VRS 系统局部参考框架的建立方法研究与试验

VRS系统局部参考框架的建立方法研究与试验 刘晖副教授武汉大学卫星导航定位技术研究中心 INF-2220-CN Feb. 2009 Las Vegas,U.S.

内容 • 大地坐标系统概述 • 中国VRS系统中常用的坐标系统 • 坐标变换与基准转换 • VRS系统局部参考框架的建立方法 • 实例

大地坐标系统简介

大地坐标系统简介 • 概述 • 大地坐标系统 • 地心坐标系统 • 大地坐标系统中的椭球 • 坐标系统与参考框架 • 概述 • 主要的参考框架及其关系

大地坐标系统 • 又称为大地坐标参考系统、参考系统等，它是通过定义地心、尺度、坐标轴指向、地球旋转速度以及参考椭球常数（椭球几何参数和物理参数）等参数，所建立的用于描述地球表面及附近区域物体空间或物理位置的坐标系统。 • 关键内容：地球椭球的基本参数及坐标系定向 • 描述目标：地表及附近区域的物体 • 描述内容：空间或物理位置

大地坐标系统 表示方式笛卡尔坐标曲线坐标平面直角坐标投影平面坐标原点参考面总地球椭球面地心参考椭球面大地水准面参心站心天文坐标系地心大地坐标系地心空间直角坐标系参心空间直角坐标系高斯平面直角坐标系参心大地坐标系引用站心直角坐标系站心极坐标系站心赤道坐标系站心地平坐标系

地心坐标系统 • 卫星导航定位系统采用地心坐标系统作为系统建立、维护、用户定位导航计算等的坐标系统 • 要求： • 采用三维大地坐标系统 • 原点位于地球质心，[整个地球（包括海洋和大气）的质量中心] • 坐标轴相互垂直，符合右手规则 • 各坐标轴尺度一致，应在相对论理论框架下得到 • 通过天文或其它手段确定坐标系统的起始方位 • 应与国际地球参考系统（ITRS）定义保持概念上的一致 • 表示方式：（B,L,H）或（X,Y,Z）表示 • （B,L,H）的表示基于地球椭球，地球椭球的定位和定向应符合上述要求，还应在全球范围内与大地水准面有最佳的符合。

大地坐标系统中的椭球 • 目的： • 用规则的数学/物理椭球体代替不规则的地球体 • 在规则椭球面上进行地表物体的定位、度量 • 根据坐标系统的类型可以分为地球椭球和参考椭球两类 • 地心坐标系统：地球椭球 • 在全球范围内与地球表面最为接近 • 参心坐标系统：参考椭球 • 在某一个局部区域内与地球表面最为接近

地球椭球的基本参数 国际大地测量学会（IAG）于1967年推荐了以下4个量： ——地球椭球长半径 ——地球重力场二阶带谐系数（目前通常采用正常化二阶带球谐系数代替，两者关系为：） ——地心引力与地球质量乘积（） ——地球自转角速度（）这四个量通常称为基本大地参数。

大地坐标系统中常用的地球椭球

坐标系统与参考框架－概述 • 坐标系统常为一组在数学上的严格定义，包括了原点、方位、尺度等。 • 参考框架是坐标系统的具体实现 • 地面上进行联测、数据处理后的点位 • 点位的坐标、速率等 • 参考框架的类型 • 地心参考框架 • 参心参考框架 • 局部参考框架

主要的地心坐标系统与参考框架 世界大地坐标系 ITRS WGS60 PZ CGCS2000 坐标系统 WGS66 WGS72 WGS84 ITRF GTRF IGS PZ GPS2000网与ITRF97,历元2000.000一致 ITRF88 IGS96 G730 PZ.. ITRF89 IGS97 G873 PZ90 ITRF90 IGS00 G1150 一致性在10cm的水平 ITRF91 IGb00 …… PZ90.01 ITRF92 IGS05 PZ90.02 一致性在2cm的水平参考框架 …… ITRF93 ITRF94 一致 ITRF96 ITRF97 ITRF2000 一致性在1cm的水平 ITRF2005 ……

主要的参心坐标系与参考框架 坐标系统高程系统 1954年北京坐标系 1980西安坐标系相对独立的平面坐标系正常高系统区域控制网天文大地网天文大地网 1956高程系统 1985高程系统参考框架高斯投影方式墨卡托投影方式

