中国大地测量坐标框架建设及应用.ppt

中国大地测量坐标框架建设及应用,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”。,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！,,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,建立2000中国大地测量系统的目的,一、背景,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,基本定义,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,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 =6378137.0 m 地球含大气层引力常数 GM=3986004.418108m3s-2 地球的动力形状因子 J2 = 1.082629832258 地球自转角速度 =7292115.010-11rad s-1,二、2000中国大地坐标系统概述,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,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,第一层次坐标框架——中国地壳运动观测网络基准网,第二层次坐标框架——2000中国GPS大地网,第三层次坐标框架——全国天文大地网,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,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,,,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ETRS 2000，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。,,,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。,,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）,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,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：3-410-6,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,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,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3-410-6，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,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,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,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,3、函数模型误差、随机模型误差分析,五、2000国家GPS控制网,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,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,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,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,六、全国天文大地网与2000网联合平差工程,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,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,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,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,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,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,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,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,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,七、2000 CGCS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,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,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。,4、控制了地面网的系统误差和异常误差的影响。,七、2000 CGCS建设的主要成果,八、启用CGCS2000的意义,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,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，减少多种常用坐标系统成果表的制作，减少成图工作量和经费； 可避免不必要的坐标系转换，减少不必要的精度损失，同时也减少工作量，提高快速反应能力； 便于实施卫星定位、卫星摄影、卫星导航； 便于远程武器轨道设计等。,2000中国大地坐标系成果整理； 2000大地坐标系基础标准的完善； 各坐标系转换关系和模型的建立及相应转换软件的研制； 低等大地控制网坐标系转换； 重力成果的坐标系改换； 天文成果改换。,大地测量成果坐标系统改换主要任务,九、启用CGCS2000面临的主要任务,十、CTRF存在的主要问题,“2000国家大地控制网”精度不均匀，一、二级网和A、B级网点坐标精度仍然不高； 一个完整的地心坐标系及其相应的框架，除具有点位坐标外，还应有相应的地壳形变速度场信息。我国目前永久坐标跟踪站太少，高精度复测大地控制网也较少，且分布不均匀； 速度场拟合推估方法也不完善。不能提供实时的坐标形变参数和点位变化速度场信息，不能进行实测数据的历元归算；,基准框架控制点数量少，空间网几何强度较弱； 全国天文大地网现存点位标志不足50%，且点位精度很难满足不断发展的科学技术的需要； 西部大地测量覆盖较弱； 陆海交界处几何及物理大地测量控制较弱；海岛大地测量几乎空白，不利于我国海洋权益保护； 自主知识产权大地测量软件还不多，GPS计算、轨道计算大多采用国外软件，与测量大国不相称；,十、CTRF存在的主要问题,各省市独立建成的GPS永久跟踪站未加入2000中国大地测量坐标框架；不仅造成浪费，也造成混乱； 没有IGS数据处理中心；在国际大地测量服务领域没有发言权； 我国高程基准仍然薄弱，应加快进行全国范围的高精度水准测量； 我国重力覆盖更弱，还存在大量重力空白区； 地壳形变监测和研究还需要加强，四维坐标系的建立和维持还有相当大的差距。,我国大地测量取得了辉煌的成绩，但任务仍很艰巨！,十、CTRF存在的主要问题,