地球参考框架的实现和维持
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(武汉大学卫星导航定位技术研究中心 wk.baidu.com武汉 430079)
摘 要 以 ITRF、W GS84等参考框架为例 ,介绍参考框架的实现和维持方法 ;在此基础上 ,归纳总结这些框架间
的联系 、区别和组合原理 ,以及最新版本 ITRF2005的实现方法 。
关键词 地球参考框架 ;实现 ;维持 ; ITRF2005; W GS84 中图分类号 : P227 文献标识码 : A
假定 dm 是地球上的任意点 , O 为地心 , A 是惯
3 收稿日期 : 2008207209 基金项目 :国家 863项目 (2007AA128345; 2007AA128309) ;欧盟 FP6计划 : Galileo卫星导航系统的大地测量服务提供 作者简介 :魏娜 ,女 , 1983年生 ,博士生 ,主要研究方向为大地测量参考框架. E - mail: wnnma@ sina. com
2)坐标系尺度是 m ,这一比例尺和地心局部框 架的 TCG时间坐标保持一致 ,符合 IAU 和 IUGG的 1991年决议 ,由相对论模型得到 ;
3)坐 标 系 方 向 初 始 值 采 用 国 际 时 间 局 B IH 1984. 0方向 ;
4)确定方向的时变采用无净旋转条件下相对 于整个地球的水平板块运动 。
2 理想的地球参考系统
理想的地球参考系统是一个与地球接近并与其 一起旋转的三面体 (O , E) 。其中 , O 为原点 , E 是向 量空间 。 E中的基本向量右手正交 , 并且长度相同 。 与基本向量共线的 3个单位向量表示地球参考系的 定向和尺度 。由于地球是一个复杂的变形体 , 在惯 性空间中存在平移 、旋转和变形 ,理想地球参考系选 取的关键问题是如何定义原点 、尺度和定向 ,使地球 本体相对于这个参考系统不存在整体平移和旋转 , 只存在局部变形 ,而且地球整体来说变形最小 。
1 引言
地球参考系统是定义坐标系统的原点 、尺度和 定向及其随时间演变的一系列协议 、算法和常数 。 地球参考框架由一系列坐标精确已知的物理点组 成 ,这些坐标基于特定的参考系统 ,是地球参考系统 的物理实现 。地球参考框架是地球相关学科 ———天 文学 、地球物理学和大地测量学以及空间技术的基 础设施 ,地球参考框架所能达到的完善程度 ,对于我 们研究地球的区域 、全球性质的问题及空间技术的 发展具有十分重要的意义 。目前国际上已经建立并 广泛使用的参考框架有 ITRF、IGS、W GS84等 [ 1 ] 。
2) IGS IGS参考框架由 IGS负责建立和维持 ,为 IGS 产品提供了一个稳定和可靠的内部参考框架 。与 ITRF系列参考框架不同 ,这些参考框架仅基于 GPS 技术实现 ,保证了 IGS产品的内部一致性 。最新的 IGS参考框架为 IGS05,与 ITRF2005相一致 ,给出了 132个 IGS站的位置和线性速度 。 IGS05 采用绝对 天线相位中心改正 ,极大提高了 IGS框架尺度因子 的精度 [ 2 ] 。
R = R0 +ω ×r + v
(1)
µ H = RR dM
(2)
µ 取地心为 地球 参 考 系 的 原 点 , 则 rdM = 0, 式
( 2)可写为 :
H = HB + R0 ×G
(3)
µ 其中 , G = R dM , R0 ×G 为 地心 平移角 动量 ; HB
µ = ωr rdM + h。 由上式可知 ,ω不是唯一确定的 ,那么选取特定
(5)
i
式中 ∑ΔXi ( t)是各种非线性运动 , IERS标准规定应 i
加入固体潮 、海潮 、极潮 、大气负载和地心运动的影
响 。但实际上 , IERS2003并没有提供大气负载和地 心运动模型 [ 1 ] 。对固体潮改正而言 , IAU 建议采用 “零潮汐改正 ”,而 IERS实际采用的是通用无潮汐 改正 。据了解 ,这是因为计算时所采用的世界各地 的大部分观测资料都是采用通用无潮汐改正 。
µ 的参考系 ,当 ω为某一值时可以使 h = rvdM = 0,
此时所选取的坐标轴称为 Tisserand轴 ,采用 Tisser2
and轴可以较好地分离旋转和变形运动 。
µ 实际上 , h = 0与 v2 dM =m in等价 。也就是说
采用 Tisserand轴不仅可以较好地分离旋转和变形 运动 ,此时地球整体的变形也是最小的 。
3 地球参考框架的实现和维持
3. 1 地球参考框架的实现
地球参考框架是地球参考系统的实现 ,由一系 列相应地球参考系统下的位置和速度精确已知的物 理点组成 。在这一系列相容的坐标及其随时间演变 中实际上隐含了定义一个地球参考系统所必须的原 点 、尺度 、定向及其随时间的演变 。目前世界范围内 广泛使用的参考框架有以下几种 :
