中国大地测量坐标框架建设及应用

中国大地测量坐标框架建设及应用第1页/共50页一、背景国务院通知：中国2008年7月1日起使用“2000国家大地坐标系统”；全军使用“2000中国大地坐标系统”；2003年中国建立了“2000中国大地控制网——2000中国大地坐标框架”。第2页/共50页中国需要什么样的坐标系？什么是2000中国坐标系？中国为什么要建立2000坐标系？如何定义2000中国坐标系？如何实现2000中国坐标系？2000中国坐标系的规模和水平如何？启用2000中国坐标系的意义是什么？启用2000中国坐标系需要完成哪些任务？一、背景大地测量工作者的主要任务！第3页/共50页我们需要什么样的坐标系？——所有航天器都绕地球质心飞行，轨道监测、计算需要地心坐标系；——中国参加国际事务需要统一的地心坐标系；——海洋安全、国土安全需要统一的坐标系；——航海、航天、航空、都需要与国际一致的坐标系；——地学研究，如海平面变化、地壳运动等需要高精度的坐标系；——坐标系统的水平反映一个国家的测绘水平。——我们需要建立地心坐标系！

为什么要建立2000坐标系？一、背景第4页/共50页

建立2000中国大地测量系统的目的为经济建设服务为空间技术服务为地质勘探服务为海洋开发服务为地震预报服务为国防建设服务

…2000中国家大地坐标系大地坐标框架建设大地测量坐标系定义大地坐标框架维持大地坐标系统启用一、背景第5页/共50页2000国家大地坐标系，是一协议地球参考系由原点、尺度、坐标轴的定向及其时间演化定义由已知其坐标（和速度）的地面点集合实现二、2000中国大地坐标系统概述赤道首子午线ZXY地球质心IERSIRMIERSIRP参考椭球面基本定义第6页/共50页原点在包括海洋和大气的整个地球的质量中心；长度单位是在引力相对论意义下的局部地球框架内定义的米（SI）；初始定向由1984.0时BIH的定向给定；定向时间演化：整个地球水平构造运动无净旋转（no-net-rotation）。（CGCS2000）满足IERS规范规定的下列条件：二、2000中国大地坐标系统概述ZYX第7页/共50页CGCS2000参考椭球,也作为CGCS2000正常椭球，既作地球的数学表面,也是正常重力场等位面参考椭球的中心与地球质心重合参考椭球由四个常数（两个几何常数和两个物理常数）定义长半轴

a=6378137.0m地球含大气层引力常数

GM=3986004.418108m3s-2地球的动力形状因子

J2=1.082629832258地球自转角速度

=7292115.010-11rads-1二、2000中国大地坐标系统概述第8页/共50页2000中国坐标系是一个地心坐标系，历元2000.0；2000中国坐标系是与国际地球参考系（ITRS）基本一致的坐标系；也是与国际先进水平相当的坐标系；2003年基本建成2000中国坐标系；2004年基本完成《2000中国大地测量基准》；2000中国坐标系是国家测绘局、总参测绘局、中国地震局共同合作的成果；2000中国大地坐标系也是中国测绘科技工作者70多年艰苦劳动的结晶。二、2000中国大地坐标系统概述第9页/共50页框架：ITRF97；历元：2000.0;由三个层次框架点组成。第一层次：连续运行参考站，28个点，CGCS2000基本骨架。精度mm级。第二层次：“2000国家GPS大地控制网”。精度cm级。第三层次：全国天文大地网，约5万个点。大地经纬度精度：0.3m，大地高误差优于0.5m。三、2000中国大地坐标框架及其特点全国天文大地控制网约50000点2000国家GPS大地控制网2500多点IGS站和永久跟踪站28点3mm3cm3dm第10页/共50页第一层次坐标框架——中国地壳运动观测网络基准网第11页/共50页第二层次坐标框架——2000中国GPS大地网第12页/共50页第三层次坐标框架——全国天文大地网第13页/共50页空间大地网——2000国家GPS大地控制网（12年）地面大地网——国家天文大地控制网（70多年）时间长2000GPS网2500多点、4600多条基线；天文大地网近5万点、未知参数20多万个；30多万条观测信息。数据量大覆盖广天文大地网覆盖全国内陆地区；2000GPS控制网覆盖全国内陆和部分沿海岛屿。三、2000中国大地坐标框架及其特点第14页/共50页四、国际主要大地坐标系统建设概况NAD83坐标系，25万个点；NAD83地心坐标系与地球质心的重合度大约为2米；空间坐标轴定向为0.03″；网的尺度达到0.0871×10-6

