不能要求把所有的坐标都统一到CGCS2000

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不能要求把所有的坐标都统一到CGCS2000

刘光明

 

一、CGCS2000框架更新周期

CGCS2000通过2000国家GPS大地网2500个点位在20年前的的坐标和速度具体实现。原计划2030年更新CGCS2000的参考框架。

决定参考框架更新周期的,不是速度本身的大小,而是速度误差的大小。

不能要求把所有的坐标都统一到CGCS2000

速度误差对坐标的影响

对于大比例测图而言,可以假设在局部范围内构造运动为同向平移运动,那么各点的绝对位置虽然在变化,点之间的相对位置不变。

点位速度的误差大致为3mm/a,参考历元的坐标误差为2cm。那么在30年之后,一点坐标的误差可能会达到11cm。假定人眼分辨力为0.1mm,11cm的坐标误差在1︰1000地形图上即可分辨出来。

对于其他比例尺测图,更新周期当然应相应改变。但是,测图并不要求高精度的参考框架频繁更新。参考框架的应用不仅限于测图,不同应用对参考框架的更新周期要求也是多样的。

大地参考框架主要用于各种生产活动,强调统一性、规范性、自洽性、稳定性。大范围的大地参考框架更新应该慎重。

国际主要参考框架的更新周期:

①早期的ITRF框架每年都更新,现在已经比较稳定了,多年才更新一次。

②IGS紧跟ITRF,随之更新。

③WGS-84更新稍慢,不定期。

④北斗坐标系的参考框架计划每年更新一次。

⑤CGCS2000框架点计划30年更新一次。

CGCS2000框架点多,不易更新。而且更新频繁会引起使用混乱。从精度需求方面考虑,也没必要经常更新。

 

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二、实时参考框架

总结CGCS2000参考框架的局限性是:

①框架点分布不均、CORS站很少。

②框架点速度误差对坐标的影响,随时间推移而不断放大。

③速度场高程分量为0,不能反映大地高的变化。

④无法顾及框架点坐标的非线性变化。

因此,CGCS2000参考框架更适用于基于平面坐标的传统测图,或一般工程应用。高程则使用正常高。对于需要更高精度的三维坐标的应用,应该在最新的ITRF2014框架下求解。

因此,不能要求把所有应用都统一到CGCS2000坐标系下。

假设由2020.0历元的ITRS坐标,经历元归算和框架转换,可以得到CGCS2000坐标,但与原CGCS2000框架下的坐标不符。

①由速度场误差引起坐标水平分量的不符,可达6cm。

②由速度场模型的参考框架不明确引起的不符,可达10cm。

③由大地高变化引起坐标高程分量的不符,在全国范围内平均可达半米。

④由坐标非线性变化引起的不符,主要参考当地的地质灾害发生情况。

提示:

①CGCS2000框架点的CGCS2000坐标,与通过历元归算和框架转换得到的CGCS2000坐标有一定区别。历元间隔越长差异越大。

②CGCS2000框架点的CGCS2000坐标,与通过周边的CGCS2000框架点引出的,短距离或短历元间隔的CGCS2000坐标基本一致。但是在建立大规模CORS网时,这种方法工程量很大,一般不被采用。

③理论上,局部范围的静态转换也可以达到很好的效果,但是测量重合点并转换的过程,比直接联测CGCS2000框架点的过程更复杂。

④可在CORS系统的服务形成后,用RTK测量周边的CGCS2000框架点,构成重合点,然后再做静态转换。反向修正CORS站坐标。

⑤根本的解决方法是将不同基准的空间网联合平差。

ITRF2014框架点坐标的历元为2010.0,其现势性也不是很理想。更好的方法是用ITRF2014框架点的IGS周解作为平差基准。IGS周解可认为是ITRS的短期实现,更能体现框架点的非线性运动。

建立国家级参考框架时,用全球IGS站作为框架基准。对于其他应用,一般使用我国境内及周边的IGS站。但是这些IGS站很少,使用不便。

我国已有近万个CORS站,在加密与精化CGCS2000参考框架的同时,有条件、也有必要在ITRF参考框架下建立我国境内的具备现势性的实时参考框架。可用于航天航空、卫星定轨、高铁监测、灾害监测、高精度地图、智能驾驶,以及科学研究等对精度要求更高的应用场景。

①CGCS2000的好处在于历元统一,成果统一。缺点在于历元更新慢,大量基础成果更新历元难度很大。

②实时CORS框架的好处在于现势性强、精度高。缺点在于成果的历元不统一,不方便管理和应用。

③而要把现势性的、CORS站组成的、高精度的框架纳入二十年前的、只有极少数CORS站的、精度较低的CGCS2000框架,难免会存在各种不适配的问题。

 

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三、大规模CORS网存在的问题

高精度的导航定位是通过北斗卫星导航系统的增强服务得到的。无论星基增强或是地基增强,其基准都来自地面CORS站的基准。一般认为,我国有统一的坐标基准“CGCS2000坐标系”,我们所有的地图产品与导航定位都被要求在这个时空框架中统一实施。然而,一旦要求“精准”与“厘米级精度”,事情就不是这么简单了。

前面已经提到,经过历元归算得到的CGCS2000坐标,与CGCS2000框架下的坐标不符。同一点在不同历元的ITRS坐标,归算到2000.0历元,相差可能已超过半米。

CGCS2000框架点的CGCS2000坐标,与通过周边的CGCS2000框架点引出的CGCS2000坐标基本一致。但是这种方法工程量很大,在CORS网中一般不会被采用。

通常的做法是将CORS网与IGS站联合解算,然后将历元归算到2000.0。CORS网建设的都比较晚,越是后期建设的站网,归算后与CGCS2000的偏离越大。

这也是不同CORS网的RTK服务结果不一致的主要原因之一。

大约20年前建立的CGCS2000参考框架不具备现势性,并不适合高精度应用。

CORS网存在的问题有:

①这些全国性的CORS网的基准名义上是CGCS2000,但实际上与CGCS2000存在一定差异,除非进行两网联合平差,统一基准。

②同上,不同CORS网的RTK服务也会存在差异。

③有些快速建立的大型CORS网,为了成本和效率的目的,CORS观测墩没有按照测绘级的标准建设。其基准不稳定,存在先天性缺陷。

 

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