中国VRS系统中常用的坐标系统

中国VRS系统中常用的坐标系统 • 地心坐标系统 • ITRF参考框架 • CGCS2000坐标系 • 参心坐标系统 • 1954年北京坐标系 • 1980西安坐标系 • 相对独立的平面坐标系

地心坐标系统——ITRF参考框架 • ITRS的具体实现，是国际公认的最为精确的地球参考框架，由IERS负责处理、公布 • 使用VLBI、LLR、SLR、GPS和DORIS空间大地测量技术获取的观测数据进行综合处理 • 已发布88，89，90，91，92，93，94，96，97，2000，2005等版本 • 最新公布的是ITRF2005，给出了608个测站的位置和速度 • IGS站瞬时坐标采用该参考框架 • 与WGS84(G1150)一致

ITRF参考框架各版本间的转换 • 用框架原点偏移量、定向和尺度变化等七个参量进行框架转换

地心坐标系统——CGCS2000 • 地心坐标系统 • 参考框架为2000国家GPS大地控制网,共2609个网点 • 国家测绘局GPS A、B级网点 • 总参测绘局GPS 一、二级网点 • 中国地壳运动观测网点 • 基于ITRF97，参考历元2000.0 • 2008年7月1日批准公布

2000国家GPS控制网由国家测绘局高精度GPS A、B级网,总参测绘局GPS 一、二级网，中国地壳运动观测网组成,共2609个点。引用自国家测绘局网站

参心坐标系统——1954年北京坐标系 • 参心坐标系统（BJ54） • 参考框架为天文大地网，采用苏联克拉索夫斯基参考椭球，由西伯利亚地区一等锁传递进行定位 • 高程异常以前苏联1955年大地水准面重新平差结果为起算值，高程以1956年黄海平均海水面为基准 • 主要问题 • 椭球参数不精确，椭球定向不明确 • 平面坐标和高程分离，不利于应用

参心坐标系统——1980西安坐标系 • 参心坐标系统（XIAN80） • 参考框架为天文大地网，采用IAG1975推荐的参数 • 高程以1956年黄海平均海水面为基准 • 主要特点 • 解决了椭球定向问题 • 平面坐标和高程分离，不利于应用

相对独立的平面坐标系 • 平面坐标系统，城市多采用该类坐标系统 • 参考框架为城市控制网 • 几种形式 • 基于国家坐标系进行任意带投影得到 • 基于国家坐标系进行局部平移或旋转后得到 • 任意指定原点、坐标轴方向、平均高程面等参数建立 • 主要特点 • 城市范围使用 • 仅为平面坐标系统

坐标变换与基准转换

坐标变换与基准转换 • 坐标变换：坐标表现形式间的变换，多指在同一坐标系下，不同坐标形式间的变换 • (B,L,H)↔(X,Y,Z) • (B,L)↔(x,y)，高斯投影正反算 • 基准变换：不同坐标系间的转换，多指在不同坐标系统之间进行转换，（或不同椭球间的转换） • ITRF→CGCS2000，七参数或三参数 • ITRF→相对独立的平面坐标系，相似变换

坐标变换 • 大地坐标与空间直角坐标的变换 BLHXYZ XYZBLH

坐标变换 • 高斯投影坐标与大地坐标间的变换 • 高斯投影坐标正算(BLxy)

坐标变换 • 高斯投影坐标与大地坐标间的变换 • 高斯投影坐标反算(xy BL)

基准转换 • 七参数或三参数方法 • 适用于两个三维坐标系之间的转换

基准转换 • 相似变换 • 适用于两个平面坐标系或三维坐标系到平面坐标系间的转换 1).先旋转、再平移、最后统一尺度 2).先平移、再旋转、最后统一尺度

VRS系统局部参考框架的建立

局部参考框架的建立 • 目标与内容、数据处理流程 • 局部动态参考框架的建立 • 局部静态参考框架的建立 • 参心坐标系数据处理 • 基准转换

目标与内容 • 目标 • 建立系统所在城市的高精度局部动态参考框架（基于ITRF)和静态参考框架（基于CGCS2000) • 建立到国家坐标系的转换关系（BJ54/XIAN80) • 建立到相对独立平面坐标系的转换关系 • 内容 • 求解参考站ITRF最新框架的坐标，根据多期数据对参考站坐标进行修正 • 求解参考站CGCS2000坐标系成果 • 求解参考站地方相对对立平面坐标系成果 • ITRF最新框架到相对独立平面坐标系的转换关系 • CGCS2000坐标系到相对独立平面坐标系的转换关系

