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大地基准的现代化和卫星大地测量新成果参加省略量协会I解析
第19卷第1期2004年2月
文章编号:
100128166(2004)0120012205
地球科学进展
ADVANCEINEARTHSCIENCES
Vol.19 No.1Feb.,2004
大地基准的现代化和卫星大地测量新成果
陈俊勇
(国家测绘局,北京 100830)
Ξ
———参加国际大地测量协会(IAG)2003年日本札晃大会札记
摘 要:
国际大地测量协会(IAG)2003年7月在日本札晃举行了近8天的学术讨论会。
现将讨论
会中关于我国近邻国家大地基准现代化,低轨卫星(LEO)解算地球重力场的新方法———《一步法》,及GPS数据处理方法的新进展等进行扼要介绍。
《国际地面参考框架(ITRF)》一直作为全球的大地测量坐标框架,它目前存在的主要问题是它的框架点是一律被假定作常速运动的,但实际情况与ITRF的这一假定是不一致的。
在这次大会上我国的近邻国家如日本、蒙古、新西兰、韩国、、坐标框架的更新和现代化,以及地区大地水准面的精化工作。
球重力场及其时变,数据处理方法的新进展中比较突出的有:
的解算方案;关 键 :
中图分类号:
B
方面,即:
大地定位,地球重力场测定,地球动力学,
地球自转和重力场的变化,新型空间大地测量技术,大地测量理论和方法等。
现将IAG学术讨论会中作者认为值得关注的部分综述如下。
0 概 况
国际大地测量和地球物理联合会(IUGG)在2003年6月30日至7月11日在日本札晃举行了4年一次的大会,与此同时,其下属的7个协会,包括国际大地测量协会(IAG),也同时举行协会的或协会间联合的学术讨论会。
这次大会的参加者来自96个国家和地区,5200余人,其中来自日本国内的
1 大地基准的现代化
1.1 国际地面坐标框架存在的问题和今后的改进
10余年来《国际地面参考框架(ITRF)》一直作
约1800人。
由于受非典影响,中国大陆有相当一
部分与会者未能参加此次大会,持中国护照注册参会的共有110余人,其中直接来自大陆约50人。
这次向IUGG大会提交的学术论文共7000余篇。
涉及IAG的论文为457篇,其中口头报告为199篇,以张贴形式报告的为258篇。
上述IAG论文中,由居住在中国大陆的作者提交的论文35篇,其中安排为口头报告的有18篇。
这次IAG学术讨论会的主题有以下几个大的
Ξ 收稿日期:
2003207223;修回日期:
2003211203.
为全球的大地测量坐标框架。
对它目前存在的问题
和今后的改进方向,进行了综合研究[1,2]后,得到了以下几点共识。
①ITRF是多种空间技术(如GPS、GLONASS、VLBI、SLR、LLR、DORIS等)联合解算的结果,这样就具有综合各种技术长处的优势,但也随之带来了问题。
因为各种不同的空间技术系统有各自的基准和各自的偏差,这是使目前联合解算结果的精度不能得到进一步提高,受到制约的主要原因。
②从多种空间技术所综合解算得到的坐标框架
作者简介:
陈俊勇(19332),男,浙江宁波人,研究员,中国科学院院士,主要从事大地测量学研究1E2mail:
jychen@
第1期 陈俊勇:
大地基准的现代化和卫星大地测量新成果 13
点坐标及其移动速度值分析,说明其中相当一部分点的移动速度不是线性运动,而目前ITRF中的框架点是一律被假定作常速运动的,也就是说实际情况与ITRF的这一假定是不一致的。
③ITRF中部分点(约80个)或由于观测质量、或由于仪器老化,或由于运行时间尚短等原因,这些站点的坐标和移动速度的精度都比较差。
上述3个因素都使ITRF的精度受到影响,局部甚至还可能有畸变。
对解算今后ITRF时,建议考虑以下几个重要方面的问题。
①妥善解决关于数据归算中的约束问题。
建议采用无约束法方程式进行解算,替代目前应用的方差协方差矩阵参与解算。
②研究目前实际存在的观测数据不协调问题。
即在不同技术之间,不同计算中心的解算结果之间,研究它们所采用的模型、参数、基准定义、计算方法等方面的差别,研究产生不同解算结果有差异的根源。
③为了更好地定义ITRF的动态基准,建议采用动态板块运动模型,如APKIM模型,替代目前的NNR2NUVEL21A模型,以确保真正的“无净转”条件。
