中國大地測量坐標框架建設及應用

中國大地測量坐標框架建設及應用一、背景國務院通知：中國2008年7月1日起使用“2000國家大地坐標系統(tǒng)”；全軍使用“2000中國大地坐標系統(tǒng)”；2003年中國建立了“2000中國大地控制網(wǎng)——2000中國大地坐標框架”。中國需要什么樣的坐標系？什么是2000中國坐標系？中國為什么要建立2000坐標系？如何定義2000中國坐標系？如何實現(xiàn)2000中國坐標系？2000中國坐標系的規(guī)模和水平如何？啟用2000中國坐標系的意義是什么？啟用2000中國坐標系需要完成哪些任務？一、背景大地測量工作者的主要任務！我們需要什么樣的坐標系？——所有航天器都繞地球質(zhì)心飛行，軌道監(jiān)測、計算需要地心坐標系；——中國參加國際事務需要統(tǒng)一的地心坐標系；——海洋安全、國土安全需要統(tǒng)一的坐標系；——航海、航天、航空、都需要與國際一致的坐標系；——地學研究，如海平面變化、地殼運動等需要高精度的坐標系；——坐標系統(tǒng)的水平反映一個國家的測繪水平。——我們需要建立地心坐標系！

為什么要建立2000坐標系？一、背景

建立2000中國大地測量系統(tǒng)的目的為經(jīng)濟建設服務為空間技術(shù)服務為地質(zhì)勘探服務為海洋開發(fā)服務為地震預報服務為國防建設服務

…2000中國家大地坐標系大地坐標框架建設大地測量坐標系定義大地坐標框架維持大地坐標系統(tǒng)啟用一、背景2000國家大地坐標系，是一協(xié)議地球參考系由原點、尺度、坐標軸的定向及其時間演化定義由已知其坐標（和速度）的地面點集合實現(xiàn)二、2000中國大地坐標系統(tǒng)概述赤道首子午線ZXY地球質(zhì)心IERSIRMIERSIRP參考橢球面基本定義原點在包括海洋和大氣的整個地球的質(zhì)量中心；長度單位是在引力相對論意義下的局部地球框架內(nèi)定義的米（SI）；初始定向由1984.0時BIH的定向給定；定向時間演化：整個地球水平構(gòu)造運動無凈旋轉(zhuǎn)（no-net-rotation）。（CGCS2000）滿足IERS規(guī)范規(guī)定的下列條件：二、2000中國大地坐標系統(tǒng)概述ZYXCGCS2000參考橢球,也作為CGCS2000正常橢球，既作地球的數(shù)學表面,也是正常重力場等位面參考橢球的中心與地球質(zhì)心重合參考橢球由四個常數(shù)（兩個幾何常數(shù)和兩個物理常數(shù)）定義長半軸

a=6378137.0m地球含大氣層引力常數(shù)

GM=3986004.418108m3s-2地球的動力形狀因子

J2=1.082629832258地球自轉(zhuǎn)角速度

=7292115.010-11rads-1二、2000中國大地坐標系統(tǒng)概述2000中國坐標系是一個地心坐標系，歷元2000.0；2000中國坐標系是與國際地球參考系（ITRS）基本一致的坐標系；也是與國際先進水平相當?shù)淖鴺讼担?003年基本建成2000中國坐標系；2004年基本完成《2000中國大地測量基準》；2000中國坐標系是國家測繪局、總參測繪局、中國地震局共同合作的成果；2000中國大地坐標系也是中國測繪科技工作者70多年艱苦勞動的結(jié)晶。二、2000中國大地坐標系統(tǒng)概述框架：ITRF97；歷元：2000.0;由三個層次框架點組成。第一層次：連續(xù)運行參考站，28個點，CGCS2000基本骨架。精度mm級。第二層次：“2000國家GPS大地控制網(wǎng)”。精度cm級。第三層次：全國天文大地網(wǎng)，約5萬個點。大地經(jīng)緯度精度：0.3m，大地高誤差優(yōu)于0.5m。三、2000中國大地坐標框架及其特點全國天文大地控制網(wǎng)約50000點2000國家GPS大地控制網(wǎng)2500多點IGS站和永久跟蹤站28點3mm3cm3dm第一層次坐標框架——中國地殼運動觀測網(wǎng)絡基準網(wǎng)第二層次坐標框架——2000中國GPS大地網(wǎng)第三層次坐標框架——全國天文大地網(wǎng)空間大地網(wǎng)——2000國家GPS大地控制網(wǎng)（12年）地面大地網(wǎng)——國家天文大地控制網(wǎng)（70多年）時間長2000GPS網(wǎng)2500多點、4600多條基線；天文大地網(wǎng)近5萬點、未知參數(shù)20多萬個；30多萬條觀測信息。數(shù)據(jù)量大覆蓋廣天文大地網(wǎng)覆蓋全國內(nèi)陸地區(qū)；2000GPS控制網(wǎng)覆蓋全國內(nèi)陸和部分沿海島嶼。三、2000中國大地坐標框架及其特點四、國際主要大地坐標系統(tǒng)建設概況NAD83坐標系，25萬個點；NAD83地心坐標系與地球質(zhì)心的重合度大約為2米；空間坐標軸定向為0.03″；網(wǎng)的尺度達到0.0871×10-6

