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。     

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。     

我国毫米级框架实现与维持发展现状和趋势

主要从技术实现和维持方面讨论了我国CGCS2000框架与当前ITRF框架的不同。随着空间技术的进步,特别是我国自主的北斗卫星第三代卫星将实现信号的全球覆盖,发展以北斗卫星为主的毫米级全球基准将是我国基准发展的未来目标。毫米级站点坐标涉及两个因素:一是地球质心变化反演;二是站点的非线性运动建模。本文就国际上采用的地心反演方法进行了讨论、分析、比较。非线性运动建模部分重点介绍了奇异谱非线性建模技术,此方法相比地球物理效应分析建模方法有很明显的优势,可为我国CGCS2000框架点非线性运动维持提供依据。     

多普勒系统对历元地球参考框架的影响研究

针对历元地球参考框架在确定站点高频非线性运动和季节性变化方面具有国际地球参考框架不具备的优势问题,该文通过比较两种技术间组合策略建立的多源融合历元地球参考框架的精度,研究DORIS对于多源融合历元地球参考框架的影响。通过基于坐标的法方程叠加方法进行技术内法方程叠加和技术间组合,并利用并置站条件联系不同技术的法方程,从而建立多源融合历元地球参考框架。结果表明,DORIS的引入并不会对多源融合历元地球参考框架的基准定义或其他3种技术站点的点位精度产生较大的影响,同时能够体现4种技术中精度较差的DORIS对于ETRF的精度及稳定性的影响。     

大地测量坐标框架建立的进展与思考

坐标框架是描述地球形状及变化、表达地球空间信息的基础,也是拓展人类活动、促进社会发展的关键地球空间信息基础设施。随着空间大地测量观测技术的发展,地球科学及相关学科间的交叉渗透融合,利用其建立全球或区域坐标框架成为当前大地测量的主要任务。研究建立1毫米级坐标框架是国际大地测量学界21世纪的学科目标和重要挑战。本文以当前建立理论最完善、应用最广泛、精度最高的国际地球参考框架为例,描述了基于空间大地测量观测技术的坐标框架建立方法,阐述了全球及区域地心坐标框架建设的最新进展及局限性,最后针对建立1毫米级坐标框架的几个关键问题提出了研究思路。     

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。     

论地球参考框架的维持

地球参考框架的维持,是指给出随时间变化的框架点坐标.一般有两种形式,即给出速度模喇或坐标时问序列.全球参考框架(主要指ITRF)的维持小断趋于完善,区域参考框架一般足指对ITRF的加密.由于区域参考框架的维持上要是通过GPS技术建市CORS网来实现的,因而对IGS实现和维持的参考框架作简要介绍.讨论Ⅸ域参考框架维持的两种技术途径,并对我围地球参考框架的维持提出儿点看法.     

ITRF参考框架与CGCS2000坐标转换方法及分析

参考框架作为参考系统的具体实现,是某一历元坐标和速度的体现。对于高精度的GNSS测量,必须使用精密星历进行解算,而不同的精密星历产品是基于某参考历元t和特定参考框架的,因而最终数据解算结果也是某ITRF框架、历元t的三维坐标;IERS目前公布了多个ITRF框架,2000国家大地坐标系是基于ITRF97框架、历元2000.0。要将GNSS数据解算成果转化至CGCS2000坐标系下,需要考虑框架和历元转换的综合影响;本文探讨了ITRF参考框架与CGCS2000坐标转换方法,并给出具体的应用案例,可为实际应用提供参考。     

GNSS坐标时间序列分析理论与方法及展望

长期累积的全球卫星导航系统（Global Navigation Satellite System,GNSS）基准站坐标时间序列为大地测量学及地球动力学研究提供了基础数据。通过完善GNSS数据处理模型及策略,研究造成非线性运动的机制并进行有效建模,可以获得测站准确的位置和速度,不仅有助于合理解释板块构造运动,建立和维持动态地球参考框架,而且能更好地研究冰后回弹及海平面变化,反演冰雪质量变迁等地球动力学过程。首先从基准站坐标的精确获取、时间序列模型构建、时间序列信号分析等方面描述了GNSS坐标时间序列分析的理论与处理方法;其次,探讨了坐标时间序列噪声模型构建技术,给出了严密三维噪声模型构建方法;然后,疏理了坐标时间序列中非线性变化成因机制的研究进展;最后,总结了基于GNSS坐标时间序列的应用领域,并展望了其未来的发展方向。     

坐标参考框架长期解内约束模型

地球参考框架是一切测绘活动、地球科学研究的物理基础。目前,地球参考框架常采用长期解的形式,即利用一组全球分布的基准站在某一参考历元的坐标和速度来表示。由于观测有误差,且各基准站又具有非线性变化,故需要对不同历元的瞬时地球参考框架进行累积,形成稳定的长期参考框架。以不同历元观测数据得到的瞬时参考框架成果为输入,构建了一种基于多历元观测数据建立参考框架长期累积解的融合模型。从坐标转换模型和测站坐标的时变模型出发,详细推导了建立长期解的函数模型,依据该函数模型的秩亏数设计了转换参数的内约束基准。采用2010-08—2014-12的国际全球导航卫星系统服务第2次处理结果进行试算,并与国际地球参考框架2014成果进行了对比。结果表明,X、Y、Z方向标准偏差分别为3.45 ?mm、4.04 mm、2.84 mm,速度精度分别为1.53 mm/a、1.46 mm/a、1.21 mm/a,X、Y、Z方向的加权均方根误差优于3 ?mm。     