④目前假设点位的常速移动在实际中是不真实的,呈现非线性变化。
因此对ITRF系列如何表示,1.2 近邻国家大地基准的更新和现代化我国的近邻国家如日本、蒙古、新西兰、韩国、马来西亚等在这次大会上报告了本国大地坐标系统或大地坐标框架的更新和现代化工作和进程。
(1)日本大地基准现代化[3]。
从2000年4月开始日本新的大地基准JGD2000正式取代了具有百年历史的东京大地基准。
JGD2000采用国际地面参考系统(ITRS)的定义,历元定为1997.0。
大地常数,包括椭球参数,取众所周知的《大地参考系统
(GRS80)所给定的值。
东京大地基准坐标转1980》
换为ITRS时的坐标转换参数(x0,y0,z0)分别为-146m、507m、681m。
维持JGD的大地坐标框架是由1200个GPS连续运行站(GEONET)协同64000个一等、二等、三等经典大地点组成。
基于重
架的大地坐标系统和WGS84保持一致。
MON2
REF97这一新的国家地心三维坐标框架,取代了原来的蒙古国家二维平面坐标系MSK42(采用克拉索夫斯基椭球)。
MSK42和原苏联普尔科伏(Pulko2vo)1942系统保持一致(类似于中国70年代以前的老北京54坐标系)。
蒙古的高程基准目前仍沿用原苏联波罗的海高程基准,目前不考虑用MONREF97的大地高来替代。
(3)新西兰大地基准现代化[5]。
新西兰于1998年建立了一个新的大地坐标系统NZGD2000。
它是三维地心坐标系统,参考历元为2000.01.01。
坐标框架是以半动态方式定义,也就是框架点坐标和速度是在上述历元时一次给定,并假设这一其速度场是恒定的。
现在几年过去了,即使不顾框架点坐标的测量误差,由于速度场的误差以及可能的非线性变化,与参考历元时间相距越远,:
一个,?
?
速度场的?
相对于水平形变模型更为困难的是如何给出三维坐标的垂直形变模型?
(4)韩国大地基准现代化[6]。
韩国于1998年推出一个完全新型的国家三维地心大地坐标系统(KGD2000),以替换现行的PPGN所定义的坐标系统。
KGD2000以ITRF97为参照,历元采用2000.0。
这是韩国大地测量工作面向21世纪的一项重大决策。
它将向用户提供精确的,附有时相的三维地心空间坐标,而且KGD2000与国际坐标框架保持确定的、精确的连接。
KGD2000与原来经典的大地坐标系统或大地
基准不同,它有以下一些特点:
①以地心为大地坐标系的原点;②与国际通用的地面坐标参考系统(ITRS)和相应的椭球参数(GRS80)保持一致;③和ITRS的联系是通过KGD2000中连续运行的若干
力和GPS水准数据,日本推算了新的大地水准面
(GE2000)。
对日本的空间数据基础设施的建设GE2000和JGD2000来说,是一个极为重要的进步。
(2)蒙古大地基准现代化[4]。
蒙古近年建立了
个GPS工作站与国际地面参考框架(ITRF97)的不断连测来实现的;④KGD2000的历元确定为2000.0,即该系统中的坐标框架点的坐标值都是以此历元为准;⑤表徵KGD2000坐标框架点的标石是会移动的,也就是这些点的坐标值是变化的,因此通过长期观测后,对KGD2000中的一部分点位移动量相对平稳的点,将提供年运动速率,以保持KGD2000中坐标框架点的坐标值的现势性。
KGD2000的核心部分是有足够数量和分布合
新的国家大地坐标框架MONREF97。
该大地框架是在瑞典支援下,采用GPS观测完成的,因此该框
14 地球科学进展 第19卷
理的GPS连续运行站(COS)。
韩国国土地理院
(NGI)对上述各COS所接收的GPS追踪数据,每星期计算一次,计算的主要内容是对各个COS在一周内每天在ITRF97内的坐标。
用以监测各个COS的运行稳定性和点位稳定性。
NGI正在利用KGD2000努力开拓业务,为韩国的其他部门提供广
有经济效益,大地水准面结合GPS就可以方便的获得正(常)高,而无需通过繁重的水准测量工作。
二是有技术可能,现在有了新的公开的全球数字地形模型GTOPO30和3″分辨率的SRTM地形数据,有了CHAMP、GRACE等新的卫星重力数据和比较精确的地球重力场模型EGM96,以及各国自己的GPS水准数据。
这些数据就使得精化、改善本地区的大地水准面有了基础和可能,因此不仅美国、欧洲、俄罗斯,而且非洲、南美、中东、东南亚不少国家都报告了他们本国大地水准面精化的进展。
