全面使用2000国家大地坐标系。涉及到空间坐标的报部审查和备案项目，全部采用2000国家大地坐标系。2018年7月1日起不再接受非2000系上报的项目报件。由此可以预见，CGCS2000坐标在实际中的应用将会越来越广泛。因此，在实际生产中获取高精度CCCS2000坐标十分重要。

CCCS2000坐标系是全球地心坐标系在我国的具体体现，其定义与国际地球参考系（ITRS）的定义一致。ITRS是目前国际上最精确、最稳定的全球性地心坐标系，国际地球参考框架（ITRF）是一个地心四维坐标参考框架，是ITRS的具体实现，由一系列测站相对于某一参考历元的坐标和位移速度构成，通过下载GPS站点观测数据可与测量点组成同步观测网。CCCS2000坐标系以ITRF97参考框架为基准，参考框架历元为2000.0。在定义上，CCCS2000与WCS84是一致的，即关于坐标系原点尺度、定向及定向演变的定义都是相同的。WCS84坐标系与ITRF框架相对应，如：WGS84（G1150）对应ITRF2000，WCS84（G1674）对应ITRFO8。但因为CCCS2000坐标系的坐标定义在2000.0历元，因此不同时间定位得到的WCGS84坐标不是严格意义下的CGCS2000坐标。

CCCS2000坐标的获取是通过与国家高等级控制点联测求取或实时动态定位等方法实现，但这些方法大多依赖国家控制点或者差分信号，在实际生产中存在一定的局限性。本文主要探讨一种在没有已知点和差分信号的情况下，将待测点与IGS站组网解算得到的高精度坐标，通过动态转换获取2000国家大地坐标的方法及其在实际工程应用中的可行性。

2动态转换方法

用高精度GNSS定位软件处理后得到的各站点坐标与观测时刻卫星星历定义的基准一致，卫星在不同时间段采用不同ITRF框架。据CCCS2000定义，可将测时某特定框架坐标下瞬时坐标经过动态转换实现。步骤如下：

（1）通过待求点外业静态测量数据与ICS站观测数据组网进行数据处理，获取待求点某特定框架下的瞬时坐标;由于组网基线均为长基线，为了保证结果的可靠性，一般使用GAMIT/CLOBK等软件进行数据处理。

（2）利用当前坐标框架和目标框架（ITRF1997）之间的转换参数进行框架转换，获取待求点ITRF1997框架下当前历元坐标。采用布尔莎七参数模型进行相似变换，转换公式如下：

式中，X瞬时、Y瞬时、Z瞬时为步骤（1）中求取的当前坐标框架和历元下的坐标值;X、Y、Z为ITRF1997框架下当前历元的坐标值;T、T，、T为3个平移参数;R、R、R为3个旋转参数;D为尺度参数。以上7个参数及其速度值可在ITRF网站查询。对于不同历元，还应将7个转换参数根据相应的速度值进行历元转换：

P（t）=P（EPOCH）+P（t-EPOCH）

式中，P（EPOCH）为已知历元（一般为2000.0）时刻的某一转换参数，可在ITRF网站上查询到相应的数值;p为转换参数P的速率值。

（3）使用当前测点的速度值进行历元换算，将ITRF1997框架下的瞬时坐标归算到2000.0历元，得到最终CCCS2000坐标。使用下式（3），利用坐标速度k将坐标由历元t归算到2000.0。

式中，Cr20000为转换后为2000.0历元下的坐标值;C;为当前历元下的坐标值;t为当前历元;Vc为坐标速度值。

在这一过程中，获取高精度速度值Vc是关键。速度值的求取方法主要有欧拉矢量法、格网平均值法、多面函数法等。目前，对于区域站精度较高的方法为局域欧拉矢量法内插速度，但需要连续站点数据以及软件支持，使用难度较大。因此，本文推荐使用魏子卿2提出的格网平均值法，其结果已按3*x3°格网以表格形式列出，可直接查询，使用精度相对较高，站位速度误差统计值达到+2.61mm/ao部分格网平均速度见表1。

