ITRF2014參考框架的實現與改進

呂 浩，呂志平，崔 陽，王宇譜，翟樹峰

(信息工程大學 地理空間信息學院，河南 鄭州 450000)

ITRF2014參考框架的實現與改進

呂 浩，呂志平，崔 陽，王宇譜，翟樹峰

(信息工程大學 地理空間信息學院，河南 鄭州 450000)

ITRF2014通過對多種空間大地測量技術解的聯合處理，在ITRF2014建立過程中首次對非線性運動建模，包括季節性變化的估計和震后形變(PSD)模型的應用。針對基準定義、輸入數據和數據處理策略等方面介紹ITRF2014實現的基本情況，并對之前版本進行優化改進。

ITRF2014；非線性運動；震后形變；基準；轉換參數

國際地球自轉與參考系統服務(IERS)于1988年由國際大地測量學與地球物理學聯合會(IUGG)和國際天文學聯合會(IAU)共同建立，用以取代國際時間局(BIH)的地球自轉部分和原有的國際極移服務(IPMS)。該組織提供3種產品[1]：國際天球參考框架(ICRF)、國際地球參考框架(ITRF)和地球自轉參數(EOP)。國際地球參考系統(ITRS)是一種協議地球參考系統，而 ITRF則是ITRS的具體實現。

ITRF是各種定位服務、衛星定軌和地球科學應用的基礎。作為目前可用的、標準的、精度最好的地球參考框架，ITRF被全球和區域范圍內的各種國際組織所采納和使用。過去三十年中，ITRF由IERS建立和維護，它是國際大地測量協會(IAG)提供的一種標準服務，其構成是基于相應大地測量產品(測站坐標和地球定向參數EOPs的時間序列)的嚴密組合，這些產品由4種空間大地測量技術通過固定數量核心站上的并置測量設備(并置站)。為ITRF的解算提供測量手段的4種空間大地測量技術包括全球衛星導航系統(GNSS)、衛星激光測距(SLR)、甚長基線干涉(VLBI)和多普勒衛星定軌無線電綜合定位(DORIS)。空間大地測量技術的科學服務組織由IAG管理，主要包括：國際全球衛星導航系統服務(IGS)(其前身為國際GPS服務)、國際VLBI服務(IVS)、國際激光測距服務(ILRS)和國際DORIS服務(IDS)[2]。

ITRF2008之后，測站數量不斷增加，世界各地的大地震也引起了大面積大陸板塊的變形。因此，IERS的ITRS中心于2013年3月開始籌備新版ITRF，要求代表4種空間大地測量技術(DORIS、GNSS、SLR和VLBI)的所有服務中心提交結果并參與到ITRF2014的建立中。從ITRF88～ITRF2014，共實現并發布了13個版本的ITRF。得到最優ITRF聯合平差解，每個版本的ITRF相對于先前版本都在數據處理技術方面有所改進。ITRF2014是在ITRF2008基礎上的精化版本，本文主要介紹了ITRF2014基本情況和相應改進工作。

1 ITRF2014輸入數據和數據處理策略

ITRF2014解包含了975個站址的1 499個測站見圖1，這些站址中約有10%并置兩種以上的空間大地測量技術。ITRF2014的輸入數據[3]：①將測站坐標和EOPs以日解或周解的時間序列的形式提供的IAG技術服務解；②由并置設備得到的239個局部聯系向量，這些數據包含在139個SINEX文件中，且具有完全的方差-協方差信息。

圖1 ITRF2014站點分布[3]

表1為ITRF2014建立過程中各空間大地測量技術中心提供技術解的基本情況。其中，VLBI解包括158個測站在整個VLBI觀測時間段的5 000多個按測段綜合的SINEX文件[4]。對于DORIS技術，在2004年11月—2008年7月，增加了Jason-1接收機的數據，從而確保該時期位于兩個不同傾角的衛星數據能夠被合并至DORIS解中[5]。

