毫米级地球参考框架动态维持技术研究进展

毫米级地球参考框架的实现需要毫米级的动态维持技术。目前的动态维持技术主要有基于线性速度的线性维持技术、综合考虑基准站非线性运动和地心运动的非线性维持技术以及历元参考框架技术。首先简要总结了线性维持技术的发展现状,从影响机制和坐标时间序列两个角度,围绕坐标非线性变化的建模方法,重点梳理了非线性维持技术的研究进展;然后对历元参考框架的实现过程及其在参考框架维持中的应用进行了介绍;最后基于对现状的分析,提出了实现毫米级地球参考框架动态维持需要解决的几个关键问题。     

CGCS2000参考框架维持、更新理论与方法研究

正全球坐标参考框架是发展全球卫星导航系统最具重要性的基础设施之一,随着我国北斗卫星导航定位系统全球化应用,对CGCS2000参考框架维持、更新理论与方法提出了新需要。在动态地球的客观环境中维持我国地心坐标参考框架精确性、动态性、稳定性是我国现代时空基准体系建设的重要组成部分,也是我国社会发展、生态文明、智慧社会和国防建设的重要基础。     

基于多技术全球参考框架的维持及应用分析

全球基准从参与构建框架的方式来说分为长期框架和短期框架(历元框架),由于框架点运动的非线性特性,长期框架构建的基准无法描述毫米级地球表面运动,常会采用短期框架来描述。短期框架实现时严格说应该保证空基(卫星轨道)和地基(ITRF、IGS)的一致性,再者,空间大地测量技术综合框架与单一技术基准在构建和维持上同样存在差异,这些不一致都将导致地面站坐标表达的差异。不同时期长期框架维持差异性及精度也是我国框架维持需考虑的问题,该文就以上各类框架构建策略不同对实际点位的影响进行了比较分析并给出结论,供我国高精度基准建设参考。     

毫米级地球参考框架的建立方法与展望

地球参考框架是地理空间数据基础设施的重要组成部分。地球参考框架的不断完善为人类更好地认知地球提供了技术基础。随着空间大地测量等技术的发展以及地球科学及相关学科间的渗透交叉融合,建立顾及基准站非线性变化的毫米级地球参考框架已经成为可能。首先,探讨了毫米级地球参考框架的定义及建立的必要性,阐述了地球参考框架的研究进展;然后,提出了顾及基准站非线性变化的毫米级地球参考框架的构建方法;最后,围绕解决建立毫米级地球参考框架的几个关键问题进行了展望。     

利用北斗系统建立和维持国家大地坐标参考框架的方法研究

2000中国大地坐标系统（China Geodetic Coordinate System 2000,CGCS2000）的建立和维持主要依赖于GPS技术,不利于保障国家时空信息安全。中国北斗卫星导航系统（BeiDou navigation satellite system,BDS）提供亚太区域服务,可满足中国及周边地区高精度定位导航应用需求,对建立和维持国家大地坐标参考框架具有重要意义。研究利用已建成的北斗基准站网观测数据,实现基于BDS技术、并与国际地球参考框架（International Terrestrial Reference Frame,ITRF）一致的国家大地坐标参考框架,为今后国家级和全球性北斗坐标参考框架（BeiDou Terrestrial Reference Frame,BTRF）的建立和维持提供理论基础和方法支撑。初步计算结果表明,积累2 a以上的观测数据,利用单独BDS数据可以获得与GPS精度相当的水平速度场,精度约为2~3 mm/a。基于单独BDS数据,测站残差平面和高程的重复性分别可优于0.8 cm和1.7 cm。利用BDS数据已可监测到测站高程方向的季节性变化。此外,还对单独BDS与GPS数据计算的坐标可能存在的与经纬度相关的系统误差进行了分析。总体来说,目前的北斗系统可满足建立和维持中国cm级大地坐标框架的需求。     

利用单北斗卫星导航系统建立高精度区域坐标框架的研究与实践

当前区域高精度坐标框架建立严重依赖GPS，利用我国自主研发的北斗卫星导航定位系统（BDS）建立高精度地球参考框架具有重要的战略和现实意义。本文采用基于非差观测值的非差处理模式，单独利用常州基准站（CZCORS）的BDS数据，建立了高精度常州市域坐标框架。将基于单北斗获得的CGCS2000坐标成果与GPS结果进行了比较，两者差异较小，平面和高程方向的平均RMS值分别为3.1和4.2 mm。结果表明，单独使用北斗建立区域参考框架可以满足工程建设的需求，这为北斗系统的推广应用提供了重要的参考依据。     

