ITRF转换到CGCS框架的分析.docx

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ITRF转换到CGCS框架的分析

ITRF2000转换到CGCS2000框架的分析

于强;易长荣;占惠

【摘要】为了利用现有GPS的1TRF2000解算成果获得CGCS2000坐标,介绍了框架转换的一些公式,并通过实例进行计算,分析了转换中的坐标变化规律和转换精度,最后对这种转换方法的适用性提出了一些建议.

【期刊名称】《全球定位系统》

【年（卷）,期】2009（034）005

【总页数】3页（P49-51）

【关键词】全球定位系统;ITRF2000CGCS2000框架转换;七参数

【作者】于强;易长荣;占惠

【作者单位】天津市控制地面沉降工作办公室,天津,300061;天津市控制地面沉降工作办公室,天津,300061;厦门地震勘测研究中心,福建,厦门,361021

【正文语种】中文

【中图分类】工业技术

ITRF2000转换到CGCS2000框架的分析于强1，易长荣1，占惠2（

1．天津市控制地面沉降工作办公室，天津300061；

2．厦门地震勘测研究中心，福建厦门361021）摘要：

为了利用现有GPS的ITRF2000解算成果获得CGCS2000坐标，介绍了框架转换的一些公式，并通过实例进行计算，分析了转换中的坐标变化规律和转换精度，最后对这种转换方法的适用性提出了一些建议。

关键词：

全球定位系统；1TRF2000CGCS2000框架转换；七参数中图分类号：

P224文献标志码：

A文章编号：

1008-9268（2009）05-0049-03引言我国于2008年7月1日开始启用2000国家大地坐标系‘11（ChinaGeodeticCoordinateSystem2000，CGCS2000），与经典的北京54和西安80大地坐标系相比，这种地心坐标系有利于采用现代空间测量技术建立精确的坐标系统并对其进行维护，能快速测定高精度大地控制点三维坐标并更新，从而提高测图工作效率。

CGCS2000由2000国家GPS大地网在历元2000.O的点坐标和速度具体实现，2000国家GPS大地网是由全国GPS-、二级网，国家GPSA、B级网和地壳运动观测网等在ITRF97框架下联合平差得到。

这些GPS站点广泛分布在全国范围内，都具有统一解算的CGCS2000坐标。

但是对于部分GPS站点而言，由于种种原因并未纳入到大地网的联合平差中去，它们是根据各自的应用需要单独解算的，多采用ITRF2000框架，得到的是ITRF2000框架下的坐标和速度。

特别是近几年，各省市的GPS网建设得到大规模的发展，分别用来为当地的测绘、地质和气象等研究服务。

如果充分利用好这些站点和现有的成果，作为测绘工作中的已知点使用，将大大简化CGCS2000的获取过程，不需要重新利用精密软件进行解算。

国家测绘局在颁布的《启用2000国家大地坐标系实施方案》中明确提到，各省市已建立的城市GPS控制网的地心坐标成果需转换到1TRF97框架2000.0历元，转换后的成果可作为2000国家大地坐标系下的坐标成果。

本文以5个GPS站点为例，探讨如何将ITRF2000框架下的坐标精确转换到CGCS2000中。

1框架转换如上所述，CGCS2000是在ITRF97框架下实现的，所以要将GPS站点的坐标从ITRF2000框架转换到ITRF97框架2000.O历元，其中涉及到框架内的历元转换、框架之间的转换，框架转换参数计算三个方面‘胡。

ITRF系列框架是根据各个时期建成的全球IGS测站建立和维持的，它们的坐标原点、坐标轴指向和尺度略有不同‘胡。

在同一历元下，不同框架间空间直角坐标的转换一般采用如下相似变换公式匡]。

一LIR+[季i1+D-R3R2R3D-Rl-R2RlD其中[XyZ]T和[XyZ]五分别是目标框架和原框架下的三维坐标，三个平移量（Tl，T2，收稿日期：

2009-06-16基金项目：

天津市水利局2009年度第一批科研项目（KY2009-18）2009.5／全球定位系统·49·于强1易长荣占惠2（1．2．厦门地震勘测研究中心，福建厦门361021）摘要：

