地殼形變課程設計ITRF有關問題(共11頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上ITRF中高程精度問題的解決方案 提高GPS高程精度一， 地球參考系統(tǒng)地球參考系統(tǒng)是定義坐標系統(tǒng)的原點、尺度和定向及其隨時間演變的一系列協(xié)議、算法和常數(shù)。地球參考框架由一系列坐標精確已知的物理點組成，這些坐標基于特定的參考系統(tǒng)，是地球參考系統(tǒng)的物理實現(xiàn)。地球參考框架是地球相關學科 天文學、地球物理學和大地測量學以及空間技術的基礎設施，地球參考框架所能達到的完善程度，對于我們研究地球的區(qū)域、全球性質(zhì)的問題及空間技術的發(fā)展具有十分重要的意義。目前國際上已經(jīng)建立并廣泛使用的參考框架有ITRF、IGS、WGS84等 。二，地球參考框架地球參考框架是地球參考系統(tǒng)的實現(xiàn)，由一系列

2、相應地球參考系統(tǒng)下的位置和速度精確已知的物理點組成。在這一系列相容的坐標及其隨時間演變中實際上隱含了定義一個地球參考系統(tǒng)所必須的原點、尺度、定向及其隨時間的演變。目前世界范圍內(nèi)廣泛使用的參考框架有以下幾種：（一）WGS-84（World Geodetic System一1984 Coordinate System） 坐標系的原點位于地球質(zhì)心，z軸指向（國際時間局）BIH1984.0定義的協(xié)地球極(CTP)方向，x軸指向BIH1984.0的零度子午面和CTP赤道的交點，y軸通過右手規(guī)則確定。美國國防部于20世紀80年代中期建立了WGS84，并將其作為GPS系統(tǒng)廣播星歷和NIMA精密星歷的參考框架

3、。為了維持和提高WGS84框架的精度，美國國防部對WGS84其進行了精化處理，先后發(fā)布了WGS84(G730)，WGS84(G873)和WGS84(G1150)，其參考歷元分別為19940，19970和20010。WGS84(G1150)是目前為止最新的參考框架，由8個美國空軍站和l2個美國地理空間情報局站的坐標和速度實現(xiàn)。由于數(shù)據(jù)質(zhì)量和處理方法的提高，WGS84(1150)的精度及與ITRF2000的一致性水平有了顯著的提高。（二）ITRF（International Terrestrial Reference Frame） ITRF是國際地球參考系統(tǒng)，其定義為：1.原點定為地心，規(guī)定為包括

4、海洋和大氣的地球質(zhì)量中心。2.定向采用國際時間局(BIH)l 9840結(jié)果。3.尺度是廣義相對論意義下，局部地球框架的尺度。4.時變遵循地殼板塊運動相對于地球整體無旋轉(zhuǎn)，即地殼不受剩余地球自轉(zhuǎn)的影響。ITRF通過選擇的空間坐標分量X、Y和Z加以準確確定。如果需要也可以利用地理坐標，此時應引人地球橢球，國際上推薦采用1980大地參考系地球橢球。ITRF原點的定義是相對于地球質(zhì)心長期平均時刻而言 在地固參考系的觀測中地心呈直線運動。它是行星內(nèi)部首先是大氣和海洋質(zhì)量流動形成。地心運動取決于IERS各種觀測技術的配合和觀測站的分布。由于目前還未達到預想的效果，所以僅是一種接近的結(jié)果。國際地球參考框架I

5、TRF是國際地球參考系統(tǒng)(ITRS)的實現(xiàn)，由國際地球自轉(zhuǎn)及參考系統(tǒng)服務(IERS)負責建立和維持，是國際公認的最為精確的全球參考框。ITRF的實現(xiàn)基于VLBI、LLR、SLR、GPS和DORIS空間大地測量技術的觀測數(shù)據(jù)。這些觀測數(shù)據(jù)首先由不同技術各自的分析中心進行處理，最后由IERS中心局(IERS CB)根據(jù)各分析中心的處理結(jié)果進行綜合分析，得出ITRF的最終結(jié)果，并由IERS年度報告和技術備忘錄向世界發(fā)布。 隨著空間測量技術水平的提高、觀測手段和測站數(shù)量的增加以及數(shù)據(jù)處理方法和采用模型的精化， ITRF 也在不斷地改進和完善， IERS共發(fā)布了10余種ITRF序列， 分別為ITRF88

6、一ITRF94、 ITRF96、 ITRF97、ITRF2000和ITRF2005。（三）IGS IGS參考框架由IGS負責建立和維持，為IGS產(chǎn)品提供了一個穩(wěn)定和可靠的內(nèi)部參考框架。與ITRF系列參考框架不同，這些參考框架僅基于GPS技術實現(xiàn)，保證了IGS產(chǎn)品的內(nèi)部一致性。最新的IGS參考框架為IGS05，與ITRF2005相一致，給出了132個IGS站的位置和線性速度。IGS05采用絕對天線相位中心改正，極大提高了IGS框架尺度因子的精度。隨著IGS(國際GPS動力學服務)的建立，ITRF與GPS的關系變的更加密切，IGS同IERS緊密合作，一方面IERS負責產(chǎn)生ITRF的測站坐標、速度和

