维持CGCS2000参考框架的理论探讨

维持CGCS2000参考框架的理论探讨

吕成亮

天津市测绘院天津300381

摘要：根据国家推广2000国家大地坐标系的相关要求，规定从2018年7月1日起所有测绘成果必须使用2000国家大地坐标系。本文主要研究CGCS2000随着时间推移产生的更新参考框架的需求。

关键词：2000国家大地坐标系；参考框架；坐标

1引言

根据国家推广2000国家大地坐标系的相关要求，之前国土资源部（现自然资源部）确定，2018年6月30日前完成全系统各类国土资源成果的坐标系转换，2018年7月1日起各类国土资源成果需采用2000国家大地坐标系。届时，国家相关部门将停止提供非2000国家大地坐标系下的测绘成果。

2000国家大地坐标系是我国自主建立的地心坐标系，它能够满足现阶段国民生产中的各种技术要求。虽然在进行定义的时候认为CGCS2000是一个满足我国各项生产活动需要的高精度、实时、动态的参考框架，但是由于缺少相应的速度场信息，目前CGCS2000还是一个静态的参考框架，并不符合高精度动态的测量需求。同时，从严格意义上讲，作为一个地心系的参考框架，CGCS2000随着时间的推移，必然会有更新参考框架的需求，如何对其进行维持更新称为了一个难点和热点问题。

2理论分析

杨元喜分析了中国大地坐标系的现状，阐述构建CGCS2000及其坐标参考框架的基本策略，其中包括：坐标系的定义；坐标参考框架的建设；实现CGCS2000坐标框架的数学模型和平差方法。针对启用CGCS2000的意义以及其中可能产生的问题进行了重点阐述。

刘经南等在介绍其他国家的CORS建设的基础上，提出在条件成熟的情况下，可以建立国家级CORS，并采用国家级CORS更新CGCS2000参考框架。针对局部参考框架的建立，提出了框架网和基准网两个概念，分别用于建立区域地心动态参考框架以及国家坐标系与地方测图坐标系的连接，并给出了一个区域动态参考框架的建立方式。

魏子卿认为国家大地坐标系在一定时间内应该进行重新实现。他认为大地参考框架的更新周期应取决于参考框架的实现精度以及实际应用的精度要求。从长远角度考虑，CGCS2000应由至少2000个国家级的GNSS连续运行参考站和一定数量的GNSS复测站的坐标和速度实现。

张西光等提出了两种维持区域坐标参考框架的方法：1、采用欧拉模型；2、实测时间序列。由于我国大陆区域的构造块体划分目前还没有完全确定，青藏高原内部及边缘地区是非刚性的。因此，简单采用欧拉模型维持CGCS2000坐标参考框架的方法不适用于中国。基于此，获取国家级CORS测站点坐标时间序列的方法是维持参考框架的最佳方法。

综上所述，维持2000国家大地坐标系参考框架的最佳方法就是建立一个覆盖我国领土范围的国家级CORS，通过获取CORS网站点的坐标时间序列及其运动速度估值，以提供维持参考框架所需信息。

参考框架是一组具有相应坐标参照系下坐标和速度及其随时间演变的点，它是特定的坐标参照系的实现。如：国际地球参考框架（ITRF）就是国际地球参照系（ITRS）的实现，由一组具有ITRS下坐标和速度估值的观测站组成。用坐标框架来实现坐标系的理论依据是：在一组相容的坐标中，实际上隐含了定义一个坐标参照系所必须的原点、尺度、定向及其随时间的演变。

地球参考框架的维持是指给出随时间变化的框架点的位置信息，包括这些点的坐标时间序列和速度场模型。因此，对这些坐标时间序列进行正确的分析是维持地球参考框架的前提条件。

袁林果等利用香港CORS站，获取从2001年开始共计7年的观测数据，进行参考站坐标时间序列分析。根据分析结果可知：滤波后坐标时间序列的噪声特性可以用闪烁噪声和可变白噪声模型进行描述。顾及闪烁噪声进行计算和只考虑可变白噪声进行计算相比，前者的速度误差要比后者得到的速度误差大2~6倍。

顾国华等对中国地壳运动观测网络基准网大概3年的位移时间序列进行了初步分析，重点研究如何选择地震分析预报的位移时间序列的相关基准。

符养以全球分布的GPS连续观测站数据为基础，利用改进的Nelder-Mead单形调优法同时求解白噪声，FLICKER噪声和随机漫步噪声的分量；利用AR模型建模克服了随机漫步过程从零时刻开始积分的缺陷；利用小波多辨分析对时间序列的非平稳特性进行研究。

张鹏等应用国内CORS约364周的观测结果，分析其坐标位置变化规律。通过对得到的坐标时间序列的分析表明：GPS基准站的坐标时间序列具有一定的周期性，其中以高程分量的周期性最为明显。

D.Dong等利用全球GPS连续运行参考站在1996年到2000年得观测数据进行坐标时间序列分析。根据分析结果可知，连续参考站的坐标时间序列存在明显的年周期和半年周期变化，造成这种周期变化的原因有很多，如：大气负荷、海潮和极潮等因素的影响。

Zhang等对美国加州GPS阵列19个月的观测数据进行坐标时间序列分析。根据分析结果可知：该地区的参考站坐标时间序列噪声不仅仅只包含白噪声，同时含有闪烁噪声。

目前，国内在估计CORS站运动速度参数时，通常是假设CORS站的原始坐标时间序列仅具有白噪声性质，同时采取线性拟合的方法得到其运动速度和误差估计。由前人的分析结果可知：虽然在分析GPS坐标时间序列时，经常假设其运动是线性变化的，并且只考虑时间序列中的白噪声特性，但是这种假设并不完全正确。只有正确地分析了坐标时间序列的最佳噪声模型，才能获取框架点坐标的精确坐标和速度场信息。

3结语

虽然目前CGCS2000参考框架代表了我国地球参考框架的最高水平，但是由于它的实现技术是基于GPS静态会战，因而不是动态参考框架，不能满足当今精密定位和导航的需求。因此，如何更新和维持CGCS2000参考框架是当前必须面对的重要问题。

作为测绘工作者，我们必须进行未雨绸缪的思考，只有这样才能跟上时代发展的脚步。

参考文献：

[1]程鹏飞，成英燕，文汉江等.2000国家大地坐标系实用宝典[M].北京：测绘出版社，2008

[2]李征航，黄劲松.GPS测量与数据处理[M].武汉：武汉大学出版社，2005

[3]魏子卿.2000中国大地坐标系及其与WGS84的比较[J].大地测量与地球动力学，2008，28（05）：1-5

[4]朱华统.大地坐标系的建立[M].北京：测绘出版社，1986

[5]刘立，成英燕.ITRF框架的相互转化[J].大地测量与地球动力学，2010，30（02）：141-145

[6]成英燕，程鹏飞等.基于现框架下的省市级CORS站到CGCS2000的转换[J].测绘通报，2011，07：1-3