这里介绍一下我国台湾在这一方面的情况[8]。
台湾利用陆上重力数据和2065点的GPS水准数据,在海上利用船测重力数据和卫星测高所反演的重力数据,结合EGM96重力场模型,和台湾新的高程基准TWO2001,改善台湾现有的只有±20~30cm精度的大地水准面。
改造后的台湾大地水准面的分辨率为3′×3′,精度)为±10cm,
泛服务,受到有关部门特别是地质、地震、大气,导航
等单位的青睐。
(5)马来西亚大地基准现代化[7]。
马来西亚建立国家三维地心大地坐标系统NGRF2000时,采用了3个步骤。
第一是建立分布全国的数十个GPS永久性连续运行站(MASS)。
MASS于1999年初开始运行,采用两年的GPS追踪数据(1999年1月1日至2000年12月31日)计算出MASS各站的最终坐标。
计算时用二种不同软件(BERNESE3.4和GIPSY)分别独立进行数据处理,以确保MASS坐标成果的可靠无误。
MASS各站坐标定义于ITRF97,历元为2000.0,其平差后精度的水平分量为±1cm,高程分量为±2cm。
在解算MASS各站坐标值的同时解算了相应的平均移动量。
GPS大地网(PG2GN),共238个点拼接到MASS网上,使马来西亚三维地心坐标框架点的分布和密度实用、合理,以最终建成马来西亚国家的新的三维地心大地坐标系统。
由此重新算得的PGGN各点的新坐标和MASS的点一起成为马来西亚国家三维地心坐标框架NGRF2000的点。
通过上述二个步骤,NGRF2000确保了它所在的坐标系统和MASS保持一致即由ITRF97定义,历元为2000.0。
因此马来西亚认为该国具有了这样一个与国际通用的高精度三维地心大地坐标系后,对精确统一该国的东西两大区域的坐标系统做出了贡献;为该国正在蓬勃发展的地理信息系统提供了一个统一的基础地理框架;在应用GPS等空间技术方面会得到最大的好处,并且为社会提供GPS在陆海动态实时定位(导航)、气象、海平面监测和地震预报等方面的服务有了良好基础。
1.3 区域大地水准面的精化
~25.50°N,119.50
~45。
(LEO)解算方法的重大突破
CHAMP和GRACE卫星的轨道信息对于求定
地球重力场及其时变有重大意义。
通常采用所谓《二步法》这一计算程序进行数据处理,即第一步利用GPS地面站所接收的GPS卫星数据,计算GPS卫星的轨道,第二步利用CHAMP和GRACE平台上的GPS接收机数据,由第一步中算得的GPS卫星轨道,计算这二颗卫星在LEO上的精密轨道和重力场参数,在第二步计算中GPS卫星轨道(由第一步计算而得)是作为固定值处理。
按二步法计算程序,根据CHAMP的数据已计算了EIGEN1、EIGE2NIS、EIGEN2等地球重力场模型,而在EIGEN2的基础上又发展了EIGEN2ee模型。
它利了CHAMP的380天数据,结合地面重力和激光测距数据,发展了EIGEN2CP模型,它在陆地的分辨率为120阶,在海洋为60阶,即分辨率为160km左右。
作为对上述二步法重大改进,目前德国地学研究中心(GFZ)已研究完成了《一步法》计算的理论和实践[9]。
一步法是将LEO上的卫星(目前就是CHAMP和GRACE)轨道,GPS(发射给LEO卫星的)卫星轨道、地球重力场、地球自转参数(EOP)和GPS地面追踪站坐标,SLR追踪站坐标等全部作为
为了适应信息时代,各国在改善大地坐标系统
和坐标框架的同时,很多国家都在致力改善本国或本地区的大地水准面。
这有二个方面的原因。
一是
待平差量,一并予以整体解算。
一步法处理时的数据包括:
地面GPS追踪站数据,SLR对LEO卫星的
第1期 陈俊勇:
大地基准的现代化和卫星大地测量新成果 15
追踪数据,LEO卫星上接收到的GPS数据,LEO卫星上的加速度计的数据,K波段测距及其变率数据,LEO卫星的高度和变轨等数据。
重力场的短暂性变化是由于地球内部和外部物质的重新分布所引起,这也影响地面测站的坐标和EOP。
这就是说地球重力场的重构和地球几何框架是有内部统一联系的,都是地球物理流的表示。
经典的二步法计算往往忽略这种相关,如EOP和地面测站坐标的解算,按传统方法,如上述二步法,都是在一个静止的重力场范畴内予以解算,任何重力场的时变及其影响都是忽略而不予考虑的。
