坐標(biāo)框架轉(zhuǎn)換若干問題的研究①

劉 立,成英燕

(中國測繪科學(xué)研究院,北京100039)

0 引 言

ITRF(InternationalTerrestrialReference Frame)地球參考框架是國際上公認(rèn)的精度最高、穩(wěn)定性最好的參考框架,ITRF是利用全球測站觀測資料成果推算所得到的地心坐標(biāo)系統(tǒng)。確切地說,ITRF是一個四維地心坐標(biāo)參考框架,它除了具有空間直角坐標(biāo)形式的坐標(biāo)外,還給出了臺站的漂移速度,其坐標(biāo)精度為毫米級至厘米級。IT RF采用了VLBI、SLR、LLR、DORIS和GPS等多種空間技術(shù)[1,2],綜合了多個數(shù)據(jù)分析中心的解算結(jié)果形成的地球參考框架,最后,利用一系列測站相對于某一參考?xì)v元的坐標(biāo)和位移速度構(gòu)成國際參考框架(IT RF)。由于各 IERS(International Earth Rotation and Reference Systems Service)分析中心分析方法、觀測方法和數(shù)據(jù)處理方法的不斷提高,根據(jù)最終結(jié)果建立的IT RF框架之間的差別越來越小,目前達(dá)到毫米級的精度,不同參考框架同一時期的坐標(biāo)可以相互轉(zhuǎn)化[3]。

1 IT RF框架的相互轉(zhuǎn)換

從理論上說來,IT RF系列所對應(yīng)的地球平極和平均格林尼治子午線應(yīng)該是重合的,但由于ITRF參考站的坐標(biāo)是通過觀測獲得的,其觀測手段和觀測精度會有所不同,因此,各個系統(tǒng)之間也會存在微小的系統(tǒng)差別。不同ITRF框架可以通過坐標(biāo)系之間的相似變換進(jìn)行轉(zhuǎn)換。通常,IT RF轉(zhuǎn)換使用14個轉(zhuǎn)換參數(shù),即7個轉(zhuǎn)換參數(shù)加上7個轉(zhuǎn)換參數(shù)速率,這14個轉(zhuǎn)換參數(shù)是由布爾莎-沃爾夫七參數(shù)得到的[4]。

其中:

14個旋轉(zhuǎn)參數(shù)也和t時刻到to時刻的速率有關(guān):

因此可得到:

其中:

tk是旋轉(zhuǎn)參數(shù)給定的時刻,t0是參考框架的初始時刻,t是最終要轉(zhuǎn)換的時刻。s是框架之間的比例尺變化(ppm×10-6),表1是 ITRF00到IT RF97的轉(zhuǎn)換參數(shù)。

表1 IGS(ITRF2000)→IGS(ITRF97)(tk=2001.5)的14個轉(zhuǎn)換參數(shù)[2]

2 trnfsp3n應(yīng)用程序

T rnfsp3n從互聯(lián)網(wǎng)上(ftp://macs.geod.nrcan.gc.ca/pub/requests/itrf96_97/)獲得。它可以把不同框架下的IGS的sp3和erp文件轉(zhuǎn)換到相應(yīng)的參考框架下,也可以把觀測站的坐標(biāo)轉(zhuǎn)化到想得到的參考框架下,但是文件的格式一定要符合要求[1]。

應(yīng)用程序的使用方法為

T rnfsp3n inputfile(sp3)outfile transfile[input(erp)output(erp)]

其中:Inputfile(sp3)是標(biāo)準(zhǔn)的sp3格式的文件,transfile是不同參考框架之間的14個轉(zhuǎn)換參數(shù)(T1T2T3D R1R2R3﹒T1﹒T2﹒T3﹒D ﹒R1﹒R2﹒R3),[input(erp)output(erp)]是可選的erp文件。

Eg:trnfsp3n igs10210.sp3 igs10210.itr96 ITRF96.itr97 igs10217.erp igs10217.erp96是把ITRGF96下的igs10210.sp3和igs10217.erp文件轉(zhuǎn)換到ITRGF97框架下。此應(yīng)用程序還可以把IGS站的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到需要的參考框架下。

