2000國家大地坐標(biāo)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換方法探討

黎鵬　何雯　羅曄

摘要：基于2000國家大地坐標(biāo)系的定義，探討利用待測點(diǎn)數(shù)據(jù)與ICS站點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行組網(wǎng)解算平差后得到ITRF2008框架瞬時(shí)坐標(biāo)，通過動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換計(jì)算出待測點(diǎn)的2000國家大地坐標(biāo)系坐標(biāo)，并通過實(shí)例驗(yàn)證該方法的可行性。結(jié)果表明：該方法求取坐標(biāo)精度可達(dá)3cm，符合規(guī)程規(guī)定的2000國家大地坐標(biāo)GPS控制網(wǎng)點(diǎn)位坐標(biāo)精度，并可提高外業(yè)觀測的靈活性和便利性。

關(guān)鍵詞：2000國家大地坐標(biāo);動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換;IGS;ITRF2008框架

中圖法分類號：P226.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.07.007

1研究背景

2000國家大地坐標(biāo)系（以下簡稱“CGCS2000坐標(biāo)系”）是我國新一代大地坐標(biāo)系，按照《國土資源部國家測繪地理信息局關(guān)于加快使用2000國家大地坐標(biāo)系的通知》（國土資發(fā)[2017]30號）要求，2018年6月底前完成全系統(tǒng)各類國土資源空間數(shù)據(jù)向2000國家大地坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換，2018年7月1日后自然資源系統(tǒng)將全面使用2000國家大地坐標(biāo)系。涉及到空間坐標(biāo)的報(bào)部審查和備案項(xiàng)目，全部采用2000國家大地坐標(biāo)系。2018年7月1日起不再接受非2000系上報(bào)的項(xiàng)目報(bào)件。由此可以預(yù)見，CGCS2000坐標(biāo)在實(shí)際中的應(yīng)用將會(huì)越來越廣泛。因此，在實(shí)際生產(chǎn)中獲取高精度CCCS2000坐標(biāo)十分重要。

CCCS2000坐標(biāo)系是全球地心坐標(biāo)系在我國的具體體現(xiàn)，其定義與國際地球參考系（ITRS）的定義一致。ITRS是目前國際上最精確、最穩(wěn)定的全球性地心坐標(biāo)系，國際地球參考框架（ITRF）是一個(gè)地心四維坐標(biāo)參考框架，是ITRS的具體實(shí)現(xiàn)，由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，通過下載GPS站點(diǎn)觀測數(shù)據(jù)可與測量點(diǎn)組成同步觀測網(wǎng)。CCCS2000坐標(biāo)系以ITRF97參考框架為基準(zhǔn)，參考框架歷元為2000.0。在定義上，CCCS2000與WCS84是一致的，即關(guān)于坐標(biāo)系原點(diǎn)尺度、定向及定向演變的定義都是相同的。WCS84坐標(biāo)系與ITRF框架相對應(yīng)，如：WGS84（G1150）對應(yīng)ITRF2000，WCS84（G1674）對應(yīng)ITRFO8。但因?yàn)镃CCS2000坐標(biāo)系的坐標(biāo)定義在2000.0歷元，因此不同時(shí)間定位得到的WCGS84坐標(biāo)不是嚴(yán)格意義下的CGCS2000坐標(biāo)。

CCCS2000坐標(biāo)的獲取是通過與國家高等級控制點(diǎn)聯(lián)測求取或?qū)崟r(shí)動(dòng)態(tài)定位等方法實(shí)現(xiàn)，但這些方法大多依賴國家控制點(diǎn)或者差分信號，在實(shí)際生產(chǎn)中存在一定的局限性。本文主要探討一種在沒有已知點(diǎn)和差分信號的情況下，將待測點(diǎn)與IGS站組網(wǎng)解算得到的高精度坐標(biāo)，通過動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換獲取2000國家大地坐標(biāo)的方法及其在實(shí)際工程應(yīng)用中的可行性。

2動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換方法

用高精度GNSS定位軟件處理后得到的各站點(diǎn)坐標(biāo)與觀測時(shí)刻衛(wèi)星星歷定義的基準(zhǔn)一致，衛(wèi)星在不同時(shí)間段采用不同ITRF框架。據(jù)CCCS2000定義，可將測時(shí)某特定框架坐標(biāo)下瞬時(shí)坐標(biāo)經(jīng)過動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)。步驟如下：