IGS站数据tn期 IGS站数据t2期 IGS站数据t4期 IGS站数据t3期 tn期精密数据处理 t4期精密数据处理 t2期精密数据处理 t3期精密数据处理参考站tn期坐标（ITRF2005框架）参考站t4期坐标（ITRF2005框架）参考站t2期坐标（ITRF2005框架）参考站t3期坐标（ITRF2005框架）参考站数据t3期参考站数据t4期参考站数据t2期参考站数据tn期 IGS站数据t1期 t1期精密数据处理参考站t1期坐标（ITRF2005框架）参考站数据t1期 GPS2000网数据参考站坐标修正（CGCS2000）参考站坐标（CGCS2000）建立局部动态参考框架数据处理流程转入下一期数据处理流程参考站坐标每期偏移量多期数据进行处理年偏移量过大？否是独立系控制点观测数据数据处理基准变换转换参数建立局部静态参考框架

局部动态参考框架的建立 • 由于地球板块运动以及地球自转轴的变化，坐标系原点和坐标轴是动态变化的，需要对参考框架进行维持 • 基于ITRF2005或最新框架进行处理 • 同期数据进行处理，得到点位移量和年速度 • 日解、周解、月解、季解和年解 • 由年解得到点位年变化速度 • 判断点位移动量 • 若点位年速度超过规定值，需要对该点进行坐标修正 • 或定期（3－5年）进行参考框架更新

局部动态框架建立的数据处理路线 年解季解由4个季解由3个月解月解由12个月解由4个周解周解由12个周解由52个周解由7个日解由30个日解日解由90个日解由365个日解数据处理平差处理推荐路线 IGS站 1天数据参考站 1天数据

局部静态参考框架的建立 • 基于CGCS2000 坐标系 • 通过联测GPS2000网点或IGS站的方式得到 • 需要根据动态框架中的参考站点位年速率进行定期修正 • 基于该框架建立与参心坐标系或相对独立的平面坐标系之间的转换关系

局部静态参考框架建立的数据处理 • 方案一 • 约束BJFS,WUHN,SHAO三个IGS站的ITRF97, 2000.0坐标，得到参考站CGCS2000成果 • 问题： • GPS轨道、钟差都是基于最新框架和瞬时历元，约束ITRF97框架会导致基线尺度发生变化（厘米量级） • 3个IGS站已有所变化，不能确保坐标和点位的一致性。 • 优点： • 计算简洁，直接得到各参考站CGCS2000成果

局部静态参考框架建立的数据处理 • 方案二 • 联测GPS2000网点，约束GPS2000网点CGCS2000坐标，得到参考站的CGCS2000成果 • 问题： • GPS2000网点精度会影响参考站精度 • 参考站点位精度不会高于GPS2000网点精度 • 优点： • 理论上较为严密

参心坐标系数据处理 • 方法一： • 联测参心坐标系已知点，平差时约束参心坐标系已知坐标 • 问题： • 参心坐标系已知点精度较低，会导致参考站网扭曲 • 个别地区参心坐标系已知点丢失无法联测 • 优点： • 与现有的已知成果吻合较好，，

参心坐标系数据处理 • 方法二 • 首先进行参心坐标系整体平差，根据参心坐标系整体平差成果求取与地心坐标的转换参数 • 问题： • 与现有成果符合性较差 • 优点： • 理论上较为严密

基准转换 • 方法：联测至少3个城市独立坐标系控制点，利用平面转换模型求取平面四参数 • 问题： • 范围在1万平方公里以内 • 优点： • 理论严密

小结 • 两次联测： • 与IGS站和GPS2000网点进行联测 • 与当地C级网和城市独立坐标系已知点联测 • 五类成果 • ITRF2005瞬时历元成果 • CGCS2000坐标成果 • 参心坐标系（BJ54和XIAN80）坐标成果 • 相对独立的平面坐标系坐标成果 • 各类坐标系的转换关系

实例－某城市局部参考框架的建立

局部参考框架的建立－实例 • 参考站网和基准网 • 参考站网和基准网的联测 • 参考站网数据处理 • 基准网数据处理 • 基准网参心坐标系整体平差 • 基准网坐标转换

参考站网与基准网 • 参考站网：由参考站构成，又称为参考框架网、框架网 • 基准网：由参考站网、GPS2000和部分GPS-C（市GPS-C级点和省GPS-C级点）构成 • 定位基准：参考站网、基准网和市行政辖区内的所有提供空间位置的坐标点构成杭州市的三维定位基准。

参考站网

VRS 系统局部参考框架的建立方法研究与试验