为了利用现有GPS的ITRF2000解算成果获得CGCS2000坐标，介绍了框架转关键词：

全球定位系统；1TRF2000CGCS2000框架转换；七参数引言我国于2008年7月1日开始启用2000国家大地坐标系‘11（ChinaGeodeticCoordinateSystem地坐标系相比，这种地心坐标系有利于采用现代空间测量技术建立精确的坐标系统并对其进行维护，能快速测定高精度大地控制点三维坐标并更新，从而提高测图工作效率。

CGCS2000由2000国家GPS大地网是由全国GPS-、二级网，国家GPSA、B级网和地壳运动观测网等在泛分布在全国范围内，都具有统一解算的CGCS2000由于种种原因并未纳入到大地网的联合平差中去，它们是根据各自的应用需要单独解算的，多采用ITRF2000标和速度。

特别是近几年，各省市的GPS网建设得到大规模的发展，分别用来为当地的测绘、地质和气象等研究服务。

如果充分利用好这些站点和现有的成果，作为测绘工作中的已知点使用，将大大简化CGCS2000国家大地坐标系实施方案》中明确提到，各省市已建立的城市GPS控制网的地心坐标成果需转换到1TRF97框架2000.0历元，转换后的成果可1框架转换如上所述，CGCS2000是在ITRF97。

ITRF系列框架是根据各个时期建成的全球IGS测站建立和维持的，它们的坐标原点、坐标轴指向和尺度略有不同‘胡如下相似变换公式匡]LIR+[季i1+D-R3-Rl-R2其中[XyZ]T和[XyZ]五分别是目标框架和原框架下的三维坐标，三个平移量（Tl，T2，基金项目：

天津市水利局2009年度第一批科研项目（KY2009-18）2009.5／全球定位系统·49T3），三个旋转量（Rl，R2，R3）和框架之间的比例因子（D）称为七参数。

如表1所示，它是IERS公布的从ITRF2000转换到ITRF1997的七个转换参数，它们是通过全球分布的IGS核心站点估算得出的。

表lITRF2000转换到ITRF1997的参数┏━━━━━┳━━━━━┳━━━━━┳━━━━━━┳━━━━━━┳━━━━━┳━━━━━┳━━━━━┓┃参数┃Tl/（mm）T2/（mm）T3/（mm）Rl/（mas）R2/（mm）R3/（mm）D（10-9）┃┣━━━━━╋━━━━━╋━━━━━╋━━━━━━╋━━━━━━╋━━━━━╋━━━━━╋━━━━━┫┃数值6.76.1-18.5O1.55速率0．O-0.6-1.4O．020．Ol┃┗━━━━━┻━━━━━┻━━━━━┻━━━━━━┻━━━━━━┻━━━━━┻━━━━━┻━━━━━┛需要注意的是，七参数并不是固定的，表中列出的是在参考历元199

7．O下的数值，严格地说，在任一时刻的七参数需要考虑变化速率，根据公式

（2）计算。

T（t）=T（tk）+TX（t-tk）

（2）其中T（ti）是参考历元“的参数，T（t）是归算历元￡的参数，t是参数变化速率。

由于地壳运动的存在‘4]，GPS测站在框架内的位置随时间而变化，这种运动一般比较缓慢，近似匀速的。

当两个框架的历元不同时，需要先将框架的坐标按运动速度归算到一致的历元上来，类似公式

（2），某个历元的坐标计算公式是：

X（￡）一X（靠）+X×（t-tk）（3）动速率。

2实例分析以国内5个GPS站点为例，它们分别位于西部、中部和东部地区，通过各自的解算已知这些站点在ITRF2000框架下200

4．O历元的坐标和速度，如表2所示。

要归算到CGCS2000系统中，可先将已知坐标转换到2000．O历元，并计算此历元时两个框架转换的七参数，然后利用相似变化转换到ITRF97框架的坐标。

当然也可以先计算在2004.0历元时的转换参数，并将框架转换到ITRF97，但是下一步归算到2000.O历元的时候遇到麻烦，因为这些站点在ITRF97下的速度是未知其中X（t）和X（tk）分别是GPS站点在此框架中归的，只能根据周围的已知测站内插得到‘1]，所以采算历元￡和参考历元￡。

