ITRF转换到CGCS框架的分析.docx

1、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;ITRF2000 CGCS2000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,3

2、00061;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

3、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

4、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

5、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

6、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

7、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-R3 R2 R3 D-Rl-R2 Rl D其 中XyZT 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

8、 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

9、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

10、 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XyZT 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)

11、 ， 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 6.7 6.1 -18.5 O 1.55速率 0 O -0.6 -1.4 O 02 0 Ol 需要注意 的是

12、， 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 。 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

13、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 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ITRF97框 架 的 坐 标 。 当然 也 可 以 先 计 算 在 2004.0历 元 时 的

14、 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 x y z Vx Vy Vz LHAS-106937. 9935549269. 5383139215. 846 -0.046-o 007 0.012 DQ01-

15、1895039. 9684931853. 2313566874. 920 -0.029-0.016-0.018 WUHN-2267749. 3895009154. 2713221290. 678 -0.033-o 008-0.012 Do02-2217913.2354455186. 6583975715. 788 -0.026-0.009-0.015 SHAO-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

16、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 1160.064 0.0720.0020.012- 0.017 O 1320.032 0.0480.0020.012-0.018 DQ02 0.1080.036 0.0600.0020.011- 0.016 0.1240.044 0.052O.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

17、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

18、 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

19、是精确 的 。 GNSS Worldof China/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 - 18.5 0O02Ol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 4GPS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

20、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） ，

21、文 是运站点坐标/m 和速度 (m/yr)-o007 -0. 029-0. 016 018 033008- 2217913. 235 026 015 2831733. 483 011 0132000.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)185 0.0300.005 0. - 0.018116 0.064 0720.002 012 - 0.017132 0.032 048 -0.018 0.108 0.036 060 - 0.016 0.124 0.044 052O.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

22、 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

23、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 。 Worldof China/2009.5表 4 已 知 点坐标差异 ( mm) 坐标差值(X y ，Z) -6 3 6 4 l-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

24、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 3

25、mm/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

26、) 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) ：24-275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):529-536 Analysis on TransformationfromITRF2000toCGCS2000 YU qiang,YIChang-rong, ZHANhui2(1.TianjinLandSubsidenceControllingO ffice,Tia

27、njin300061China; 2.XiamenResearchCentero f SeismologySurvey,Xiamen361021China) Abstract: Toacquirethe coordinates onthebasisofthecurrentGPS solutionon ITRF2000,some formulas aboutITRFtransformationareintroduced.ThenthreeGPSpointsaredem- onstratedtoshowtheprocessingandcoordinatesdifference.Finally,th

28、eprecisionandapplicability for this methodis discussed. Keywords:GPS;ITRF2000; ; transformation; seven parameters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