7、地球自轉(zhuǎn)參數(shù)，另一方面，IGS客觀提供全球GPS觀測數(shù)據(jù)并改進ITRF解。在IGS的建立初期，IGS分析中心利用一些跟蹤站的ITRF坐標去計算GPS衛(wèi)星軌道。IGS精密星歷選用的是ITRF坐標。（四）GTRF (Galileo Terrestrial Reference Frame) 高精度、穩(wěn)定的伽利略參考框架(GTRF，Galileo Terrestrial Reference Frame)的實現(xiàn)是歐洲伽利略衛(wèi)星導航系統(tǒng)所有最基本的產(chǎn)品和服務的基礎，由伽利略大地測量服務原型(GGSP，Galileo Geodetic Service Provider Prototype)負責建立和維持。G

8、TRF不僅要服務于伽利略核心系統(tǒng)，同時也要服務于伽利略用戶部分(GGSP，2004)。GTRF的實現(xiàn)將借鑒IGS框架的相關技術和經(jīng)驗。GTRF初始實現(xiàn)所采用的測站網(wǎng)由3部分組成：l8個GSS站(在GSS運行前等效于IGS站)、45個IGS站和10個并置了SLR技術的IGS站 。（五）GGCS2000大地坐標系 國務院批準自2008 年7 月1 日，啟用我國2000 國家大地坐標系（英文名稱為China Geodetic Coordinate System 2000，縮寫為CGCS2000）。2000中國大地坐標系符合ITRS(國際地球參考系)的如下定義：1)原點在包括海洋和大氣的整個地球的質(zhì)量

9、中心；2)長度單位為米(SI)。這一尺度同地心局部框架的TCG(地心坐標時)時間坐標一致；3)定向在19840時與BIH(國際時間局)的定向一致；4)定向隨時間的演變由整個地球的水平構(gòu)造運動無凈旋轉(zhuǎn)條件保證。以上定義對應一個直角坐標系，它的原點和軸定義如下：1)原點：地球的質(zhì)量中心；2)z軸：指向IERS參考極方向；3)x軸：IERS參考子午面與通過原點且同Z軸正交的赤道面的交線；4)Y軸：完成右手地心地固直角坐標系。CGCS2000通過2000國家GPS大地網(wǎng)的點在歷元20000的坐標和速度具體體現(xiàn)。2000國家GPS大地網(wǎng)由中國地殼運動觀測網(wǎng)絡(包括基準網(wǎng)、基本網(wǎng)和區(qū)域網(wǎng))，全國GPS一、

10、二級網(wǎng)，國家GPS A、B級網(wǎng)和地殼形變監(jiān)測網(wǎng)等空間網(wǎng)(共2518點)經(jīng)聯(lián)合平差得到。三，ITRF現(xiàn)狀與問題地球及其周圍環(huán)境的各種運動和變化的監(jiān)測與研究，需要在一個固連于地球的參考框架（）中來描述、 等空間技術的發(fā)展，使地球動態(tài)變化的監(jiān)測和研究發(fā)生了深刻的變革地殼運動的監(jiān)測已從厘米級向毫米級發(fā)展，毫米級地殼非線性運動特征的監(jiān)測和研究，需要在一個毫米級的地球參考框架中來描述毫米級地球參考框架的構(gòu)建是當今地球科學的前沿研究課題目前國際上通用的國際地球參考框架是由一組固定在固體地球表面的參考點（基準站）組成，這些參考點的歷元坐標和速度場，就具體定義了一個盡管目前中基準站的歷元坐標和速度場已達到了毫米

11、級，但由于在基準站坐標的定義中沒有包含地殼非線性周期運動（主要是高程方向的周年運動，較大的年振幅可達），致使基準站的站坐標達不到毫米級這樣定義的地球參考框架顯然已不能滿足當今毫米級地球動態(tài)變化監(jiān)測的需要對毫米級，基準站的坐標應包含地殼非線性周期運動目前全球已有數(shù)百個的基準站（主要是站）建立了精度達、分辨率為天、長度達數(shù)年的站坐標時間序列通過對這些時間序列的頻譜分析可獲取地殼周期變化（主要是垂向的周年運動）的信息但空間技術（特別是 技術）獲取的周期運動信息的可靠性和精度尚存在一些問題，必須經(jīng)過嚴格的檢核構(gòu)建毫米級 的另一個關鍵問題是地球質(zhì)心運動協(xié)議地球參考框架（）的原點定義為地球（包括大氣和海洋