北美坐标系定义与ITRS一致；由12个地面跟踪站和卫星星历共同维持；WGS84与ITRF符合到5厘米以内。WGS84坐标系第15页/共50页四、国际主要大地坐标系统建设概况（续）中、南美洲坐标系概况南美洲十一个国家开展了GPS会战（SIRGAS计划，58个点）；建立了与ITRS相一致的地心参考系SIRGAS；历元1995.4；内部精度：站坐标分量均方根误差为4毫米；外部检核精度：3厘米左右。欧洲坐标系概况欧洲参考系ETRS2000，ETRS固联于欧洲板块的稳定部分；EUREF分为三级：A级相对于ITRF89框架的精度达1厘米，B级在给定历元的坐标精度达1厘米，C级相对于ITRF89的精度达5厘米。EUREF已融入ITRF。第16页/共50页四、国际主要大地坐标系统建设概况（续）俄罗斯坐标系1942年建立的统一大地坐标系CK-42；1988年军方实施新的统一地心坐标系CK-90；民用方面：1995年起改用CK-95新系统，134个控制点，参考椭球为克拉索夫斯基椭球；俄国防部：地心坐标系PZ-90。日本坐标系日本大地坐标系统：JGD2000；定义与ITRS一致，历元1997.0；大地控制网：由1200个GPS连续运行站和64000个一等、二等、三等经典大地点组成。第17页/共50页临近国家坐标系蒙古：MON-REF97；新西兰：1998年建立了与ITRS一致的NZGD2000，基准，参考历元：2000.01.01；澳大利亚：地心基准GDA1994.0（78个GPS框架点和澳洲永久GPS跟踪网）；对应ITRF92；历元1994.0，坐标精度约几个厘米；韩国：1998年推出地心坐标统(KGD2000)；框架：ITRF97，历元：2000.0；马来西亚：与ITRF97一致，NGRF2000；共238个点；历元２000.0。四、国际主要大地坐标系统建设概况（续）第18页/共50页北京54坐标系精度低；精度不均匀；基准意义不明确。西安80坐标系地心1号坐标系地心2号坐标系并非真正的地心坐标系；精度低（15m）。精度低；精度不均匀；局部椭球密合。并非真正的地心坐标系；精度低（5m）。坐标系统不统一；精度偏低；使用混乱。四、现有大地测量坐标系存在的主要问题第19页/共50页

几何大地控制网概况上世纪30年代开始，经过近70年的努力，建立了全国天文大地控制网，包括：三角网、测边网、导线网等。框架：参心坐标系历元：不统一精度约为：3-410-6导线网分布图三角网分布图结构弱，精度低。四、现有大地测量坐标系存在的主要问题第20页/共50页

我国先后建成四个较大规模的GPS大地网框架：ITRF96历元：1997.0精度约为：3*10-8框架：ITRF93历元：1996.365精度约为：10-7框架：ITRF96历元：1998.680精度优于2mm框架：ITRF96历元：1996.582精度约为：10-8一、二级网A、B级网形变监测网地壳运动观测网络GPS大地控制网概况第21页/共50页国家大地控制网有三角琐、三角网、导线网、测边网、天文网等观测历元不统一大地网不统一全国空间网有GPS一、二级网、A、B级网、地壳运动观测网、形变监测网等基准不统一观测历元不统一精度偏低，精度不均匀、不统一布网及平差方式不同，大地网相对精度3-410-6，边远地区10m以上。椭球不统一几何网采用参考椭球，重力数据处理采用正常椭球四、现有大地测量坐标系存在的主要问题第22页/共50页1、参考框架和历元的统一

