淺談獲取小區(qū)域2000國家大地坐標(biāo)的方法3700字

1、淺談獲取小區(qū)域2000國家大地坐標(biāo)的方法3700字 摘 要：本文在分析CGCS2000的定義及實(shí)現(xiàn)的根底上，討論出小區(qū)域2000國家大地坐標(biāo)的獲取三種方法即整體平差法、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換法及框架轉(zhuǎn)換法，并對(duì)各自特點(diǎn)及使用條件進(jìn)展比照分析。關(guān)鍵詞：CGCS2000;歷元?dú)w算;框架轉(zhuǎn)換引言大地坐標(biāo)系是建立地球空間框架的根底，是描繪地球空間實(shí)體位置的參考基準(zhǔn)，因此科學(xué)地定義和使用大地坐標(biāo)系將會(huì)對(duì)航空航天、衛(wèi)星定位、地殼形變、板塊運(yùn)動(dòng)、工程建立等許多領(lǐng)域產(chǎn)生重大影響。我國于20世紀(jì)50年代和80年代，先后建立的國家大地坐標(biāo)系統(tǒng)1954年北京坐標(biāo)系和1980西安坐標(biāo)系屬于參心坐標(biāo)系，這兩個(gè)坐標(biāo)系曾為當(dāng)時(shí)國民經(jīng)濟(jì)和

2、社會(huì)開展提供了根底的測繪保障，但在使用過程中存在一系列的缺點(diǎn)和缺乏：首先所采用的坐標(biāo)系原點(diǎn)與地球質(zhì)量中心有較大的偏向、坐標(biāo)軸的方向與采用現(xiàn)代科技手段測定的結(jié)果存在較大差異，其次采用的是靜態(tài)、二維坐標(biāo)系，只能提供二維的點(diǎn)位坐標(biāo)，無法滿足現(xiàn)勢性較高的城市建立、行業(yè)部門對(duì)高精度測繪地理信息效勞的要求。因此，傳統(tǒng)的參心坐標(biāo)系已不適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)開展的需要。我國在90年代以GPS空間大地測量手段分別建立了GPSA、B級(jí)網(wǎng)，GPS一、二級(jí)網(wǎng)，中國地殼觀測網(wǎng)絡(luò)工程基準(zhǔn)網(wǎng)、根本網(wǎng)、區(qū)域網(wǎng)，并根據(jù)此網(wǎng)于2022年完成了網(wǎng)平差構(gòu)建了我國地心坐標(biāo)系統(tǒng)2000國家大地坐標(biāo)系坐標(biāo)框架，于2022年7月1日正式在全國啟用20

3、00國家大地坐標(biāo)系。隨著2000國家大地坐標(biāo)的廣泛應(yīng)用，越來越多的工程建立都在采用2000國家大地坐標(biāo)。因此討論和研究如何獲取小區(qū)域，特別是周邊缺乏CGCS2000控制點(diǎn)的區(qū)域的CGCS2000坐標(biāo)將具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。一、CGCS2000的定義及實(shí)現(xiàn)1.1 定義2000國家大地坐標(biāo)系符合ITRS(國際地球參考系)的如下定義1)原點(diǎn)為包括海洋和大氣的整個(gè)地球的質(zhì)量中心;2)2000國家大地坐標(biāo)系的Z軸由原點(diǎn)指向歷元2000.0的地球參考極的方向，該歷元的指向由國際時(shí)間局給定的歷元為1984.0作為初始指向來推算，定向的時(shí)間演化保證相對(duì)于地殼不產(chǎn)生剩余的全球旋轉(zhuǎn);X軸由原點(diǎn)指向格林尼治參考子午線

4、與地球赤道面(歷元2000.0)的交點(diǎn);Y軸與Z軸、X軸構(gòu)成右手正交坐標(biāo)系，如圖1。3)2000國家大地坐標(biāo)系的尺度為在引力相對(duì)論意義下的部分地球框架下的尺度。2000國家大地坐標(biāo)系采用的地球橢球參數(shù)數(shù)值為：長半軸=6378137m扁率=1/298.257222101地心引力常數(shù) GM=3.986004418x1014 m3s-2自轉(zhuǎn)角速度=7.292l15x10-5 rad/s1.2 實(shí)現(xiàn)2000國家大地坐標(biāo)系由2000國家GPS網(wǎng)在歷元2000.0的三維坐標(biāo)和速度實(shí)現(xiàn)的，2000國家GPS大地網(wǎng)是經(jīng)過結(jié)合平差得到的一個(gè)覆蓋全國規(guī)模的GPS大地網(wǎng)(圖2)，結(jié)合平差是以全球分布的IGS核心站的