国际地球参考框架建立与维持的研究进展

针对现代大地测量学对毫米级国际地球参考框架的需求,该文简单回顾了国际地球参考框架的发展概况,系统地介绍了国际地球参考框架建立方法及基准约束的演变情况;在此基础上,详细阐述了两种国际地球参考框架维持方法,即线性模型和非线性模型维持方法的框架点坐标位移模型改进情况、地球质心运动模型改进情况,及监测网和并置站的布设情况;最后,给出了国际地球参考框架的改进计划,指出了动态实时维持是下一步的研究重点,对参考框架维持方法的研究具有一定的参考价值。     

高精度国际地球参考框架的研究进展

针对地球动力学等对毫米级国际地球参考框架的需求,介绍了国际地球参考框架的最新研究进展,探讨了现今顾及测站非线性运动的国际地球参考框架的局限性,并在毫米级国际地球参考框架建立的方法和技术改进方面提出了一些见解,对高精度国际地球参考框架的实现具有一定的参考价值。     

一种适用于CGCS2000坐标框架的多源数据融合方法

针对单一的GPS技术并不能准确地确定地球质心,无法真正地实现地心坐标参考框架,为了满足CGCS2000坐标框架对高精度地球质心和高精度尺度基准的需求,未来的CGCS2000坐标框架将是多源空间大地测量技术融合的组合框架,该文提出了一种适用于CGCS2000坐标框架,并基于GPS、VLBI、SLR等大地测量技术的数据融合方法,利用该方法进行多源大地测量观测数据融合得到组合坐标框架,将得到的结果与ITRF综合解进行比较。结果表明:GPS、VLBI、SLR测站各方向坐标平均误差值约20mm,速度场各方向平均误差约1mm/a,水平方向速度场误差小于垂直方向速度场误差,误差较大的测站多居于板块分界带及其边缘。基于实验结果表明,该方法可以满足CGCS2000坐标框架对多源数据融合的要求。     

我国CGCS2000坐标框架与全球ITRF2008框架的融合研究

基于我国现有CGCS2000地心坐标框架及国际上现行的ITRF2008坐标参考框架,总结了我国区域坐标框架与国际坐标框架的融合方法,并利用陆态网络2015年计算的精密结果进行了验证。研究结果表明,强制约束法能实现中国区域框架与全球坐标框架的融合,而参数转换法及框架转换能实现两类坐标框架的相互融合;参数转换法可很好地解决区域CGCS2000框架与全球框架的融合,其转换精度与现有CGCS2000框架的精度高度相关;框架转换法能实现区域CGCS2000框架与全球框架的融合,但其与框架点解算的速度场精度高度相关,如果要进行高精度框架维持,框架点计算的速度场精度必须可靠。     

Present-day crustal deformation in China relative to ITRF97 kinematic plate model

 A global plate motion model is established based on the ITRF97 velocity fields and geological model NUVEL1. Sub-plate models are estimated by using the velocity fields derived from 45 global positioning system (GPS) sites under the ITRF97 reference frame in China. Comparisons between space geodesy and geological models are given. It is found that the Euler vector of the AFRC–EURA pair has an obvious discrepancy between space geodetic and geological models. The motion patterns of tectonic blocks in China predicted by GPS are consistent with those of geological data on the whole. Received: 9 November 2000 / Accepted: 17 September 2001     

ITRF2008与CGCS2000坐标系的转换

由于当前精密星历所对应解算的ITRF框架坐标为ITRF2008参考框架,而在1∶10 000基础测绘生产项目要求提供CGCS2000坐标系成果,论述了ITRF2008到CGCS2000间的框架转换的方法及转换后精度分析,并重点分析了转换的关键性问题。     

ITRF2000和新的全球板块运动模型

地学工作者一直关注的ITRF2000地球参考框架初步结果已于2001年3月19日公布，ITRF2000综合了VLBI、SLR，LLR，GPS和DORIS技术，产生736个点位坐标和54个核心站，文中介绍了ITRF2000，并利用ITRF2000综合解的结果计算全球板块的欧拉矢量，建立了基于空间实测数据基础 的最新全球板块运动模型。     