的坐标（三个分量），文是运用前面方法为宜。

表2GPS站点坐标/m和速度／（m/yr）┏━━━━━┳━━━━━━━━┳━━━━━━━┳━━━━━━━┳━━━━━┳━━━━┳━━━━┓┃站点xyzVxVyVz┃┣━━━━━╋━━━━━━━━╋━━━━━━━╋━━━━━━━╋━━━━━╋━━━━╋━━━━┫┃LHAS-106937.9935549269.5383139215.846-0.046-o．0070.012DQ01-1895039.9684931853.2313566874.920-0.029-0.016-0.018WUHN-2267749.3895009154.2713221290.678-0.033-o．008-0.012Do02-2217913.2354455186.6583975715.788-0.026-0.009-0.015SHAO-2831733.4834675665.9603275369.427-0.031-0.011-0.013┃┗━━━━━┻━━━━━━━━┻━━━━━━━┻━━━━━━━┻━━━━━┻━━━━┻━━━━┛将历元2004.O进行内插，利用公式（3）计算历元2000.O的坐标。

两个历元间的坐标差见表3中的坐标变化一。

表3转换中的坐标变化／（m）┏━━━━┳━━━━━━━━━━━━━━━┳━━━━━━━━━━━━━━━━┓┃站点坐标变化-（x，y，z）坐标变化二（x．y，z）┃┣━━━━╋━━━━━━━━━┳━━━━━╋━━━━━━━━━━━━━━━━┫┃O．1850.030-0.0480.0050.013-0.018┃┣━━━━╋━━━━━━━━━╋━━━━━╋━━━━━━━━━━━━━━━━┫┃O．1160.0640.0720.0020.012-0.017O．1320.0320.0480.0020.012-0.018DQ020.1080.0360.0600.0020.011-0.0160.1240.0440.052O.O010.011-0.018┃┗━━━━┻━━━━━━━━━┻━━━━━┻━━━━━━━━━━━━━━━━┛按公式

（2）计算出两个框架在历元2000.O的转换参数，并按此参数和公式

（1）进行相似变换即可得到最终的转换结果，相似变换前后的坐标差见表3中的坐标变化二。

从结果可以看出，在坐标换算的两个步骤中，历元差别对坐标分量的影响很大，可以达到18cm，而框架转换中的坐标分量差别·50．最大为2cm，所以，CGCS2000坐标精度要求为几cm级别时，其和ITRF2000框架下的坐标是一致的，只需要归算到2000.0历元，而无需做框架转换。

表3的结果还可以推算出，LHAS归算到统一历元后的坐标变化比其它站点大，相差约7cm左右。

这是由于我国大陆西部主要受印度板块持续俯冲和挤压的影响嘲，这种作用力在传递过程中被弹性地壳吸收一部分，地壳运动速率从西部到东部由大逐渐变小（如表2所示），所以相同的历元差引起的坐标变化在西南部地区大，东部地区小。

在以上5个点中，LHAS、WUHN和SHAO是IGS站点，在CGCS2000框架中的真实坐标可以根据ITRF公布的值得到，是已知的。

它们与本文转化出来的坐标分量差异（见表4所示）最大为6mm，可见转换结果是精确的。

GNSSWorldofChina/2009.5T3）三个旋转量（Rl，R2，R3）和框架之间的比例得出的。

表l转换到ITRF1997┏━┳┓┣╋┫-18.50O02Ol┗┻┛需要注意的是，七参数并不是固定的，表中列出的是在参考历元1997．O下的数值，严格地说，在任一时刻的七参数需要考虑变化速率，根据公式

（2）计算。

￡的参数，t是参数变化速率。

由于地壳运动的存在‘4]GPS测站在框架内的位置随时间而变化，这种运动一般比较缓慢，近似匀速的。

当两个框架的历元不同时，需要先将框架的坐标按运动速度归算到一致的历元上来，类似公式

（2），某个历元的坐标计算公式是：

动速率。

实例分析以国内5个GPS站点为例，它们分别位于西点在框架下2004．O历元的坐标和速度如表2所示。

要归算到CGCS2000系统中，可先将已知坐标转换到2000．O历元，并计算此历元时两个框架转换的七参数，然后利用相似变化转换到框架坐标。

当然也可以先计算在历元时转换参数并将只能根据周围的已知测站内插得到‘1]所以采算历元￡和参考历元￡。

的坐标（三个分量），文是运站点坐标/m和速度／（m/yr）-o007-0.029-0.016018033008-2217913.2350260152831733.4830110132000.O的坐标。

两个历元间的坐标差见表3中转换中的坐标变化／（m）1850.0300.0050.-0.0181160.0640720.002012-0.0171320.032048-0.0180.1080.036060-0.0160.1240.044052O.O01按公式