（1）通過待求點(diǎn)外業(yè)靜態(tài)測量數(shù)據(jù)與ICS站觀測數(shù)據(jù)組網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，獲取待求點(diǎn)某特定框架下的瞬時(shí)坐標(biāo);由于組網(wǎng)基線均為長基線，為了保證結(jié)果的可靠性，一般使用GAMIT/CLOBK等軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

（2）利用當(dāng)前坐標(biāo)框架和目標(biāo)框架（ITRF1997）之間的轉(zhuǎn)換參數(shù)進(jìn)行框架轉(zhuǎn)換，獲取待求點(diǎn)ITRF1997框架下當(dāng)前歷元坐標(biāo)。采用布爾莎七參數(shù)模型進(jìn)行相似變換，轉(zhuǎn)換公式如下：

式中，X瞬時(shí)、Y瞬時(shí)、Z瞬時(shí)為步驟（1）中求取的當(dāng)前坐標(biāo)框架和歷元下的坐標(biāo)值;X、Y、Z為ITRF1997框架下當(dāng)前歷元的坐標(biāo)值;T、T，、T為3個(gè)平移參數(shù);R、R、R為3個(gè)旋轉(zhuǎn)參數(shù);D為尺度參數(shù)。以上7個(gè)參數(shù)及其速度值可在ITRF網(wǎng)站查詢。對于不同歷元，還應(yīng)將7個(gè)轉(zhuǎn)換參數(shù)根據(jù)相應(yīng)的速度值進(jìn)行歷元轉(zhuǎn)換：

P（t）=P（EPOCH）+P（t-EPOCH）

式中，P（EPOCH）為已知?dú)v元（一般為2000.0）時(shí)刻的某一轉(zhuǎn)換參數(shù)，可在ITRF網(wǎng)站上查詢到相應(yīng)的數(shù)值;p為轉(zhuǎn)換參數(shù)P的速率值。

（3）使用當(dāng)前測點(diǎn)的速度值進(jìn)行歷元換算，將ITRF1997框架下的瞬時(shí)坐標(biāo)歸算到2000.0歷元，得到最終CCCS2000坐標(biāo)。使用下式（3），利用坐標(biāo)速度k將坐標(biāo)由歷元t歸算到2000.0。

式中，Cr20000為轉(zhuǎn)換后為2000.0歷元下的坐標(biāo)值;C;為當(dāng)前歷元下的坐標(biāo)值;t為當(dāng)前歷元;Vc為坐標(biāo)速度值。

在這一過程中，獲取高精度速度值Vc是關(guān)鍵。速度值的求取方法主要有歐拉矢量法、格網(wǎng)平均值法、多面函數(shù)法等。目前，對于區(qū)域站精度較高的方法為局域歐拉矢量法內(nèi)插速度，但需要連續(xù)站點(diǎn)數(shù)據(jù)以及軟件支持，使用難度較大。因此，本文推薦使用魏子卿2提出的格網(wǎng)平均值法，其結(jié)果已按3*x3°格網(wǎng)以表格形式列出，可直接查詢，使用精度相對較高，站位速度誤差統(tǒng)計(jì)值達(dá)到+2.61mm/ao部分格網(wǎng)平均速度見表1。

由以上分析可總結(jié)出動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換的一般過程，流程見圖1。

3轉(zhuǎn)換實(shí)例

本文以位于某省的3個(gè)已知點(diǎn)X001、X002、X003在2017年5月23日觀測數(shù)據(jù)為例，采用周邊的13個(gè)IGS測站（airabjfs、daeji、guam、hyde、iisc、kit3lhazntus、pimo、pol2、shao、urum）參與解算。計(jì)算過程中，當(dāng)前歷元取觀測時(shí)段平均值為2017.393。已知坐標(biāo)見表2，使用GAMIT進(jìn)行基線解算，GLOBK進(jìn)行網(wǎng)平差。