“2000网”的参考框架ITRF97；参考历元为2000.0。2、起始数据选定47个国际GPS永久跟踪站(IGS)定义参考框架。对IGS核心站坐标和速度施加1σ约束，先平差网络工程网，网络工程平差结果是ITRF97的一部分。根据各坐标点的坐标和速度，将坐标值归算到参考历元2000.0。五、2000国家GPS控制网工程三局合作的成果第23页/共50页确定参考框架的IGS核心站分布2000国家GPS大地控制网点位分布图五、2000国家GPS控制网第24页/共50页3、函数模型误差、随机模型误差分析卫星轨道不同、接收机不同——随机误差；各GPS网参考框架不同，参考历元不同，平差方法不同——基准误差；不同时期、不同部门、不同等级的GPS观测必然存在系统误差——系统误差；各观测同步区、各种GPS网内部精度（方差协方差矩阵）不能可靠地表征相应观测量的精度——随机模型误差；基线向量存在观测异常——异常误差。

五、2000国家GPS控制网第25页/共50页函数模型加入系统误差参数在具有系统参数的函数模型基础上进行随机模型（方差分量）估计在改进的函数模型和随机模型的基础上进行抗差估计抵制交叉影响3、函数模型误差、随机模型误差分析五、2000国家GPS控制网第26页/共50页各GPS网观测时间跨度长，本应考虑地壳运动影响，但地壳运动异常复杂，难于模拟；地壳形变与坐标基准误差影响难以区别；经验证，基于现有地壳运动模型进行地壳形变改正结果不理想；另外取坐标差（即基线）为观测量能较好地削弱板块运动对点位坐标的影响；于是GPS网观测数据未直接加板块运动改正。4、板块运动改正五、2000国家GPS控制网第27页/共50页5、抗差Helmert方差分量估计6、双因子抗差估计基线向量是相关的；基线向量存在观测异常；采用了双因子抗差估计模型和算法，控制相关观测异常误差的影响。2000国家GPS网各子网精度差异较大，内部精度偏高，宜采用严密Helmert方差分量估计重新估计各子网精度，并调整子网观测量的权；为抵制异常误差影响，提出并采用了抗差方差分量估计。五、2000国家GPS控制网第28页/共50页XYZBLH位置平均中误差0.901.571.060.370.771.922.13

平均平面点位中误差约为5mm；平均高程中误差约为20mm；平均三维点位中误差优于25mm。7、计算结果五、2000国家GPS控制网第29页/共50页早在1933年我国即开始地面大地网的建设，已建成国家一等锁、二等网、三等网等——这是我国大地测量极其宝贵的数据资源。联合平差工程是在2000国家GPS网的基础上进行的一项大型、复杂的大地测量数据处理工程，分为两个阶段，一期工程始于1991年，二期工程始于1999年；历时13年，参加数据处理的有100多人。二期工程集成了我国大地测量工作者70多年的劳动成果，在理论和实践方面都取得了重大进展——集体劳动的成果。六、全国天文大地网与2000网联合平差工程第30页/共50页最后完成平差解算及精度估计地面网库空间网库天文库重力库大地网分区法方程解算模型精度估计方法各类随机模型误差检验模型方差分量估计模型各类观测模型系统参数模型观测改正模型高程库六、全国天文大地网与2000网联合平差工程第31页/共50页联合平差采用IAU(1976)天文常数系统，IAU(1980)章动序列和FK5基本参考系。地极原点采用IERS定义的参考极（IRP）。天文常数和星表的改变对天文经纬度的影响一般小于0.1″。最大不超过0.3″；对天文方位角一般小于0.2″，最大可达0.5″，影响呈系统性。天文成果改算三角点垂线偏差和高程异常的精化垂线偏差分量精度达到1.47和1.41，完全满足联合平差的要求。六、全国天文大地网与2000网联合平差工程第32页/共50页坐标基准问题地壳形变和其它系统误差问题内部精度不匹配问题异常观测影响问题2000国家GPS大地控制网1约束强制附合并引入系统误差参数

异常误差诊断;

抗差估计

方差分量估计二期工程数据处理主要策略六、全国天文大地网与2000网联合平差工程第33页/共50页基准系统提出了“弱基准”概念，即平差时不固定任何参考点，所有点坐标和观测信息都将赋以适当的权，相应2000国家GPS站点坐标以1σ约束。坐标未知数维数选择为获得三维地心坐标选用三维模型（或准三维模型）：具有垂直角或高差观测量的点采用三维平差模型。无垂直角或高差观测量的点采用高程固定的3D模型。六、全国天文大地网与2000网联合平差工程第34页/共50页系统误差参数为使地面网及各类空间网数据具有较好的一致性，联合平差函数模型加入了部分系统误差待求参数:地面网加入1个整体方位偏差参数;引入了8个尺度改正参数;改善了空间网与地面网的一致性。观测量的初始权取自一期工程确定的权；高程部分采用观测信息的先验权；为使各类观测量在联合平差中具有合适的权比，采用了方差分量估计确定各类观测量的权。联合平差随机模型六、全国天文大地网与2000网联合平差工程第35页/共50页