表1 IAG服務所提交的ITRF2014技術解情況[3]

ITRF2014建立過程中采用的策略包括幾個步驟：

1)對所有松約束解集施加最小約束：SLR周解即為該情況。

2)對以法方程形式提供的IVS解集施加無絕對平移和無絕對旋轉條件。

3)對已施加最小約束的解集保持不變：IGS和IDS周解即為該情況。

4)通過對每種技術的時間序列的嚴格解算(疊加)，即解算測站坐標、速率、EOPs、周年和半周年信號以及每日解或每周解相對于每種技術累積解的7個轉換參數，得到每種技術的長期解，包括TRF和EOP。在疊加過程中：測站的周年和半周年信號的估計涵蓋了足夠長的時間跨度；將震后形變(PSD)模型應用到地震(EQ)監測站上，其結構要優于對時間序列進行疊加后的法方程結構。

5)識別并剔除粗差，用分段線性函數的方法正確處理不連續變化，其中在地震監測站上使用相應的震后形變(PSD)模型。

6)加入并置站的局部聯系，將各種技術的累積解進行聯合處理。

7)生成ITRF2014最終解，包括測站坐標、速率和EOP時間序列。

2 ITRF2014主要改進

地球的形狀在不斷變化，在此過程中受到各種各樣地球物理學因素的影響，如地殼板塊運動、地震、大氣負載效應、大洋環流和陸地水文學影響等，事實上測站的運動包括線性運動和非線性運動[6]。其中，地殼板塊運動將是ITRF2014的一項附加產品。為了提高ITRF2014建立過程中的框架精度，必須顧及震后形變和負載效應的影響。因此，在ITRF2014建立過程中引入了兩處創新：

1)為了計算負載效應的季節性作用，在相應時間序列的疊加過程中，對含有四種技術足夠長的時間段的測站，采用正弦函數(∑acosωt+bsinωt)對周年項和半年項進行估計[7]；

2)采用對數和(或)指數函數，通過在主要GNSS/GPS地震監測站上對GNSS/GPS數據進行擬合來確定震后形變(PSD)模型，并將其應用到地震并置站上的其他三種技術中。

在地震發生后，測站位置在時刻t的震后軌跡表示為[8]

(1)

(2)

圖2(a)和圖2(b)分別為POVE站消除周年和半周年信號前后的測站坐標殘差序列圖。估算季節性信號和震后形變的主要優點是能夠得到ITRF2014測站的一個穩健的、精確的速度場。

3 ITRF2014基準定義

基準定義是地球參考系定義的關鍵性問題。從理論上講，選定合理的原點、尺度和定向及其隨時間的變化，就等于嚴格定義了一個理想的地球參考系統。根據《IERS Conventions (2010)》，國際地球參考系統ITRS的最新定義[10]：坐標原點是地心，是整個地球(包含海洋和大氣)的質量中心；與地心局部框架的TCG坐標時保持一致，符合IAU和IUGG的1991年決議，由相應的相對論模型得到；方向初始值采用國際時間局(BIH)給出的1984.0的方向；定向隨時間的演變采用相對于整個地球的水平板塊運動無整體旋轉(NNR)條件。

ITRF2014的基準定義采用如下框架參數：

1)原點：在歷元2010.0，ITRF2014相對于通過疊加ILRS時間序列得到的ILRS的SLR長期解的平移參數和平移速率為零。

2)尺度：在歷元2010.0，ITRF2014相對于VLBI和SLR的平均尺度及尺度速率的變化為零。

3)定向：在歷元2010.0，ITRF2014相對于ITRF2008的旋轉參數和旋轉速率為零。這兩個條件應用在選定的127個核心站上。

為評估ITRF2014與ITRF2008兩個版本框架之間的一致性，使用相同127個測站(位于125個站址)來估算兩框架間的轉換參數。表2列出了ITRF2014和ITRF2008之間的14個轉換參數(7個轉換參數和7個轉換參數的速率)及其誤差。其中，T1，T2，T3為3個平移參數，D為尺度因子，R1，R2，R3為3個旋轉參數。這些轉換參數是經過加權的平差值，它與具體推算時選用的公共測站的位置和數量密切相關，從表2中可以看出兩框架間的轉換參數較小。