網(wǎng)平差后獲得的所有站點(diǎn)ITRF2008框架在2017.393歷元下的坐標(biāo)值見表3。

將平差后的坐標(biāo)根據(jù)ITRF網(wǎng)站查詢到的參數(shù)進(jìn)行框架轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換參數(shù)見表4。此過程可實(shí)現(xiàn)在.2017.393歷元下將坐標(biāo)由ITRF2008框架轉(zhuǎn)換至ITRF97框架。

框架轉(zhuǎn)換后得到ITRE97框架下2017.393歷元下的坐標(biāo)結(jié)果，采用魏子卿！一》提供的中國大陸39x3°格網(wǎng)平均速度進(jìn)行歷元換算，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換輸人數(shù)據(jù)見表5，轉(zhuǎn)換結(jié)果見表6。

考慮到通常使用的坐標(biāo)為平面坐標(biāo)，將轉(zhuǎn)換結(jié)果與已知坐標(biāo)均投影到平面進(jìn)行對比，結(jié)果見表7。

從轉(zhuǎn)換過程可以發(fā)現(xiàn)，不同坐標(biāo)框架之間坐標(biāo)的差值相對較小，均在厘米級，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換前后的差值主要發(fā)生在對坐標(biāo)進(jìn)行歷元轉(zhuǎn)換的過程中34。尤其在長時(shí)間跨度的計(jì)算中，對坐標(biāo)值的影響達(dá)到了亞米級，因此站點(diǎn)速度值的精度就顯得尤為重要[5-6]。從計(jì)算結(jié)果可以看出，，投影后平面坐標(biāo)結(jié)果精度整體優(yōu)于大地高結(jié)果。根據(jù)《大地測量控制點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換技術(shù)規(guī)程》規(guī)定，2000國家大地坐標(biāo)GPS控制網(wǎng)點(diǎn)位坐標(biāo)精度為0.03m，轉(zhuǎn)換得出的平面坐標(biāo)點(diǎn)位精度符合精度要求。這說明，采用此方法在一定條件下可以獲取高精度2000國家大地坐標(biāo)成果。但大地高精度仍有待進(jìn)一步提高，其中X001差值最大，主要原因可能是：①x001站的觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量較差、觀測歷元較短;②基線解算和網(wǎng)平差存在誤差;③歷元轉(zhuǎn)換中的速度精度不高，在長時(shí)間跨度的歷元轉(zhuǎn)換中，坐標(biāo)絕對精度會(huì)降低。參考中國大陸I級活動(dòng)塊體劃分，該區(qū)域位于魯東黃海塊體與華南塊體交接地帶，其地殼運(yùn)動(dòng)整體向東偏南方向，年速率在厘米級，可能對結(jié)果有影響;④ITRF框架轉(zhuǎn)換參數(shù)速度是常數(shù)，在長時(shí)間跨度下是否會(huì)存在變化有待考證。

4結(jié)語

通過將測區(qū)內(nèi)待測點(diǎn)與ICS站組網(wǎng)使用GAMIT/GLOBK軟件解算平差得到的空間坐標(biāo)進(jìn)行動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換，得到的2000國家大地坐標(biāo)在一定條件下能夠達(dá)到國家GPS大地控制網(wǎng)點(diǎn)精度。這種方法不依賴于國家控制點(diǎn)便可獲得工作區(qū)域內(nèi)較高精度的CGCS2000大地坐標(biāo)，也可用于長期維持一般測區(qū)的坐標(biāo)系統(tǒng)，對于測區(qū)附近缺少控制點(diǎn)的區(qū)域也十分有益。此類方法僅需少量儀器甚至單臺(tái)儀器便可施測，待求點(diǎn)不需要同步觀測，大大提高了外業(yè)觀測的靈活性和便利性。目前，該方法的可靠性仍有待進(jìn)一步驗(yàn)證，為了保證其精度，需要進(jìn)一步優(yōu)化外業(yè)觀測流程，提高數(shù)據(jù)處理手段，整個(gè)流程較為復(fù)雜且需要較長時(shí)間的靜態(tài)觀測。另外，站點(diǎn)速度在長時(shí)間跨度的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換中十分關(guān)鍵，精度仍有待進(jìn)一步提高。參考文獻(xiàn)：

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（編輯：李慧）