ITRF2000框架坐标转换到ITRF1997框架下的研究与应用

在随着2000国家大地坐标系在全国不断推广与应用,将ITRF2000框架下的坐标转换到CGCS2000框架时,需先转换到ITRF1997框架下。本文采用布尔沙-沃尔夫模型对基于不同基准的两框架之间进行坐标转换,设计了七参数求解程序,并通过实例分析验证其准确性和可靠性。     

基于全球板块运动模型分析大西洋扩张变化

基于现代空间测量技术SLR、VLBI和GPS实测资料，解算出大西洋中脊海底扩张速率，其中北大西洋的东西向扩张速率平均为35mm/a，赤道大西洋东西向扩张速度分别为20－25mm/a，南大西洋东西向扩张速率为22－28mm/a，证实全球板块运动的存在及大西洋扩张学说，并基于全球几百万年地质模型NNR－NUVEL1A，北大西洋的东西向扩张速率平均为24．3mm/a，基于最新全球板块运动模型ITRF2000VEL，北大西洋的东西向扩张速率平均为20．8mm/a，总体上大西洋实测东西扩张速度与根据地学资料推出的地球板块运动模型和最新ITRF2000VEL模型的结果基本一致。     

CGCS2000板块模型构建

基于中国地壳运动观测网络2001—2010年跨度长达10年的观测数据,采用基准优选、变异点数据分段处理等策略,计算获得ITRF2005框架下高精度速度场。同时针对国际上现有的NNR NUVEL1A、APKIM2005、PB2002等板块模型在中国区域适应性差,基于中国地质构造特性及实际速度场解算结果,构建了中国20个二级板块模型CPM-CGCS2000。采用本文提出的用板块模型参数将站点归算至CGCS2000的方法对板块模型进行外部检核,并用此方法验证所建的二级块体模型,精度可达2～3 cm。与国际上现有比较成熟的速度场模型———ITRF2005、APKIM2005、PB2002、NUVEL1A及国内文献[1—2]的板块模型进行的比较表明,CPM-CGCS2000板块模型实际精度优于目前现有的模型。     

不同定位模式下CGCS2000坐标确定及精度分析

阐述了ITRF参考框架向CGCS 2000坐标变换的基本原理,分析了速度场对转换精度的影响。通过比较不同定位模式下CGCS 2000坐标计算结果,证明了采用相对定位和绝对定位进行CGCS 2000坐标定位的可行性。试验结果表明:精密单点定位通过坐标转换可以达到与相对定位同等精度的CGCS 2000坐标;在转换过程中,测站速度的精度直接影响了CGCS 2000坐标的精度,在我国范围内可使用陆态网络提供的速度场模型进行转换。     

Assessment of the possible contribution of space ties on-board GNSS satellites to the terrestrial reference frame

The realization of the international terrestrial reference frame (ITRF) is currently based on the data provided by four space geodetic techniques. The accuracy of the different technique-dependent materializations of the frame physical parameters (origin and scale) varies according to the nature of the relevant observables and to the impact of technique-specific errors. A reliable computation of the ITRF requires combining the different inputs, so that the strengths of each technique can compensate for the weaknesses of the others. This combination, however, can only be performed providing some additional information which allows tying together the independent technique networks. At present, the links used for that purpose are topometric surveys (local/terrestrial ties) available at ITRF sites hosting instruments of different techniques. In principle, a possible alternative could be offered by spacecrafts accommodating the positioning payloads of multiple geodetic techniques realizing their co-location in orbit (space ties). In this paper, the GNSS–SLR space ties on-board GPS and GLONASS satellites are thoroughly examined in the framework of global reference frame computations. The investigation focuses on the quality of the realized physical frame parameters. According to the achieved results, the space ties on-board GNSS satellites cannot, at present, substitute terrestrial ties in the computation of the ITRF. The study is completed by a series of synthetic simulations investigating the impact that substantial improvements in the volume and quality of SLR observations to GNSS satellites would have on the precision of the GNSS frame parameters.     

ITRF2005参考框架的综合探讨

对近年来精度高、应用较多的国际地球参考架ITRF2005做了简单概述,指出了ITRF2000与ITRF2005之间在解的生成、基准的定义和实现等方面的不同。此外,ITRF2005除了包含作为参考框架体现的站点坐标和速率之外,还包含一起参与联合处理的地球定向参数：极移、极移速率、日长、UT1的时间序列[1]。重点阐明ITRF2005的实现的基本情况及其相对于ITRF2000所作改进的理由和合理性。