REAL IZAT IO N AND M A INTENANCE O F TERRESTR IAL REFERENCE FRAM E
W ei Na and Shi Chuang ( GN SS R esea rch Cen ter, W uhan U n iversity, W uhan 430079)
基准定义是地球参考系定义的关键问题 。一旦
选定了合理的原点 、尺度和定向及其随时间的变化 , 就从理论上严格定义了一个理想的地球参考系统 。
地球参考系统的定义方式不是唯一的 ,其中国际地 球参考系统定义由 IERS给出 ,其最新定义为 :
1)坐标原点位于地心 ,它是整个地球 (包含海 洋和大气 )的质量中心 ;
136
大地测量与地球动力学
29卷
性空间的原点 。图 1 中所示向量都是绝对向量 , 与 参考系的选取无关 。假定 ω为地球参考系的旋转 角速度 , v为地球本体相对于地球参考系的变形 , 则 任意点的速度和地球的总角动量为 :
图 1 地面点在惯性空间中的位置
Fig. 1 Position of ground point in inertial space
6) GGCS2000大地坐标系 2008年 7月 1日起我国正式启用 GGCS2000大 地坐标系 。 GGCS2000以 ITRF参考框架为基准 ,通 过我国 GPS连续运行参考站 、空间大地控制网以及 天文大地网与空间大地网联合平差而建立 ,平均点 位精度优于 3 cm。北斗卫星二代导航系统也将采 用这一参考框架 [ 6 - 8 ] 。
A bstra c t The paper gives the definition of ideal ITRF ( International Terrestrial Reference Frame). Taking
ITRF, W GS84 and so on for examp le, the realization and maintenance of ITRF are introduced and then the rela2 tionship s and differences among them are induced. The combination p rincip le of ITRF and the realication m ethod for ITRF2005 which is the latest version of ITRF are introduced. Key words: terrestrial reference frame; realization; m aintenance; ITRF2005; W GS84
5) PZ90 PZ90是俄罗斯 GLONASS卫星广播星历的参考 框架 。由地面 26 个点的地心坐标实现 ,包括 GLO2 NASS的地面监测站 。点的地心坐标由站对 Geo2IK 卫星的星敏感器 、多普勒 、激光测距 、卫星测高以及
对 GLONASS和 Etalon 卫星的微波 、激光观测数据 用卫星大地测量方法计算得到 ,精度 1～2 m[ 5 ] 。
4) GTRF 高精度 、稳定的伽利略参考框架 ( GTRF, Galileo Terrestrial Reference Frame)的实现是欧洲伽利略卫
第 2期
魏娜等 :地球参考框架的实现和维持
137
星导航系统所有最基本的产品和服务的基础 ,由伽 利略 大 地 测 量 服 务 原 型 ( GGSP, Galileo Geodetic Service Provider Prototype)负责建立和维持 。 GTRF 不仅要服务于伽利略核心系统 ,同时也要服务于伽 利略用户部分 ( GGSP, 2004) 。 GTRF的实现将借鉴 IGS框架的相关技术和经验 。 GTRF初始实现所采 用的测站网由 3部分组成 : 18个 GSS站 (在 GSS运 行前等效于 IGS站 ) 、45 个 IGS站和 10 个并置了 SLR 技术的 IGS站 [ 4 ] 。
3. 2 地球参考框架的维持
由空间技术实现的参考框架一般是动态框架 , 包括测站的位置和速度 。测站在相应框架下任意时
刻的正则化位置为 :
XR ( t) = X0 + X ( t - t0 )
(4)
其中 , X0、X 分别是参考历元测站的位置和线性速
度 , XR ( t)是测站在任意时刻的正则化位置 。