由以上分析可总结出动态转换的一般过程，流程见图1。

3转换实例

本文以位于某省的3个已知点X001、X002、X003在2017年5月23日观测数据为例，采用周边的13个IGS测站（airabjfs、daeji、guam、hyde、iisc、kit3lhazntus、pimo、pol2、shao、urum）参与解算。计算过程中，当前历元取观测时段平均值为2017.393。已知坐标见表2，使用GAMIT进行基线解算，GLOBK进行网平差。

网平差后获得的所有站点ITRF2008框架在2017.393历元下的坐标值见表3。

将平差后的坐标根据ITRF网站查询到的参数进行框架转换，转换参数见表4。此过程可实现在.2017.393历元下将坐标由ITRF2008框架转换至ITRF97框架。

框架转换后得到ITRE97框架下2017.393历元下的坐标结果，采用魏子卿！一》提供的中国大陆39x3°格网平均速度进行历元换算，坐标转换输人数据见表5，转换结果见表6。

考虑到通常使用的坐标为平面坐标，将转换结果与已知坐标均投影到平面进行对比，结果见表7。

从转换过程可以发现，不同坐标框架之间坐标的差值相对较小，均在厘米级，坐标转换前后的差值主要发生在对坐标进行历元转换的过程中34。尤其在长时间跨度的计算中，对坐标值的影响达到了亚米级，因此站点速度值的精度就显得尤为重要[5-6]。从计算结果可以看出，，投影后平面坐标结果精度整体优于大地高结果。根据《大地测量控制点坐标转换技术规程》规定，2000国家大地坐标GPS控制网点位坐标精度为0.03m，转换得出的平面坐标点位精度符合精度要求。这说明，采用此方法在一定条件下可以获取高精度2000国家大地坐标成果。但大地高精度仍有待进一步提高，其中X001差值最大，主要原因可能是：①x001站的观测数据质量较差、观测历元较短;②基线解算和网平差存在误差;③历元转换中的速度精度不高，在长时间跨度的历元转换中，坐标绝对精度会降低。参考中国大陆I级活动块体划分，该区域位于魯东黄海块体与华南块体交接地带，其地壳运动整体向东偏南方向，年速率在厘米级，可能对结果有影响;④ITRF框架转换参数速度是常数，在长时间跨度下是否会存在变化有待考证。

4结语

通过将测区内待测点与ICS站组网使用GAMIT/GLOBK软件解算平差得到的空间坐标进行动态转换，得到的2000国家大地坐标在一定条件下能够达到国家GPS大地控制网点精度。这种方法不依赖于国家控制点便可获得工作区域内较高精度的CGCS2000大地坐标，也可用于长期维持一般测区的坐标系统，对于测区附近缺少控制点的区域也十分有益。此类方法仅需少量仪器甚至单台仪器便可施测，待求点不需要同步观测，大大提高了外业观测的灵活性和便利性。目前，该方法的可靠性仍有待进一步验证，为了保证其精度，需要进一步优化外业观测流程，提高数据处理手段，整个流程较为复杂且需要较长时间的静态观测。另外，站点速度在长时间跨度的动态转换中十分关键，精度仍有待进一步提高。参考文献：

[1]魏子卿，刘光明，吴富梅.2000中国大地坐标系：中国大陆速度场[J].测绘学报，2011，40（4）：403-409.

[2]魏子卿.2000中国大地坐标系及其与WGS-84的比较[J].大地测量与地球动力学，2008，28（5）：1-5.

[3]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）：117-119，124.

[4]吴富梅，刘光明，魏子卿.利用局域欧拉矢量法建立CCCS2000速度场模型[J].武汉大学学报：信息科学版，2012，37（4）：432-435.

[5]杨久东，王文军，孔海洋.基于ICS站获取曹妃甸2000坐标的精度分析[J].矿山测量，2017，45（6）：88-91.

[6]张国民，马宏生，王辉，等.中国大陆活动地块边界带与强震活动[J].地球物理学报，2005，48（3）：602-610.

（编辑：李慧）