顾及时变的参考框架转换研究

在传统的大地坐标参考框架转换中,参考点都被固定在同一个历元。由于各种地球动力学现象的存在,以大地测量为目的的静态参考系统已不存在,同时随着高精度参考框架的连续观测和测定,参考框架的转化必须顾及时变性。本文讨论了时变参考框架转换中2个互逆的过程,采纳了相似转换中参考点之间的内在约束来克服转换中人为的公式简化和秩亏问题。通过数值计算分析,该方法成功实现了坐标框架之间的转换,并保持了尺度、旋转和平移参数及其变化率精度的独立性。     

Concepts for reference frames in geodesy and geodynamics: The reference directions

Modern high accuracy measurements of the non-rigid earth are to be referred to four-dimensional, i.e., time- and space-dependent reference frames. Geodynamic phenomena derived from these measurements are to be described in a terrestrial reference frame in which both space- and time-like variations can be monitored. Existing conventional terrestrial reference frames (e.g. CIO, BIH) are no longer suitable for such purposes. The ultimate goal of this study is the establishment of a reference frame, moving with the earth in some average sense, in which the geometric and dynamic behavior of the earth can be monitored, and whose motion with respect to inertial space can also be determined. The study is conducted in several parts. In the first part problems related to reference directions are investigated, while subsequent parts deal with positions, i.e., with reference origins and scale. Only the first part is treated in this paper. The approach is based on the fact that reference directions at an observation point on the earth surface are defined by fundamental vectors (gravity, earth rotation, etc.), both space and time variant. These reference directions are interrelated by angular parameters, also derived from the fundamental vectors. The interrelationships between these space- and time-variant angular parameters are illustrated in a commutative diagram, tower of triads, which makes the derivation of the various relationships convenient. In order to determine the above parameters from observations using least squares techniques, a model tower of triads is also presented to allow the formation of linear observation equations. Although the model tower is also space and time variant, its variations are described by adopted parameters representing our current knowledge of the earth.     

Rigorous transformation of variance–covariance matrices of GPS-derived coordinates and velocities

With the advances in the field of GPS positioning and the global densification of permanent GPS tracking stations, it is now possible to determine at the highest level of accuracy the transformation parameters connecting various international terrestrial reference frame (ITRF) realizations. As a by-product of these refinements, not only the seven usual parameters of the similarity transformations between frames are available, but also their rates, all given at some epoch t _k . This paper introduces rigorous matrix equations to estimate variance–covariance matrices for transformed coordinates at any epoch t based on a stochastic model that takes into consideration all a priori information of the parameters involved at epoch t _k , and the coordinates and velocities at the reference frame initial epoch t ₀. The results of this investigation suggest that in order to attain maximum accuracy, the agencies determining the 14-parameter transformations between reference frames should also publish their full variance–covariance matrix. Electronic Publication     

The International VLBI Service for Geodesy and Astrometry (IVS): current capabilities and future prospects

Very Long Baseline Interferometry (VLBI) plays a unique and fundamental role in the maintenance of the global (terrestrial and celestial) reference frames, which are required for precise positioning in many research areas such as the understanding and monitoring of global changes, and for space missions. The International VLBI Service for Geodesy and Astrometry (IVS) coordinates the global VLBI components and resources on an international basis. The service is tasked by the International Association of Geodesy (IAG) and International Astronomical Union (IAU) to provide products for the realization of the Celestial Reference Frame (CRF) through the positions of quasars, to deliver products for the maintenance of the terrestrial reference frame (TRF), such as station positions and their changes with time, and to generate products describing the rotation and orientation of the Earth. In particular, VLBI uniquely provides direct observations of nutation parameters and of the time difference UT1-UTC. This paper summarizes the evolution and current status of the IVS. It points out the activities to improve further on the product quality to meet future service requirements.     

The reference frames of Mercury after the MESSENGER mission

We report on recent refinements and the current status for the rotational state models and the reference frames of the planet Mercury. We summarize the performed measurements of Mercury rotation based on terrestrial radar observations as well as data from the Mariner 10 and the MESSENGER missions. Further, we describe the different available definitions of reference systems for Mercury and obtain the corresponding reference frame using data provided by instruments on board MESSENGER. In particular, we discuss the dynamical frame, the principal-axes frame, the ellipsoid frame, as well as the cartographic frame. We also describe the reference frame adopted by the MESSENGER science team for the release of their cartographic products, and we provide expressions for transformations from this frame to the other reference frames.     

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。     

Remarks on Time and Reference Frames

The transformation of the instantaneous terrestrial coordinate system to the mean or average earth-fixed one is parameterized by the polar motion components which are continuously changing in time. Using the non-symmetricity of the connection coefficients connecting the above frames the errors (“misclosures”) are estimated which would be present if the instantaneous frame would be used as the geodetic reference frame.