考虑板块运动的中国大地坐标框架更新| 程鹏飞 成英燕
Update China geodetic coordinate frame considering plate motion
Pengfei Cheng, Yingyan Cheng*, Xiaoming Wang and Yantian Xu
Satellite Navigation(2021)2:2
引用文章:
Cheng, P. F., Cheng, Y. Y., Wang, X. M. et al. Update China geodetic coordinate frame considering plate motion. Satell Navig 2, 2 (2021). https://doi.org/10.1186/s43020-020-00032-w.
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Editorial Summary
Reference frame: CGCS2000 maintenance
China Geodetic Coordinate System 2000 (CGCS2000) has been applied for 20 years since it was released as the national reference frame in 2008. The topics on how to obtain the positions of all Global Navigation Satellite System (GNSS) stations in the CGCS2000 frame and what optimal strategies to be adopted for better position results of regional GNSS networks in the ITRF associated with the GNSS observations are discussed by the authors. Some strategies of dealing with GNSS observations for obtaining accurate results in related ITRFs and rigorous methods for transformation the positions derived from the ITRFs at various epochs to the CGCS2000 are recommended based on their theory analysis and accumulated experience inpractical CGCS2000 application. Results indicate that the accuracy of the transformed coordinate has been greatly improved. This has significance for updating the national reference frame of CGCS2000 in future.
本文亮点
提出框架兼容性及高精度匹配策略。采用全球联合解算基准站网的瞬时或历元框架，精化基准站的坐标，可显著提高基准的匹配程度，提高基准框架的实现精度。
空地基准一致性分析并顾及板块运动的框架更新策略。分析空基和地基不一致对框架实现的影响。顾及板块运动将现框架当前历元的GNSS站网坐标归算到CGCS2000，可以保证整网解算的严密性，提高整网的解算精度，避免网的扭曲。
板块运动框架更新精度评价。评价了自CGCS2000发布并投入使用以来，基于线性速度（板块运动）维持CGCS2000框架的精度。
内容简介
2000国家大地坐标系（CGCS2000）作为正式发布使用的国家基准，已经经历了20年。这期间所有GNSS站由于所处板块的移动，位置偏离CGCS2000框架，数量达60-80cm。为保持基准表达及维持的统一，所有GNSS位置基准都需要统一归算到CGCS2000。高精度CGCS2000更新坐标获取，涉及GNSS站网对准ITRF框架时基准控制站的选取、基准控制站坐标精化、基准网归算到CGCS2000等环节中使用的策略和方法，不同策略、方法得到的ITRF框架下坐标及归算到CGCS2000的结果不同。如目前通常采用的以CGCS2000参考站作为控制站进行拟稳平差，获得GNSS站在CGCS2000中的坐标，会造成最终的坐标基准差异性较大影响基准使用。本文综合考虑框架构建及框架维护应顾及的因素，重点讨论顾及板块模型实施CGCS2000框架的更新与修正。具体为：考虑板块运动的特征，一个区域性的全球导航卫星系统网覆盖不同的板块，这些板块具有不同的运动方向和幅度。据此提出板块固定坐标框架概念并用于基准站选取中。采用了监督聚类的统计方法识别基准站与板块运动的一致性确定基准控制点；综合多个国际GNSS服务（IGS）分析中心提供的无约束法方程估计和精化区域基准控制站坐标；通过区域控制站坐标调整量评估与国际框架的一致性；基于新建立的网格速度场将位于不同板块的测站不同历元下坐标归算到CGCS2000，对测站更新后CGCS2000坐标进行了精度评估。通过全国范围GNSS基准站及山东局部区域GNSS网实验分析及结果表明，本文提出的策略和方法可以显著提高CGCS2000框架维护的准确性，可实现cm级精度的框架维持并提供社会应用。