5、ITRF97框架下的坐標(biāo)和速度為起算成果，并將成果歸算到參考?xì)v元2000.0。二、小區(qū)域CGCS2000坐標(biāo)的獲取區(qū)域地心參考框架的實(shí)現(xiàn)一般有兩種方法。一種是基于全球ITRF參考框架，布設(shè)區(qū)域性的連續(xù)參考站，并在此根底上對(duì)基準(zhǔn)網(wǎng)進(jìn)展加密;另一種是利用全球IGS站和區(qū)域連續(xù)運(yùn)行站，和傳統(tǒng)大地控制網(wǎng)進(jìn)展結(jié)合平差，得到統(tǒng)一的基于某一歷元的區(qū)域地心坐標(biāo)框架?；谌騃TRF參考框架，利用區(qū)域性連續(xù)基準(zhǔn)站和基準(zhǔn)站網(wǎng)加密的方法建立區(qū)域性地心坐標(biāo)系，可通過選擇周邊或全球ITRF框架下具有準(zhǔn)確站坐標(biāo)和速度場的IGS站作為基準(zhǔn)站;利用測站的速度場模型將它們歸算至某一參考?xì)v元t0，對(duì)這些站施加強(qiáng)約束，與區(qū)域的連續(xù)

6、GNSS觀測站的數(shù)據(jù)或定期復(fù)測的數(shù)據(jù)在參考?xì)v元t0下進(jìn)展最小二乘估計(jì)，產(chǎn)生t0歷元的區(qū)域網(wǎng)ITRF站坐標(biāo)。我國2000框架目前只能提供相應(yīng)于ITRF97框架，2000歷元的靜態(tài)坐標(biāo)，對(duì)于目前廣泛采用的GPS準(zhǔn)確定位(ITRF2022框架和當(dāng)前歷元)帶來不便，需要進(jìn)展框架轉(zhuǎn)換，還需要高分辨率的速度場資料，以便施行點(diǎn)從2000年至當(dāng)前歷元的點(diǎn)位歸算。由于各ITRF之間存在系統(tǒng)差異，需要建立他們之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，包括平移參數(shù)、旋轉(zhuǎn)參數(shù)、尺度參數(shù)七個(gè)參數(shù)。對(duì)于小區(qū)域的2000國家大地坐標(biāo)的獲取，可參照區(qū)域地心參考框架的實(shí)現(xiàn)原理和方法，結(jié)合詳細(xì)情況可選擇整體平差法、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換法及框架轉(zhuǎn)換法。2.1 整體平差

7、法整體平差法的根本思想是對(duì)區(qū)域網(wǎng)進(jìn)展約束平差。通過整體平差的方法將區(qū)域網(wǎng)納入到2000國家大地坐標(biāo)系中，根本步驟如下：1)根據(jù)區(qū)域網(wǎng)站點(diǎn)的分布情況，選擇適宜數(shù)量的高精度基準(zhǔn)點(diǎn)作為基準(zhǔn)。這些點(diǎn)需要有CGCS2000下的準(zhǔn)確坐標(biāo)。2)用高精度的數(shù)據(jù)處理軟件(如BERNESE、GAMIT)將基準(zhǔn)點(diǎn)和區(qū)域網(wǎng)點(diǎn)的原始觀測數(shù)據(jù)進(jìn)展結(jié)合基線處理;3)在CGCS2000坐標(biāo)系下，約束基準(zhǔn)點(diǎn)的坐標(biāo)平差得區(qū)域網(wǎng)的2000國家大地坐標(biāo)。2.2 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換法利用公共點(diǎn)求解轉(zhuǎn)換參數(shù)，將兩套坐標(biāo)帶入模型方程，求解出基于ITRF框架的區(qū)域網(wǎng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到CGCS2000下所需的轉(zhuǎn)換參數(shù)。通?？蛇x用的模型有布爾莎模型和莫洛金斯基模

8、型。2.3 框架轉(zhuǎn)換法目前，GPS數(shù)據(jù)處理得到成果多采用ITRF2022或ITRF2022框架下當(dāng)前歷元， 而CGCS2000是基于ITRF97框架下2000.0歷元，因此采用框架法一般要經(jīng)過兩個(gè)步驟實(shí)現(xiàn)：框架轉(zhuǎn)換和歷元?dú)w算。1)框架轉(zhuǎn)換ITRF框架之間的轉(zhuǎn)換使用的是由IERS公布的參數(shù)，包括轉(zhuǎn)換參數(shù)及其速率，計(jì)算公式如下： 其中T為三個(gè)平移參數(shù)，D為尺度因子，R為三個(gè)旋轉(zhuǎn)參數(shù)，VT、VD、VR 分別為其速率。再利用布爾莎模型進(jìn)展框架間轉(zhuǎn)換，其轉(zhuǎn)換公式如下：假設(shè)ITRF框架之間沒有直接轉(zhuǎn)換參數(shù)，可通過間接法轉(zhuǎn)換。2)歷元?dú)w算CGCS2000坐標(biāo)是以2000.0為參考?xì)v元，可根據(jù)測站的速度，對(duì)當(dāng)