3)W GS84 美国国 防 部 于 20 世 纪 80 年 代 中 期 建 立 了 W GS84,并将其作为 GPS系统广播星历和 N IMA 精 密星历的参考框架 。为了维持和提高 W GS84 框架 的精度 ,美国国防部对 W GS84 其进行了精化处理 , 先 后 发 布 了 W GS84 ( G730 ) , W GS84 ( G873 ) 和 W GS84 ( G1150) ,其参考历元分别为 1994. 0, 1997. 0 和 2001. 0。W GS84 ( G1150)是目前为止最新的参考 框架 ,由 8个美国空军站和 12个美国地理空间情报 局站的坐标和速度实现 。由于数据质量和处理方法 的提高 , W GS84 ( 1150 )的精度及与 ITRF2000 的一 致性水平有了显著的提高 。W GS84 ( 1150 ) 各坐标 分量的精度优于 1 cm ( 1σ) , 而 W GS84 ( G730 ) 和 W GS84 ( G873 ) 分 别 为 10 cm 和 5 cm。W GS84 ( G1150) 与 ITRF2000 在 1 cm 的 水 平 上 符 合 , 而 W GS84 ( G730)与 ITRF92 的一致性水平为 10 cm , W GS84 ( G873 ) 与 ITRF1994 在 2 cm 的 水 平 上 符 合 [3]。
实际上 , 测站相对于参考框架的运动无法用线
性速度完整描述 ,还受潮汐 、大气 、冰期后回弹 、地下
水等不规则摄动力的影响 , 而这些影响无法事先用
一个确定的表达式在参考框架的实现过程中予以表
达 。因此需要研究和建立描述各种非线性运动的理
论或者经验模型 。测站的实际坐标由下式表示 :
X ( t) = XR ( t) + ∑ΔX i ( t)
1) ITRF 国际地球参考框架 ITRF是国际地球参考系统 ( ITRS)的实现 ,由国际地球自转及参考系统服务 ( IERS)负责建立和维持 ,是国际公认的最为精确的 全球参 考框 。 ITRF 的实 现基 于 VLB I、LLR、SLR、 GPS和 DOR IS空间大地测量技术的观测数据 。这 些观测数据首先由不同技术各自的分析中心进行处 理 ,最后由 IERS中心局 ( IERS CB )根据各分析中心 的处理结果进行综合分析 ,得出 ITRF的最终结果 , 并由 IERS年度报告和技术备忘录向世界发布 。
第 2 9卷第 2期 2 0 0 9年 4月
大地测量与地球动力学 JOURNAL O F GEOD ESY AND GEOD YNAM ICS
Vol. 29 No. 2 Ap r. , 2009
文章编号 : 167125942 (2009) 0220135205
地球参考框架的实现和维持 3
魏 娜 施 闯
摘 要 以 ITRF、W GS84等参考框架为例 ,介绍参考框架的实现和维持方法 ;在此基础上 ,归纳总结这些框架间
的联系 、区别和组合原理 ,以及最新版本 ITRF2005的实现方法 。
关键词 地球参考框架 ;实现 ;维持 ; ITRF2005; W GS84 中图分类号 : P227 文献标识码 : A
假定 dm 是地球上的任意点 , O 为地心 , A 是惯
3 收稿日期 : 2008207209 基金项目 :国家 863项目 (2007AA128345; 2007AA128309) ;欧盟 FP6计划 : Galileo卫星导航系统的大地测量服务提供 作者简介 :魏娜 ,女 , 1983年生 ,博士生 ,主要研究方向为大地测量参考框架. E - mail: wnnma@ sina. com
2)坐标系尺度是 m ,这一比例尺和地心局部框 架的 TCG时间坐标保持一致 ,符合 IAU 和 IUGG的 1991年决议 ,由相对论模型得到 ;
3)坐 标 系 方 向 初 始 值 采 用 国 际 时 间 局 B IH 1984. 0方向 ;
4)确定方向的时变采用无净旋转条件下相对 于整个地球的水平板块运动 。
2 理想的地球参考系统
理想的地球参考系统是一个与地球接近并与其 一起旋转的三面体 (O , E) 。其中 , O 为原点 , E 是向 量空间 。 E中的基本向量右手正交 , 并且长度相同 。 与基本向量共线的 3个单位向量表示地球参考系的 定向和尺度 。由于地球是一个复杂的变形体 , 在惯 性空间中存在平移 、旋转和变形 ,理想地球参考系选 取的关键问题是如何定义原点 、尺度和定向 ,使地球 本体相对于这个参考系统不存在整体平移和旋转 , 只存在局部变形 ,而且地球整体来说变形最小 。
1 引言
地球参考系统是定义坐标系统的原点 、尺度和 定向及其随时间演变的一系列协议 、算法和常数 。 地球参考框架由一系列坐标精确已知的物理点组 成 ,这些坐标基于特定的参考系统 ,是地球参考系统 的物理实现 。地球参考框架是地球相关学科 ———天 文学 、地球物理学和大地测量学以及空间技术的基 础设施 ,地球参考框架所能达到的完善程度 ,对于我 们研究地球的区域 、全球性质的问题及空间技术的 发展具有十分重要的意义 。目前国际上已经建立并 广泛使用的参考框架有 ITRF、IGS、W GS84等 [ 1 ] 。