Trnfsp3n ITRF94.13 ITRF96.out ITRF96.itr94是把IT RF94框架下的13個站的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到ITRF96框架下。

注意:erp文件的MJD(簡化儒略日)必須在MJD 50243(Wk0857)之后。

3 算 例

從網(wǎng)站下載數(shù)據(jù),廣播星歷:jplm0010.99n、jplm0020.009n,精密星歷:igs09905.sp3、igs09906.sp3,觀測值文件:blyt0010.99o、blyt0020.99o、jplm0010.99o、jplm0020.99o、kokl0010.99o、kokl0020.99o。

此精密星歷使用的是IT RF96框架,利用trnfsp3n.exe生成ITRF97、IT RF00和IT RF05框架下的精密星歷文件。利用GAMIT軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,并且對不同框架下的13個IGS站的坐標(biāo)進(jìn)行了分析[6,7],如表2～表5,圖1～圖4所示。

表2 ITRF96框架下計算的觀測站的坐標(biāo)

表3 ITRF97框架下計算的觀測站的坐標(biāo)

表4 ITRF00框架下計算的觀測站的坐標(biāo)

表5 ITRF05框架下計算的觀測站的坐標(biāo):

從以上各表和圖中可以看出:在IT RF96和ITRF97中x坐標(biāo)分量相差(1 cm～3 cm),y坐標(biāo)分量相差(1 cm～2 cm),z坐標(biāo)分量相差在1 cm之內(nèi);在IT RF97和ITRF00中x坐標(biāo)分量相差(1 cm～2 cm),y坐標(biāo)分量相差(1 cm～2 cm),z坐標(biāo)分量相差在1.5 cm之內(nèi)。在IT RF00和ITRF05中x、y、z坐標(biāo)分量相差毫米級。ITRF96、ITRF00和IT RF05的中誤差幾乎相同,IT RF97的中誤差相對比較大些,所以ITRF96、IT RF00和ITRF05的精度基本相同,而且IT RF05解算的結(jié)果已達(dá)到毫米級的精度。

4 結(jié) 論

由于各IERS分析中心分析方法、觀測方法、數(shù)據(jù)處理精度方法的不斷提高和IGS永久站數(shù)量的增加,使得IT RF坐標(biāo)和速度解的質(zhì)量越來越高,根據(jù)最終結(jié)果建立的ITRF框架之間的差別越來越小,目前已到毫米級的精度。從算例中可以看出,在不同的IT RF框架下計算的結(jié)果也有所不同,但之間的差別不大。最新的IT RF參考框架下計算的結(jié)果已達(dá)到毫米級的精度,比以前的在ITRF下解算的精度有所提高。

[1] 李征航,黃勁松.GPS測量與數(shù)據(jù)處理[M].武漢:武漢大學(xué)出版社.2005.

[2] 徐天河.V LBI、SLR、GPS綜合數(shù)據(jù)處理與坐標(biāo)轉(zhuǎn)換若干問題研究[D].解放軍信息工程大學(xué),2001.

[3] 黨亞民,秘金鐘,成英燕.全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)原理與應(yīng)用[M].北京:測繪出版社,2007.

[4] Toma's Soler John Marshall.Rigorous transformation of variance-covariance matrices of GPS-derived coordinates and velocities[J].GPS Solutions,2002,5(6):76-90.

[5] Jan Kouba.THE GPS.TOOLBOX IT RF TRANSFORMATIONS[J].GPS Solutions,2002,5(3):88-90.

[6] T.A.Herring,R.W.King,S.C.Mc Clusky.Introduction to GAMIT/GLOBK Realease 10.3[M].Departement of Earth,Atmospheric,and Planetary Sciences Massachussetts Institute of Technology,2006.

[7] T.A.Herring,R.W.King,S.C.Mc Clusky.GLOBK Reference Manual Realease 10.3[M].Departement of Earth,Atmospheric,and Planetary Sciences Massachussetts Institute of Technology,2006.