I.中国区域GNSS网与ITRF的对准策略
基准控制站选取：采用监督聚类的统计方法来识别基准站与板块运动的一致性，选取运动与板块运动相一致的基准站作为全局基准控制站，期间剔除运动速度或方位残差大于2σ值的基准站。从最初的126个全球IGS候选站中选择92个全球基准控制站，用于全球GNSS网站坐标的精化。图1显示了ITRF2005框架中92个全球基准站以及其他全球IGS站点（蓝点）的分布（红星）。
区域基准控制站坐标精化：分别利用（1）7个IGS分析中心的无约束正态方程组组合估计观测期区域控制站的坐标，确定区域坐标参考基准，称为历元框架（ERF）；（2）区域控制站自身的线性速度推算得到观测时间的站坐标为衍生参考框架（DRF）。两方法确定的同一个站坐标的差异示例见图2。前者代表某一时期各台站的实际位置，后者是某一时期内各台站的平均位置，其差值可达几厘米。这种差异主要是由地球物理机制驱动的场地非线性运动引起的，如季节变化、位置突变、高频荷载或地震后行为。
在92个全球基准控制站中，选择了中国及周边地区的10个IGS站作为SDCORS的区域控制站，其分布见图3。在区域控制站控制下，估计了SDCORS站在ITRF2005框架，2015.412历元下的坐标。图4显示了在上述两个策略得到的同一站的两套坐标（用PDRF和PERF表示）的坐标差。图中可以看出BJFS、DAEJ、IISC、WUHN和YSSK站在X和Y分量上的差异在2-4cm范围内。
基于确定的ERF和DRF框架中的区域控制站得到的SDCORS在两个框架下坐标在X、Y、Z方向的差异见图5。反映出不同策略得到的SDCORS站坐标在ITRF2005框架中存在系统差异，在2015.412 历元Y、X和Z分量的平均差分别为1.2cm、1.0cm和-3.0mm。
图 5 分别采用ERF和DRF与ITRF2005对准得到在2015.412历元SDCORS各站的两套坐标差
II.CGCS2000的线性维护及精度
利用国家1025个GNSS测站的速度分量，分析和验证了五种插值方法：反距离加权（IDW）、块欧拉向量（BEV）、最小二乘配置（LSC）、局部欧拉向量（LEV）和有限元（FE）。以子板块为单元，使用交叉验证方法对子板块内所有测站由五种插值方法得到的结果进行验证。根据两个水平方向上20个子板中每个台站的内插速度和参考速度之间的差异计算均方根误差（RMSE），如图6所示。可以看出，除了南海板块，IDW模型在所有20个子板块中的表现都明显优于其他所有板块，其中在南海子板块IDW的表现略逊于其他板块。
图 6 （a）东向和（b）北向各方法在20个子板块中每个台站的插值速度RMSE
框架不一致对测站坐标的影响：对中国大陆地区GNSS测站基于ITRF2005对2015年8月1日至31日30天的观测数据进行了处理。分别采用在CGCS2000框架控制下拟稳平差直接获得CGCS2000坐标、多日解在ITRF2005框架下联合平差再进行板块运动修正的方法获得CGCS2000坐标，比较两种策略得到GNSS站两组坐标差异，结果用矢量表示见图7（只给出大于1 dm的测站的站坐标差异矢量图）。
图 7 通过在CGCS2000下拟稳平差直接得到及采用板块运动归算获得的国家GNSS测站坐标差向量（其值大于10cm的测站）
局部区域比较：对山东省区域分布良好的154个GNSS测站， 2015年4月30天数据处理得到的坐标差异进行分析（见图8）。可以看到，坐标差异矢量的绝对值不大（小于2 cm），但这些矢量之间有明显的旋转角。若以这些站点作为控制点，会导致整个网的旋转。
图 8 CGCS2000下拟稳平差和板块运动归算得到山东省平面坐标差矢量
CGCS2000线性维持精度分析：选取分布于6个不同板块的测站，分别位于稳定区3个和不稳定区3个。稳定区分布在中国中部，包括华南、鲁东、华北亚板块。而不稳定区则位于中国西部或西南部，包括川滇、准噶尔和拉萨亚板块。基于ITRF2014，2000.0至2018年月解结果采用板块运动归算的方法归算到CGCS2000，与CGCS2000坐标（真值）在N、E方向上形成坐标差时间序列，见图9。
图 9 中国位于6个板块6个测站转换坐标与参考坐标差的时间序列，其中红色虚线代表N分量，绿色实线表示E分量
作者简介
程鹏飞 研究员
原中国测绘科学研究院
现自然资源部
成英燕 研究员
中国测绘科学研究院
▍作者简介本文第一作者及通讯作者为我国CGCS2000全国推广应用研究与创新团队负责人及技术负责人，牵头组织编制一系列2000国家大地坐标系推广应用的技术方案、制定转换技术规范、提出了适用于不同成果高精度转换的理论、模型、方法、研发转换软件。带领团队建立了国家级高精度的板块运动模型和格网速度场模型，并在全国测绘成果中广泛应用。出版专著《2000国家大地坐标系实用宝典》（2008）、《2000国家大地坐标系建立的理论和方法》（2016）、《国家大地坐标系建立的理论和实践》（2017），指导全国测绘系统完成了已有测绘成果的转换。
撰稿：本文作者
编辑：《卫星导航（英文）》编辑部
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