9、前歷元進(jìn)展換算，計(jì)算公式如下：歷元的歸算通常離不開準(zhǔn)確的速度場模型，而建立速度場模型的常用方法有歐拉矢量法、擬合法和空間插值法等。針對(duì)部分地區(qū)的小區(qū)域速度場多采用空間插值法，常用的插值法有反間隔 加權(quán)平均差值(IDW)、基于kriging插值法、有限元插值法等。下面是反間隔 加權(quán)平均插值模型，其它模型可參看相關(guān)文獻(xiàn)。反間隔 加權(quán)又名空間滑動(dòng)平均法，它是根據(jù)近鄰點(diǎn)的平均值估計(jì)位置點(diǎn)的方法，該方法基于地理學(xué)第一定律相似相近原理，即根據(jù)樣本點(diǎn)周圍數(shù)值隨著其到樣本點(diǎn)間隔 的變化而變化，并且呈現(xiàn)反相關(guān)，間隔 樣本點(diǎn)越近，其數(shù)值和樣本點(diǎn)的數(shù)值越近?？杀硎緸椋?.4 方法比擬上述三種獲取區(qū)域網(wǎng)基于CGCS2

10、000下坐標(biāo)的方法都有其各自的適用范圍和前提條件。在實(shí)際的應(yīng)用中，可根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況結(jié)合各自的方法優(yōu)劣來選擇：1)整體平差法的優(yōu)點(diǎn)，防止了數(shù)學(xué)建模和參數(shù)計(jì)算的復(fù)雜過程，不需要提供任何公共點(diǎn)坐標(biāo);原理簡單易懂，可操作性強(qiáng)，過程直觀清楚。缺點(diǎn)：只合適有原始觀測數(shù)據(jù)的情況，而且需要根據(jù)網(wǎng)形的特點(diǎn)選擇適宜的高精度基準(zhǔn)點(diǎn)，這些基準(zhǔn)點(diǎn)的分布和精度將直接影響到最后處理結(jié)果。2)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換法的優(yōu)點(diǎn)：方法簡單，易于實(shí)現(xiàn)，只要有滿足條件的足夠數(shù)量的公共點(diǎn)坐標(biāo);缺點(diǎn)是需要根據(jù)不同情況選擇適宜的模型，不同模型的難易程度也不同，并且要求待轉(zhuǎn)點(diǎn)附近足夠數(shù)量的重合點(diǎn)。3)框架轉(zhuǎn)換法的優(yōu)點(diǎn)：顧及板塊相對(duì)運(yùn)動(dòng)和不同歷元間框架的嚴(yán)

11、格轉(zhuǎn)換關(guān)系，是較為嚴(yán)密的轉(zhuǎn)換方法。適用于ITRF框架的轉(zhuǎn)換，不依賴于任何外部控制點(diǎn)，單個(gè)待轉(zhuǎn)換點(diǎn)亦可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換，特別合適區(qū)域網(wǎng)周圍缺少或沒有CGCS2000的控制點(diǎn)的情況下?？蚣苻D(zhuǎn)換方法的缺乏：需要準(zhǔn)確的速度場信息，速度參數(shù)的獲取及其精度是一個(gè)非常復(fù)雜和困難的問題。三、完畢語本文首先闡述了CGCS2000的定義和實(shí)現(xiàn)，作為我國新一代大地基準(zhǔn)，國家2000大地坐標(biāo)系，以其精度高、現(xiàn)勢性好等特點(diǎn)，較好的滿足了信息化社會(huì)開展的需求。同時(shí)為了滿足高精度數(shù)據(jù)處理的需要，本文也討論了小區(qū)域網(wǎng)獲取基于CGCS2000下的坐標(biāo)成果的方法，主要包括三種方法：整體平差法、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換法和框架轉(zhuǎn)換法。三種方法有各自的優(yōu)缺點(diǎn)和使用范圍，在實(shí)際工作中可結(jié)合詳細(xì)情況，選擇合適的方法。參考文獻(xiàn)：1藺文彬，等.中國新一代大地基準(zhǔn)2000國家大地坐標(biāo)系J.艦船電子工程，2022，33(8)：19-21.2魏子卿.2000中國大地坐標(biāo)系J. 大地測