北美坐標系定義與ITRS一致；由12個地面跟蹤站和衛(wèi)星星歷共同維持；WGS84與ITRF符合到5厘米以內(nèi)。WGS84坐標系四、國際主要大地坐標系統(tǒng)建設概況（續(xù)）中、南美洲坐標系概況南美洲十一個國家開展了GPS會戰(zhàn)（SIRGAS計劃，58個點）；建立了與ITRS相一致的地心參考系SIRGAS；歷元1995.4；內(nèi)部精度：站坐標分量均方根誤差為4毫米；外部檢核精度：3厘米左右。歐洲坐標系概況歐洲參考系ETRS2000，ETRS固聯(lián)于歐洲板塊的穩(wěn)定部分；EUREF分為三級：A級相對于ITRF89框架的精度達1厘米，B級在給定歷元的坐標精度達1厘米，C級相對于ITRF89的精度達5厘米。EUREF已融入ITRF。四、國際主要大地坐標系統(tǒng)建設概況（續(xù)）俄羅斯坐標系1942年建立的統(tǒng)一大地坐標系CK-42；1988年軍方實施新的統(tǒng)一地心坐標系CK-90；民用方面：1995年起改用CK-95新系統(tǒng)，134個控制點，參考橢球為克拉索夫斯基橢球；俄國防部：地心坐標系PZ-90。日本坐標系日本大地坐標系統(tǒng)：JGD2000；定義與ITRS一致，歷元1997.0；大地控制網(wǎng)：由1200個GPS連續(xù)運行站和64000個一等、二等、三等經(jīng)典大地點組成。臨近國家坐標系蒙古：MON-REF97；新西蘭：1998年建立了與ITRS一致的NZGD2000，基準，參考歷元：2000.01.01；澳大利亞：地心基準GDA1994.0（78個GPS框架點和澳洲永久GPS跟蹤網(wǎng)）；對應ITRF92；歷元1994.0，坐標精度約幾個厘米；韓國：1998年推出地心坐標統(tǒng)(KGD2000)；框架：ITRF97，歷元：2000.0；馬來西亞：與ITRF97一致，NGRF2000；共238個點；歷元２000.0。四、國際主要大地坐標系統(tǒng)建設概況（續(xù)）北京54坐標系精度低；精度不均勻；基準意義不明確。西安80坐標系地心1號坐標系地心2號坐標系并非真正的地心坐標系；精度低（15m）。精度低；精度不均勻；局部橢球密合。并非真正的地心坐標系；精度低（5m）。坐標系統(tǒng)不統(tǒng)一；精度偏低；使用混亂。四、現(xiàn)有大地測量坐標系存在的主要問題

幾何大地控制網(wǎng)概況上世紀30年代開始，經(jīng)過近70年的努力，建立了全國天文大地控制網(wǎng)，包括：三角網(wǎng)、測邊網(wǎng)、導線網(wǎng)等。框架：參心坐標系歷元：不統(tǒng)一精度約為：3-410-6導線網(wǎng)分布圖三角網(wǎng)分布圖結(jié)構(gòu)弱，精度低。四、現(xiàn)有大地測量坐標系存在的主要問題