2) IGS IGS参考框架由 IGS负责建立和维持 ,为 IGS 产品提供了一个稳定和可靠的内部参考框架 。与 ITRF系列参考框架不同 ,这些参考框架仅基于 GPS 技术实现 ,保证了 IGS产品的内部一致性 。最新的 IGS参考框架为 IGS05,与 ITRF2005相一致 ,给出了 132个 IGS站的位置和线性速度 。 IGS05 采用绝对 天线相位中心改正 ,极大提高了 IGS框架尺度因子 的精度 [ 2 ] 。
R = R0 +ω ×r + v
(1)
µ H = RR dM
(2)
µ 取地心为 地球 参 考 系 的 原 点 , 则 rdM = 0, 式
( 2)可写为 :
H = HB + R0 ×G
(3)
µ 其中 , G = R dM , R0 ×G 为 地心 平移角 动量 ; HB
µ = ωr rdM + h。 由上式可知 ,ω不是唯一确定的 ,那么选取特定
(5)
i
式中 ∑ΔXi ( t)是各种非线性运动 , IERS标准规定应 i
加入固体潮 、海潮 、极潮 、大气负载和地心运动的影
响 。但实际上 , IERS2003并没有提供大气负载和地 心运动模型 [ 1 ] 。对固体潮改正而言 , IAU 建议采用 “零潮汐改正 ”,而 IERS实际采用的是通用无潮汐 改正 。据了解 ,这是因为计算时所采用的世界各地 的大部分观测资料都是采用通用无潮汐改正 。
µ 的参考系 ,当 ω为某一值时可以使 h = rvdM = 0,
此时所选取的坐标轴称为 Tisserand轴 ,采用 Tisser2
and轴可以较好地分离旋转和变形运动 。
µ 实际上 , h = 0与 v2 dM =m in等价 。也就是说
采用 Tisserand轴不仅可以较好地分离旋转和变形 运动 ,此时地球整体的变形也是最小的 。
3 地球参考框架的实现和维持
3. 1 地球参考框架的实现
地球参考框架是地球参考系统的实现 ,由一系 列相应地球参考系统下的位置和速度精确已知的物 理点组成 。在这一系列相容的坐标及其随时间演变 中实际上隐含了定义一个地球参考系统所必须的原 点 、尺度 、定向及其随时间的演变 。目前世界范围内 广泛使用的参考框架有以下几种 :
REAL IZAT IO N AND M A INTENANCE O F TERRESTR IAL REFERENCE FRAM E
W ei Na and Shi Chuang ( GN SS R esea rch Cen ter, W uhan U n iversity, W uhan 430079)
基准定义是地球参考系定义的关键问题 。一旦
选定了合理的原点 、尺度和定向及其随时间的变化 , 就从理论上严格定义了一个理想的地球参考系统 。
地球参考系统的定义方式不是唯一的 ,其中国际地 球参考系统定义由 IERS给出 ,其最新定义为 :
1)坐标原点位于地心 ,它是整个地球 (包含海 洋和大气 )的质量中心 ;
136
大地测量与地球动力学
29卷
性空间的原点 。图 1 中所示向量都是绝对向量 , 与 参考系的选取无关 。假定 ω为地球参考系的旋转 角速度 , v为地球本体相对于地球参考系的变形 , 则 任意点的速度和地球的总角动量为 :
图 1 地面点在惯性空间中的位置
Fig. 1 Position of ground point in inertial space
6) GGCS2000大地坐标系 2008年 7月 1日起我国正式启用 GGCS2000大 地坐标系 。 GGCS2000以 ITRF参考框架为基准 ,通 过我国 GPS连续运行参考站 、空间大地控制网以及 天文大地网与空间大地网联合平差而建立 ,平均点 位精度优于 3 cm。北斗卫星二代导航系统也将采 用这一参考框架 [ 6 - 8 ] 。
A bstra c t The paper gives the definition of ideal ITRF ( International Terrestrial Reference Frame). Taking
ITRF, W GS84 and so on for examp le, the realization and maintenance of ITRF are introduced and then the rela2 tionship s and differences among them are induced. The combination p rincip le of ITRF and the realication m ethod for ITRF2005 which is the latest version of ITRF are introduced. Key words: terrestrial reference frame; realization; m aintenance; ITRF2005; W GS84