（2）计算出两个框架在历元2000.O的转换参数，并按此参数和公式

（1）进行相似变换即可得到最终的转换结果，相似变换前后的坐标差见中的坐标变化二。

从结果可以看出，在坐标换算的两个步骤中，历元差别对坐标分量的影响很大50换。

的结果还可以推算出，LHAS归算到统被弹性地壳吸收一部分，地壳运动速率从西部到东部由大逐渐变小（如表2所示），所以相同的历元差引起的坐标变化在西南部地区大，东部地区小。

在以上5个点中，LHAS、WUHN和SHAO是IGS站点，在CGCS2000公布的值得到，是已知的。

它们与本文转化出来的坐标分量差异（见表4所示）最大为6mm，可见转换结果是精确的。

WorldofChina/2009.5表4已知点坐标差异／（mm）┏━━━━┳━━━┳━━━━━━━━━━┳━━━┓┃┃┃坐标差值（X．y，Z）┃┃┣━━━━╋━━━╋━━━━━━━━━━╋━━━┫┃-63┃┣━━━━╋━━━╋━━━━━━━━━━╋━━━┫┃64l-3┃┗━━━━┻━━━┻━━━━━━━━━━┻━━━┛3结论与建议介绍了坐标转换中的一些公式，用实例说明如何利用现有的GPS测站ITRF2000成果得到CGCS2000坐标，并且比较了坐标转换中的变化量，具有很强的操作性。

从理论上来说，这种坐标转化的结果和直接用精密GPS处理软件得到的坐标是有差异的，但是这种差异应该在误差允许范围内，一般为几个mm级。

首先，由于1TRF97和ITRF2000框架分别是利用不同时期的数据和技术建立起来的‘3]框架中的IGS坐标本身存在一定偏差，将区域GPS站和ITRF建立联系时引入的误差不同，当然ITRF2000更加精确。

其次，测站的坐标和所描述的地壳运动速度是有误差的，导致推算到某个历元时误差会随之传播。

以ITRF2000解为例，1GS测站X分量的速度误差大都为3mm/yr左右，历元的插值精度很高。

而某些测站速度误差太大，有的甚至超过±10mm/yr，插值历元精度太低，则不宜用以上方法来进行转换，这为ITRF2000坐标能否通过历元和框架转换推算CGCS2000坐标提供了很好的评判标准。

参考文献[1]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．[2]姚宜斌．高精度GPS测量中坐标基准的统一方法研究[J]．地矿测绘，2001，

（2）：

3—5．[3]陈俊勇．国际地球参考框架2000（ITRF2000）的定义及其参数[J]．武汉大学报（信息科学版），2005，30（9）:

753-756[4]顾国华．参考框架、坐标变换和地壳运动[J]．测绘通报，2006，（8）：

24-27．[5]王琪，张培震等，中国现今地壳运动与构造变形J]．中国科学（D辑），2001，31（7）:

529-53

6．AnalysisonTransformationfromITRF2000toCGCS2000YUqiang',YIChang-rong',ZHANhui2（1.TianjinLandSubsidenceControllingOffice,Tianjin300061China;2.XiamenResearchCenterofSeismologySurvey,Xiamen361021China）Abstract:

ToacquirethecoordinatesonthebasisofthecurrentGPSsolutiononITRF2000,someformulasaboutITRFtransformationareintroduced.ThenthreeGPSpointsaredem-onstratedtoshowtheprocessingandcoordinatesdifference.Finally,theprecisionandapplicabilityforthismethodisdiscussed.Keywords:

GPS;ITRF2000;;transformation;sevenparameters于强（1979-）,男,天津市人,工程师,主要从事地面沉降监测工作2009.5／全球定位系统·51·4已知点坐标差异／（mm）结论与建议何利用现站成果量具有很强的操作性。

从理论上来说，这种坐标和框架分别是利用不同时期本身存在一定偏差，将区域GPS站和ITRF建立联系时引入的误差不同，当然ITRF2000更加精确。

其次，测站的坐标和所描述的地壳运动速度是有误差的，导致推算到某个历元时误差会随之传播解为例，1GS测站X分量的速度误差大都为3mm/yr左右，历元的插值精度很高。

而某些测站速度误差太大，有的甚至超过±10mm/yr，插值历元精度太低，则不宜用以上方法来进行转换，这为ITRF2000坐标能否通过历元和框架转换推算CGCS2000标准。

参考文献[1]魏子卿．2000[3]