我國先后建成四個較大規(guī)模的GPS大地網(wǎng)框架：ITRF96歷元：1997.0精度約為：3*10-8框架：ITRF93歷元：1996.365精度約為：10-7框架：ITRF96歷元：1998.680精度優(yōu)于2mm框架：ITRF96歷元：1996.582精度約為：10-8一、二級網(wǎng)A、B級網(wǎng)形變監(jiān)測網(wǎng)地殼運動觀測網(wǎng)絡GPS大地控制網(wǎng)概況國家大地控制網(wǎng)有三角瑣、三角網(wǎng)、導線網(wǎng)、測邊網(wǎng)、天文網(wǎng)等觀測歷元不統(tǒng)一大地網(wǎng)不統(tǒng)一全國空間網(wǎng)有GPS一、二級網(wǎng)、A、B級網(wǎng)、地殼運動觀測網(wǎng)、形變監(jiān)測網(wǎng)等基準不統(tǒng)一觀測歷元不統(tǒng)一精度偏低，精度不均勻、不統(tǒng)一布網(wǎng)及平差方式不同，大地網(wǎng)相對精度3-410-6，邊遠地區(qū)10m以上。橢球不統(tǒng)一幾何網(wǎng)采用參考橢球，重力數(shù)據(jù)處理采用正常橢球四、現(xiàn)有大地測量坐標系存在的主要問題1、參考框架和歷元的統(tǒng)一

“2000網(wǎng)”的參考框架ITRF97；參考歷元為2000.0。2、起始數(shù)據(jù)選定47個國際GPS永久跟蹤站(IGS)定義參考框架。對IGS核心站坐標和速度施加1σ約束，先平差網(wǎng)絡工程網(wǎng)，網(wǎng)絡工程平差結(jié)果是ITRF97的一部分。根據(jù)各坐標點的坐標和速度，將坐標值歸算到參考歷元2000.0。五、2000國家GPS控制網(wǎng)工程三局合作的成果確定參考框架的IGS核心站分布2000國家GPS大地控制網(wǎng)點位分布圖五、2000國家GPS控制網(wǎng)3、函數(shù)模型誤差、隨機模型誤差分析衛(wèi)星軌道不同、接收機不同——隨機誤差；各GPS網(wǎng)參考框架不同，參考歷元不同，平差方法不同——基準誤差；不同時期、不同部門、不同等級的GPS觀測必然存在系統(tǒng)誤差——系統(tǒng)誤差；各觀測同步區(qū)、各種GPS網(wǎng)內(nèi)部精度（方差協(xié)方差矩陣）不能可靠地表征相應觀測量的精度——隨機模型誤差；基線向量存在觀測異?！惓Ｕ`差。

五、2000國家GPS控制網(wǎng)函數(shù)模型加入系統(tǒng)誤差參數(shù)在具有系統(tǒng)參數(shù)的函數(shù)模型基礎上進行隨機模型（方差分量）估計在改進的函數(shù)模型和隨機模型的基礎上進行抗差估計抵制交叉影響3、函數(shù)模型誤差、隨機模型誤差分析五、2000國家GPS控制網(wǎng)各GPS網(wǎng)觀測時間跨度長，本應考慮地殼運動影響，但地殼運動異常復雜，難于模擬；地殼形變與坐標基準誤差影響難以區(qū)別；經(jīng)驗證，基于現(xiàn)有地殼運動模型進行地殼形變改正結(jié)果不理想；另外取坐標差（即基線）為觀測量能較好地削弱板塊運動對點位坐標的影響；于是GPS網(wǎng)觀測數(shù)據(jù)未直接加板塊運動改正。4、板塊運動改正五、2000國家GPS控制網(wǎng)5、抗差Helmert方差分量估計6、雙因子抗差估計基線向量是相關(guān)的；基線向量存在觀測異常；采用了雙因子抗差估計模型和算法，控制相關(guān)觀測異常誤差的影響。2000國家GPS網(wǎng)各子網(wǎng)精度差異較大，內(nèi)部精度偏高，宜采用嚴密Helmert方差分量估計重新估計各子網(wǎng)精度，并調(diào)整子網(wǎng)觀測量的權(quán)；為抵制異常誤差影響，提出并采用了抗差方差分量估計。五、2000國家GPS控制網(wǎng)XYZBLH位置平均中誤差0.901.571.060.370.771.922.13