5) PZ90 PZ90是俄罗斯 GLONASS卫星广播星历的参考 框架 。由地面 26 个点的地心坐标实现 ,包括 GLO2 NASS的地面监测站 。点的地心坐标由站对 Geo2IK 卫星的星敏感器 、多普勒 、激光测距 、卫星测高以及
对 GLONASS和 Etalon 卫星的微波 、激光观测数据 用卫星大地测量方法计算得到 ,精度 1～2 m[ 5 ] 。
4) GTRF 高精度 、稳定的伽利略参考框架 ( GTRF, Galileo Terrestrial Reference Frame)的实现是欧洲伽利略卫
第 2期
魏娜等 :地球参考框架的实现和维持
137
星导航系统所有最基本的产品和服务的基础 ,由伽 利略 大 地 测 量 服 务 原 型 ( GGSP, Galileo Geodetic Service Provider Prototype)负责建立和维持 。 GTRF 不仅要服务于伽利略核心系统 ,同时也要服务于伽 利略用户部分 ( GGSP, 2004) 。 GTRF的实现将借鉴 IGS框架的相关技术和经验 。 GTRF初始实现所采 用的测站网由 3部分组成 : 18个 GSS站 (在 GSS运 行前等效于 IGS站 ) 、45 个 IGS站和 10 个并置了 SLR 技术的 IGS站 [ 4 ] 。
3. 2 地球参考框架的维持
由空间技术实现的参考框架一般是动态框架 , 包括测站的位置和速度 。测站在相应框架下任意时
刻的正则化位置为 :
XR ( t) = X0 + X ( t - t0 )
(4)
其中 , X0、X 分别是参考历元测站的位置和线性速
度 , XR ( t)是测站在任意时刻的正则化位置 。
3)W GS84 美国国 防 部 于 20 世 纪 80 年 代 中 期 建 立 了 W GS84,并将其作为 GPS系统广播星历和 N IMA 精 密星历的参考框架 。为了维持和提高 W GS84 框架 的精度 ,美国国防部对 W GS84 其进行了精化处理 , 先 后 发 布 了 W GS84 ( G730 ) , W GS84 ( G873 ) 和 W GS84 ( G1150) ,其参考历元分别为 1994. 0, 1997. 0 和 2001. 0。W GS84 ( G1150)是目前为止最新的参考 框架 ,由 8个美国空军站和 12个美国地理空间情报 局站的坐标和速度实现 。由于数据质量和处理方法 的提高 , W GS84 ( 1150 )的精度及与 ITRF2000 的一 致性水平有了显著的提高 。W GS84 ( 1150 ) 各坐标 分量的精度优于 1 cm ( 1σ) , 而 W GS84 ( G730 ) 和 W GS84 ( G873 ) 分 别 为 10 cm 和 5 cm。W GS84 ( G1150) 与 ITRF2000 在 1 cm 的 水 平 上 符 合 , 而 W GS84 ( G730)与 ITRF92 的一致性水平为 10 cm , W GS84 ( G873 ) 与 ITRF1994 在 2 cm 的 水 平 上 符 合 [3]。
实际上 , 测站相对于参考框架的运动无法用线
性速度完整描述 ,还受潮汐 、大气 、冰期后回弹 、地下
水等不规则摄动力的影响 , 而这些影响无法事先用
一个确定的表达式在参考框架的实现过程中予以表
达 。因此需要研究和建立描述各种非线性运动的理
论或者经验模型 。测站的实际坐标由下式表示 :
X ( t) = XR ( t) + ∑ΔX i ( t)
1) ITRF 国际地球参考框架 ITRF是国际地球参考系统 ( ITRS)的实现 ,由国际地球自转及参考系统服务 ( IERS)负责建立和维持 ,是国际公认的最为精确的 全球参 考框 。 ITRF 的实 现基 于 VLB I、LLR、SLR、 GPS和 DOR IS空间大地测量技术的观测数据 。这 些观测数据首先由不同技术各自的分析中心进行处 理 ,最后由 IERS中心局 ( IERS CB )根据各分析中心 的处理结果进行综合分析 ,得出 ITRF的最终结果 , 并由 IERS年度报告和技术备忘录向世界发布 。
第 2 9卷第 2期 2 0 0 9年 4月
大地测量与地球动力学 JOURNAL O F GEOD ESY AND GEOD YNAM ICS
Vol. 29 No. 2 Ap r. , 2009
文章编号 : 167125942 (2009) 0220135205
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