地壳形变改正试验计算西部试验区（青藏块体）：地面网包括71个测区，2645点，有37个GPS点与地面网点重合。东部试验区（东北华北块体）：地面网包括59个测区，3821点，有15个GPS点与地面网点重合。试验结果：内部精度：加形变改正与不加改正基本相同。外部检核：加形变改正后外部精度反而有所降低。初步结论：当地壳形变模型不够精细时，对地面网观测量不宜加地壳形变改正，应采用高精度空间网点坐标实施强约束。六、全国天文大地网与2000网联合平差工程第36页/共50页先对全网进行Helmert分块平差，将全网分成20块。消除块内定向角，如此减少了1/3的未知数。实际计算时，又基于Cholesky分解原理，提出了用解算约化代替求逆约化的新算法。对联系误差方程进行压缩存储和算法改进，大大节省了全国大型大地网平差的计算时间。利用PentiumⅣ个人计算机解算全国范围的约5万点(约12万多个未知参数)的超大型大地网的整体平差仅需1小时10分。

大型方程组的解算六、全国天文大地网与2000网联合平差工程第37页/共50页

42312点小于0.2米，占87.2%；

45550点小于0.3米，占93.8%；平均0.14米。平差结果及质量（续）

水平位置中误差20747点小于0.2米，占三维平差点的88.6%；

22412点小于0.3米，占95.7%；

平均0.375米。

大地高中误差六、全国天文大地网与2000网联合平差工程第38页/共50页全国天文大地网平差与以往平差工程的相对精度比较(ppm)相对1980平差工程精度提高2-4倍。六、全国天文大地网与2000网联合平差工程第39页/共50页统一了我国大地测量工作者70多年的观测成果，提高了天文大地网的现势性；统一了平差基准，削弱了地壳形变等系统误差；加密了一个以ITRF地心坐标为基准的地心坐标框架(2000中国地心大地坐标框架)；获得了全国约5万的地心坐标，平面精度约为0.15米；三维点位精度优于3分米；使我国成为继北美、西欧之后又一个完成超大规模大地控制网平差的国家。联合平差工程的主要成果六、全国天文大地网与2000网联合平差工程第40页/共50页七、2000CGCS建设的主要成果1、定义了与国际ITRF一致的地心坐标系：地心位于包括海洋和大气的地球质心ZYX适合于空间技术应用适合于导航发展适合于远程武器应用适合于现代测量手段2、实现了三个层次的高精度的地心坐标框架第41页/共50页3、加强了地面天文大地网的现势性。挖掘了天文大地网潜能；节省了大量人力物力。5、系统建立了大地测量数据库，构建了一整套大地测量生产软件。为后续的大地测量建设提供了基础。天文观测边角测量网重力测量空间网数据库4、控制了地面网的系统误差和异常误差的影响。七、2000CGCS建设的主要成果第42页/共50页航天飞行器轨道确定2000中国大地测量坐标框架大地测量导航定位国防建设地面活动经济建设科学研究控制测量工程测量航空航天摄影测量地形测量海洋测量划界测量远程武器空间活动海洋开发

八、启用CGCS2000的意义第43页/共50页台湾地区建成了高精度GPS网点700多个，可直接加入，无需转换；香港、澳门特别行政区建成了高精度GPS网点100多个；“中国陆地构造观测网络”还将建成250个GPS连续运行站；国内多个城市已经建成GPS永久跟踪站；后续空间大地测量观测可直接融入新的地心坐标系统，加强地心坐标的精度；有利于中国自主导航卫星系统的发展；

八、启用CGCS2000的意义第44页/共50页

八、启用CGCS2000的意义我国将启动海岛礁测绘工程，2000坐标框架将得到加强；彻底解决多坐标系共同使用的混乱问题