平均平面點位中誤差約為5mm；平均高程中誤差約為20mm；平均三維點位中誤差優(yōu)于25mm。7、計算結(jié)果五、2000國家GPS控制網(wǎng)早在1933年我國即開始地面大地網(wǎng)的建設，已建成國家一等鎖、二等網(wǎng)、三等網(wǎng)等——這是我國大地測量極其寶貴的數(shù)據(jù)資源。聯(lián)合平差工程是在2000國家GPS網(wǎng)的基礎上進行的一項大型、復雜的大地測量數(shù)據(jù)處理工程，分為兩個階段，一期工程始于1991年，二期工程始于1999年；歷時13年，參加數(shù)據(jù)處理的有100多人。二期工程集成了我國大地測量工作者70多年的勞動成果，在理論和實踐方面都取得了重大進展——集體勞動的成果。六、全國天文大地網(wǎng)與2000網(wǎng)聯(lián)合平差工程最后完成平差解算及精度估計地面網(wǎng)庫空間網(wǎng)庫天文庫重力庫大地網(wǎng)分區(qū)法方程解算模型精度估計方法各類隨機模型誤差檢驗模型方差分量估計模型各類觀測模型系統(tǒng)參數(shù)模型觀測改正模型高程庫六、全國天文大地網(wǎng)與2000網(wǎng)聯(lián)合平差工程聯(lián)合平差采用IAU(1976)天文常數(shù)系統(tǒng)，IAU(1980)章動序列和FK5基本參考系。地極原點采用IERS定義的參考極（IRP）。天文常數(shù)和星表的改變對天文經(jīng)緯度的影響一般小于0.1″。最大不超過0.3″；對天文方位角一般小于0.2″，最大可達0.5″，影響呈系統(tǒng)性。天文成果改算三角點垂線偏差和高程異常的精化垂線偏差分量精度達到1.47和1.41，完全滿足聯(lián)合平差的要求。六、全國天文大地網(wǎng)與2000網(wǎng)聯(lián)合平差工程坐標基準問題地殼形變和其它系統(tǒng)誤差問題內(nèi)部精度不匹配問題異常觀測影響問題2000國家GPS大地控制網(wǎng)1約束強制附合并引入系統(tǒng)誤差參數(shù)

異常誤差診斷;

抗差估計

方差分量估計二期工程數(shù)據(jù)處理主要策略六、全國天文大地網(wǎng)與2000網(wǎng)聯(lián)合平差工程基準系統(tǒng)提出了“弱基準”概念，即平差時不固定任何參考點，所有點坐標和觀測信息都將賦以適當?shù)臋?quán)，相應2000國家GPS站點坐標以1σ約束。坐標未知數(shù)維數(shù)選擇為獲得三維地心坐標選用三維模型（或準三維模型）：具有垂直角或高差觀測量的點采用三維平差模型。無垂直角或高差觀測量的點采用高程固定的3D模型。六、全國天文大地網(wǎng)與2000網(wǎng)聯(lián)合平差工程系統(tǒng)誤差參數(shù)為使地面網(wǎng)及各類空間網(wǎng)數(shù)據(jù)具有較好的一致性，聯(lián)合平差函數(shù)模型加入了部分系統(tǒng)誤差待求參數(shù):地面網(wǎng)加入1個整體方位偏差參數(shù);引入了8個尺度改正參數(shù);改善了空間網(wǎng)與地面網(wǎng)的一致性。觀測量的初始權(quán)取自一期工程確定的權(quán)；高程部分采用觀測信息的先驗權(quán)；為使各類觀測量在聯(lián)合平差中具有合適的權(quán)比，采用了方差分量估計確定各類觀測量的權(quán)。聯(lián)合平差隨機模型六、全國天文大地網(wǎng)與2000網(wǎng)聯(lián)合平差工程