12、）的質(zhì)量中心（）而作為協(xié)議地球參考系的參考點的觀測臺站則位于固體地球的表面，由這些觀測臺站構(gòu)建的 的原點，從概念上講應是固體地球表面的形狀中心（） 相對于 的運動即為地球質(zhì)心的運動（也稱地心運動）對參考架原點的定義作了多次調(diào)整，將參考架原點定義為由解得歷元0時刻的地球質(zhì)心，但并不遵循關于框架原點的嚴格定義 給出了 解的原點相對于 原點的變化，實際上就是地球質(zhì)心在 內(nèi)的運動，通過給出的地球質(zhì)心運動時間序列的頻譜分析，可獲取地球質(zhì)心周期變化的可靠信息地殼（主要是垂向）和地球質(zhì)心的周年運動，其地球物理機制與地球表面流體圈中的大氣和各態(tài)水的質(zhì)量遷移引起的地表負荷變化（主要包括大氣、海洋非潮汐、積雪和土

13、壤貯水量的質(zhì)量負載等）有關這些質(zhì)量負載具有明顯的季節(jié)性變化特征，由此引起季節(jié)性的地殼彈性形變（主要是高程方向）和地球質(zhì)心運動國際地球自轉(zhuǎn)服務下屬的（ ）于年成立了（）工作組，其目的就是為 提供地球表面各種物質(zhì)負載影響的可靠信利用這些地球物理因素的綜合影響模制出測站高程方向周年變化信息，可用作等空間技術監(jiān)測結(jié)果的比較和檢核另外，近幾年發(fā)射的用星載 定軌的、 低軌道衛(wèi)星為地殼（主要是垂向）和地球質(zhì)心的周年運動的監(jiān)測和建模提供了新的手段。和國際服務（）、國際服務（）、國際 服務（）的最新成果：高精度的、 基準站的站坐標和地球質(zhì)心運動的時間序列， 的 工作組提供的地球表面各種物質(zhì)負載影響的可靠信息和

14、等衛(wèi)星的監(jiān)測結(jié)果，為毫米級地球參考框架的建立和維持提供了很好的條件，構(gòu)建毫米級地球參考框架的時間已經(jīng)到來到地殼的非線性運動以高程方向為主，高程方向又以周年運動為主要特征根據(jù)我們的監(jiān)測結(jié)果，中國地殼高程方向周年運動的振幅可達地殼水平方向也有類似的周期運動，但其振幅要小得多，僅為 ，根據(jù)目前等空間技術的觀測條件和監(jiān)測精度，要獲得水平方向周期運動可靠的監(jiān)測結(jié)果尚有困難因此，目前作為建立和實現(xiàn)毫米級地球參考框架的第一步，首先解決和模制高程方向的周年運動，由此建立的地球參考框架的位置精度有望達到。四，GPS技術中高程精度的改進的解決方案 影響GPS水準因素：1，大地高；2，大地水準面差距。此處主要探究G

15、PS本身測量精度，也就是大地高 的測量精度。因素很多：與衛(wèi)星有關的誤差；與信號傳播有關的誤差；與接收機有關的誤差而每個方面又有幾個誤差源，具體見GPS測量原 理與數(shù)據(jù)處理（李征航）。此處主要探究的是衛(wèi)星的空間幾何分布的影響。 原理解釋：GPS衛(wèi)星的幾何分布：通俗講或者與我們地面的用全站儀的交匯測量有相 似的地方，也就是已知幾個測站點坐標，交匯出未 知點的坐標時，這幾個測站點的平面分布對交匯點 的精確度有關系。與衛(wèi)星的分布有關的量的分析DOP（diluton of precision,精度因子） XDOP,YDOP,ZDOP,HDOP,VDOP,GDOP,RGDO P事實上，這些分別代表了不同坐標系，或者不同放 面的精度因子，理解了一個就等于理解的全部此處主要是探究與高程有關的垂直精度衰減因子：VDOP！有關DOP的知識與待定系數(shù)的協(xié)因數(shù)有關：VODP結(jié)論公式： 解決方案1：利用偽衛(wèi)星增強衛(wèi)星的空間分布偽衛(wèi)星也就是在待測點附近地面放置一個信號發(fā)射器，模擬衛(wèi)星，此種方案在主要用于一些衛(wèi)星觀測 高度角要求較高的地方，比如大壩底部等利用偽衛(wèi)星的理論依據(jù) 對已觀測的K顆衛(wèi)星增加了一顆偽衛(wèi)星之后，其矩陣G變?yōu)槠渲?其中結(jié)果表明，增強衛(wèi)星數(shù)，其幾何精度因子必定減小，這一結(jié)果同時也對可見衛(wèi)星數(shù)越多定位越高這一經(jīng)驗性事實理論上給出了證明解