一步法就是将计算地球重力场和它的参考框架,以及他们的互动,建立了统一的有内在的数学联系,并予以一并解算。
初步的实际计算表明,主要待平差量的精度得到很大提高,达到50%以上,而且解算得到的各类待平差量之间更加相互协调。
一步法是对LEO算法上的一次重大突破。
测数据的上述相关性因素时,对网站的坐标及其速率解算结果的正确性影响不大,但这时对上述解算结果的精度评估往往过高。
引入这一相关因素后,对解算结果的精度评估就比较符合实际,而据此对地球动力现象的解释与实际情况也更为协调[12]。
4.2 含有系统误差的GPS观测数据的解算
当GPS观测数据含有系统误差时,GPS站用整个观测时间段所获得的观测数据,一次性进行整体解算,由此解算所得的该GPS站坐标的精度评估值往往过高。
建议采用不同时间段的观测数据分别进行定位数据处理,然后进行互比。
这样所得的精度评估结果比较接近实际[13,14]。
其理论基础是:
假设GPS整个观测数据中只有呈正态分布的偶然误差,那么用最小二乘法,对整个观测数据一次性进行平差,是可以得出未知参数及其精度的最佳估计。
但实际上观测数据常常含有未知的系统误差,或是平,众所周知,,来评估和削弱观测GPS数,相对来说比较简单和实用。
4.3 对ISO的观测数据处理标准提出修改意见
有的作者从规范和标准的角度对含有偶然误差和系统误差的大地定位的观测数据处理提出修改意见[15]。
在1995年ISO对所谓测量成果的不确定性的表达式提出一个指导性意见。
该意见认为:
所谓不确定性包括偶然误差和系统误差所导致的各种分量综合形成。
而贡献于不确定性的各个分量可以分别模型化为方差和标准差,然后二者用高斯误差传播定律结合起来,进行统一表达这一观测量平差后的精度。
对于偶然误差分量和系统误差分量的方差是由概率分布的状态导出。
如偶然分量则是根据高斯正态分布求出,而系统分量则根据现有信息的质量,如均匀分布的实际求出。
ISO的上述意见有2个主要缺点,一是没有提
3 激光测卫的新成果———地球动力扁
率的异常变化
根据对全球40余个卫星激光测距(R)10余年观测资料的分析[10]2异常变化。
J2,小的趋势,9×10-11/a。
这些年来地球物理学家和地质学界认为这一现象是正常的,是由后冰期回弹(PGR)所引起的现象。
但在1998年,J2值突然改变为增加的趋势。
这个增加的趋势一直持续到2001年。
然后J2值又突然恢复为原来的减小的趋势。
这一变化应该是反映地球系统在这一时期有全球规模性的物质流动和重新分布,而且这一地球物质重新分布的影响必须大大超过PGR时变影响的量级。
初步的分析认为,可能由于在1998—2001年间极区冰盖、大的冰川有过剧烈的融崩,导致在南太平洋和印度洋处海水的大量聚积[11],但对这一解释仍有很大争议。
4 GPS数据处理方法的改善
4.1 GPS连续运行网的解算
当用GPS连续运行网作为坐标框架点来实现和维持坐标参考系,或是去测定本地区的地壳运动时,常常发现GPS连续运行网解算中受到观测数据短暂性相关(temporalcorrelation)的影响。
由于GPS点的坐标解算过程中没有顾及这一相关的因素,往往导致GPS网站的坐标及其移动速度的解算精度评估受到影响。
根据实例试算,发现不考虑观
及置信区的统计测试;二是承认用重复观测可以任意降低不确定性的可能。
显然这是违背实践经验的,含有系统误差的观测量决不可能用同一观测程序多次重复观测而会减少的。
因此对上述ISO关于对测量成果不确定性评估的条款应进行修改。
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Abstract:
SomeimportanttopicsintheIAG(InternationalAssociationofGeodesy)SymposiumheldinJuly2003,inSapporo,Japan,suchasthemodernizationofgeodeticdatuminChina’sneighboringcountries,newstrategyfortheEarthgravityfielddeterminationfromLEOsatellites(On
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