地殼形變改正試驗計算西部試驗區(qū)（青藏塊體）：地面網(wǎng)包括71個測區(qū)，2645點，有37個GPS點與地面網(wǎng)點重合。東部試驗區(qū)（東北華北塊體）：地面網(wǎng)包括59個測區(qū)，3821點，有15個GPS點與地面網(wǎng)點重合。試驗結(jié)果：內(nèi)部精度：加形變改正與不加改正基本相同。外部檢核：加形變改正后外部精度反而有所降低。初步結(jié)論：當?shù)貧ば巫兡Ｐ筒粔蚓殨r，對地面網(wǎng)觀測量不宜加地殼形變改正，應采用高精度空間網(wǎng)點坐標實施強約束。六、全國天文大地網(wǎng)與2000網(wǎng)聯(lián)合平差工程先對全網(wǎng)進行Helmert分塊平差，將全網(wǎng)分成20塊。消除塊內(nèi)定向角，如此減少了1/3的未知數(shù)。實際計算時，又基于Cholesky分解原理，提出了用解算約化代替求逆約化的新算法。對聯(lián)系誤差方程進行壓縮存儲和算法改進，大大節(jié)省了全國大型大地網(wǎng)平差的計算時間。利用PentiumⅣ個人計算機解算全國范圍的約5萬點(約12萬多個未知參數(shù))的超大型大地網(wǎng)的整體平差僅需1小時10分。

大型方程組的解算六、全國天文大地網(wǎng)與2000網(wǎng)聯(lián)合平差工程

42312點小于0.2米，占87.2%；

45550點小于0.3米，占93.8%；平均0.14米。平差結(jié)果及質(zhì)量（續(xù)）

水平位置中誤差20747點小于0.2米，占三維平差點的88.6%；

22412點小于0.3米，占95.7%；

平均0.375米。

大地高中誤差六、全國天文大地網(wǎng)與2000網(wǎng)聯(lián)合平差工程全國天文大地網(wǎng)平差與以往平差工程的相對精度比較(ppm)相對1980平差工程精度提高2-4倍。六、全國天文大地網(wǎng)與2000網(wǎng)聯(lián)合平差工程統(tǒng)一了我國大地測量工作者70多年的觀測成果，提高了天文大地網(wǎng)的現(xiàn)勢性；統(tǒng)一了平差基準，削弱了地殼形變等系統(tǒng)誤差；加密了一個以ITRF地心坐標為基準的地心坐標框架(2000中國地心大地坐標框架)；獲得了全國約5萬的地心坐標，平面精度約為0.15米；三維點位精度優(yōu)于3分米；使我國成為繼北美、西歐之后又一個完成超大規(guī)模大地控制網(wǎng)平差的國家。聯(lián)合平差工程的主要成果六、全國天文大地網(wǎng)與2000網(wǎng)聯(lián)合平差工程七、2000CGCS建設的主要成果1、定義了與國際ITRF一致的地心坐標系：地心位于包括海洋和大氣的地球質(zhì)心ZYX適合于空間技術(shù)應用適合于導航發(fā)展適合于遠程武器應用適合于現(xiàn)代測量手段2、實現(xiàn)了三個層次的高精度的地心坐標框架3、加強了地面天文大地網(wǎng)的現(xiàn)勢性。挖掘了天文大地網(wǎng)潛能；節(jié)省了大量人力物力。5、系統(tǒng)建立了大地測量數(shù)據(jù)庫，構(gòu)建了一整套大地測量生產(chǎn)軟件。為后續(xù)的大地測量建設提供了基礎。天文觀測邊角測量網(wǎng)重力測量空間網(wǎng)數(shù)據(jù)庫4、控制了地面網(wǎng)的系統(tǒng)誤差和異常誤差的影響。七、2000CGCS建設的主要成果航天飛行器軌道確定2000中國大地測量坐標框架大地測量導航定位國防建設地面活動經(jīng)濟建設科學研究控制測量工程測量航空航天攝影測量地形測量海洋測量劃界測量遠程武器空間活動海洋開發(fā)

八、啟用CGCS2000的意義臺灣地區(qū)建成了高精度GPS網(wǎng)點700多個，可直接加入，無需轉(zhuǎn)換；香港、澳門特別行政區(qū)建成了高精度GPS網(wǎng)點100多個；“中國陸地構(gòu)造觀測網(wǎng)絡”還將建成250個GPS連續(xù)運行站；國內(nèi)多個城市已經(jīng)建成GPS永久跟蹤站；后續(xù)空間大地測量觀測可直接融入新的地心坐標系統(tǒng)，加強地心坐標的精度；有利于中國自主導航衛(wèi)星系統(tǒng)的發(fā)展；

八、啟用CGCS2000的意義

八、啟用CGCS2000的意義我國將啟動海島礁測繪工程，2000坐標框架將