浙江省区域基准框架维持研究_沈正中.pdf
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1、第 11 卷 第 2 期 导航定位学报 Vol.11,No.2 2023 年 4 月 Journal of Navigation and Positioning Apr.,2023 引文格式:沈正中,张乙志,刘立,等.浙江省区域基准框架维持研究J.导航定位学报,2023,11(2):153-158.(SHEN Zhengzhong,ZHANG Yizhi,LIU Li,et al.Research on maintaining reference frame of Zhejiang ProvinceJ.Journal of Navigation and Positioning,2023,11(
2、2):153-158.)DOI:10.16547/ki.10-1096.20230218.浙江省区域基准框架维持研究 沈正中1,张乙志1,刘 立1,王凯时1,徐晓红2,冯杨民1(1.浙江省测绘科学技术研究院,杭州 311100;2.浙江省自然资源厅信息中心,杭州 310020)摘要:为了实现浙江省区域 2000 中国大地坐标系统厘米级动态维持,提出一种基准框架维持方法:采用加米特(GAMIT)/格洛布克(GLOBK)软件处理 82 个卫星导航定位连续运行基准站(CORS)10 a 的观测数据获得高精度的站点坐标和速度;然后提出趋势面插值模型建立 1515的格网速度场,进行板块运动改正;最后采用
3、赫尔默特方法和国际地球参考框架(ITRF)公开的 14 个转换参数实现不同框架和历元的转换。结果表明,浙江省整体呈现由西北至东南方向的运动趋势;平均速度东和北方向分别为 33.9、10.4 mm/a;趋势面法拟合中误差最优为 0.46、0.41 mm/a;从浙江区域ITRF2014(2 022.0 个历元)到 2000 中国大地坐标系统的转换精度优于 1.4 cm。关键词:连续运行基准站(CORS);速度场;插值方法;趋势面法 中图分类号:P228 文献标志码:A 文章编号:2095-4999(2023)02-0153-06 Research on maintaining reference
4、frame of Zhejiang Province SHEN Zhengzhong1,ZHANG Yizhi1,LIU Li1,WANG Kaishi1,XU Xiaohong2,FENG Yangmin1(1.Zhejiang Academy of Surveying Mapping,Hangzhou 311100,China;2.Information Center of Zhejiang Provincial Department of Natural Resources,Hangzhou 310020,China)Abstract:In order to achieve the ce
5、ntimeter-level dynamic maintenance of China geodetic coordinate system 2000(CGCS2000)in Zhejiang Province,the paper proposed a maintaining method of reference frame:the high-precision coordinates and velocity of 82 continuously operating reference stations(CORS)for satellite navigation and positioni
6、ng during 10 years were processed by GAMIT/GLOBK software;and the trend surface interpolation model was used to establish 15 15 grid velocity field for the plate motion correction;finally the conversion of different frames and epochs was realized by using the Helmert coordinate transformation method
7、 and the 14 conversion parameters published by the international terrestrial reference frame(ITRF).Results showed that the overall movement trend of Zhejiang Province would present from northwest to southeast,and the average velocity would be 33.9 mm/a in the east direction and 10.4 mm/a in the nort
8、h direction;the optimal mean square error of trend surface fitting method could be 0.46 mm/a in the east and 0.41 mm/a in the north;and the transformation accuracy from ITRF2014(2022.0 epochs)to CGCS2000 of Zhejiang Province would be better than 1.4 cm Keywords:continuously operating reference stati
9、ons(CORS);velocity field;interpolation method;trend surface method 0 引言 地球表面任意点位的精确描述是大地测量的基础任务之一,而地球任意点位置的精确确定需要一个外部参考坐标系。由此可见,高精度的定位需要建立一个稳定可靠的与地球固定在一起的地心坐标基准。坐标基准包括 2 个部分:地心坐标参考系统即定义,和地心参考框架即实现。由于地球 收稿日期:2022-05-17 基金项目:浙江省自然资源厅科技项目(202114)。第一作者简介:沈正中(1968),男,浙江杭州人,本科学历,高级工程师,研究方向为大地测量、卫星导航与定位。通信
10、作者简介:张乙志(1988),男,浙江杭州人,本科学历,高级工程师,研究方向为大地测量与工程测量。154 导航定位学报 2023 年 4 月 质心、自转轴指向等不是静止的,因此坐标系的定义不同;并且地球表面板块相对地球也在长时间基本规律地运动,地球框架点的坐标值非一个客观绝对的数值:所以采用一个固定不变的坐标框架不能满足需求,而多个框架间的转换关系需要及时计算,从而保证坐标的连续性。卫星导航定位基准站网作为国家最高等级大地控制网,是国家地球参考框架的骨干和主要支撑,用于实现三维地心坐标框架动态维持和保证国家基准的精度与现势性,国家强制性和推荐性标准都规定了相关技 术 参 数。随 着 全 球 卫
11、 星 导 航 系 统(global navigation satellite system,GNSS)技术特别是我国自主研发的北斗卫星导航定位系统(BeiDou navigation satellite system,BDS)的不断发展和广泛应用,针对我国地心坐标参考框架的精确性、稳定性和动态性的需求也日益提高。因此,维持高精度地心坐标参考框架是基于地理信息位置服务的保障。目 前 国 际 地 球 参 考 框 架(international terrestrial reference frame,ITRF)是国际上公认的理论最完善、稳定性最好、精度最高的全球基准参考框架,为区域参考框架提供坐标基
12、准。国际地球自转和参考系统服务国际组织(International Earth Rotation and Reference Systems Service,IERS)致力于 ITRF 的不断完善。ITRF 利用甚长基线干涉测量(very long baseline interferometry,VLBI)、卫星激光测距(satellite laser ranging,SLR)、激光测月(lunar laser ranging,LLR)、多里斯系统(Doppler orbitograph and radio positioning integrated by satellite,DORIS)和
13、 GNSS 等多种空间技术的全球测站观测数据成果推算地心坐标系统,同时综合多个数据分析中心的解算结果形成最新的地球参 考 框 架1-2。1998 年后,IERS 先 后 发 布 了ITRF1997、ITRF2000、ITRF2005、ITRF2008、ITRF2014 和 ITRF2020 等地球参考框架,目前主要使用的地球参考框架是 ITRF2014,随着 ITRF 的不断升级,不同框架间定义的差别越来越小,并达到了毫米级精度3。坐标框架更新后,为了保持坐标的连续性,需要进行不同坐标框架的转换。由前文可知,框架转换不仅要考虑坐标基准定义的差异,框架转换参数可以从 ITRF 网站获取;同时要考
14、虑板块运动引起的坐标变化,此部分框架间的主要差异随着时间的增长而不断累计变大。板块运动可以通过高精度的速度场计算,主要采用近几十年来采集的确定速度场,可以代表我国地区现今实际地壳运动的现状,速度场模型建立需要积累数十年的空间大地测量数据,通常采用反距离加权法、三角网法等4-11。浙江省从 2008 年建立了覆盖全省区域、平均间距 40 km 的卫星导航定位连续运行基准站(continuously operating reference stations,CORS)网,具有 10 a 以上、采样率为 15 Hz 的观测数据,通过加米特(GAMIT)/格洛布克(GLOBK)数据处理软件获取基准站的
15、精确坐标和高精度的速度值,进而通过插值方法生成全域的格网速度场,采用赫尔默特转换模型和 ITRF 的 14 个转换参数,从而实现浙江省区域内任意点不同参考框架、不同历元的转换,达到浙江省区域基准框架维持的目的,以期为省级坐标基准框架的动态维持提供参考。1 基准站数据处理 选取浙江省区域及周边的 82 个基准站,观测时段跨度为 20092020 年 12 a,观测设备为天宝双频接收机和大地型的扼流圈天线。按连续性原则、稳定性原则、高精度原则、多种解原则、平衡性原则和精度一致性原则等 6 个方面,选取浙江省周边 14 个国际 GNSS 服务组织(International GNSS Service
16、,IGS)站进行联合解算。顾及基准站间距和分布情况,综合考虑坐标精度、刚性板块站点运动规律等情况,分 4 个区,每个区有 6 个公共点。采用 GAMIT/GLOBK 软件解算单日解,截止高度角 15,剔除异常的站坐标单日解序列,获得 ITRF2014 框架下基准站坐标和速度值。基准站坐标解算中误差优于 1 mm,保证了构建区域板块模型速度场结果的正确与可靠。基准站分布和速度场如图 1 所示。图 1 浙江省区域基准站速度场 第 2 期 沈正中,等.浙江省区域基准框架维持研究浙江省区域基准框架维持研究 155 总体可见浙江及周边地壳内部结构稳定,整体呈现由西北至东南方向的运动趋势,平均速度为东方向
17、 33.9 mm/a,北方向为-10.4 mm/a。2 格网速度场模型构建 常用的速度场模型构建方法主要有反距离加权法、克里金法、三角网法、趋势面法等12-14,其中:反距离加权法基于距离作为权重,插值点精度与站点距离有很大的相关性;克里金法考虑了随机数据的期望和方差等信息,适应性较广但原理复杂;三角网法原理简单,考虑了速度和方位信息,适用性广15;趋势面法基于多项式回归分析原理,是一个光滑的数学曲面,可以集中反映空间数据大范围内的变化趋势。采用以上的数值拟合方法构建浙江速度场模型,考虑到浙江省地形自西南向东北呈阶梯状倾斜的复杂性,趋势面法结合浙江省地形数据对离散的基准站空间数据进行空间趋势分
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