表2 歷元2010.0對應的ITRF2014至ITRF2008轉換參數[11]

4 結束語

ITRF2014是基于4種空間大地測量技術的全部重新處理得到的解，ITRF2014解提供一般的(經典的)估計參數：給定歷元(2010.0)的測站坐標、測站速率和地球定向參數(EPOs)，震后形變模型是ITRF2014產品的一部分。與ITRF2008相比，ITRF2014的精度和穩定性均有所提高，主要因為新增加了四種空間大地測量技術6年的觀測數據，增加了新的測站和改進的模型；對于ITRF2014，首次顧及大氣引起的非潮汐負載的影響，引入了測站的非線性變化特征。新的空間大地測量數據及其數據處理方法的改進為更高精度的地球參考框架的實現與維持奠定了基礎，同時也必將更好地服務于地球科學的研究和發展。

[1] 鄒蓉. 地球參考框架建立和維持的關鍵技術研究[D]. 武漢: 武漢大學, 2009.

[2] ALTAMIMI Z, COLLILIEUX X, METIVIE L. ITRF2008: An Improved Solution of the International Terrestrial Reference Frame[J]. Journal of Geodesy, 2011, 85(8):457-473.

[4] BACHMANN S, THALLER D, ROGGENBUCK O, et al. IVS contribution to ITRF2014[J]. Journal of Geodesy, 2016, 90: 631-654.

[5] MOREAUX G，LEMOINE F. The DORIS contribution to ITRF2014[EB/OL]. [2016-04-15]. http://itrf.ign.fr/ITRF_solutions/2014/doc/IDS-contribution-to-ITRF2014_v1.pdf.

[6] 姜衛平, 李昭, 劉萬科, 等. 顧及非線性變化的地球參考框架建立與維持的思考[J]. 武漢大學學報(信息科學版), 2010, 35(6): 665-669.

[7] ALTAMIMI Z, COLLILIEUX X, REBISCUNG P, et al. ITRF2014 Status, Data Analysis and Results[C]. EGU General Assembly Conference Abstracts, Vienna, Austria.

[8] IGN. ITRF2014: Equations of post-seismic deformation models[EB/OL]. [2016-05-11]. http://itrf.ign.fr/ITRF_solutions/2014/doc/ITRF2014-PSD-model-eqs-IGN.pdf.

[9] ALTAMIMI Z, REBISCHUNG P, COLLILIEUX X, et al. ITRF2014: Preliminary results and ILRS contribution[R/OL]. (2015-10-26) [2016-04-10]. http://cddis.gsfc.nasa.gov/2015_Technical_Workshop/docs/presentations/1_gnssA_pdf/1.1_Altamimi_pres.pdf.

[10] PETIT G, LUZUM B. IERS Conventions (2010), IERS Technical Note 36[EB/OL]. [2016-05-28]. http://62.161.69.131/iers/conv2010/conv2010.html.

[11] IGN. Transformation Parameters from ITRF2014 to ITRF2008[EB/OL]. [2016-05-17]. http://itrf.ign.fr/ITRF_solutions/2014/tp_14-08.php.

[責任編輯：李銘娜]

Realization and improvement of ITRF2014 frame

LYU Hao, LYU Zhiping, CUI Yang, WANG Yupu, ZHAI Shufeng

(School of Geospatial Information, Information Engineering University, Zhengzhou 450000, China)

The latest realization of the International Terrestrial Reference Frame (ITRF) is the ITRF2014, published by the IERS in January 2016. The ITRF2014 is realized by combining solutions of different space geodesy techniques. In the preparation for ITRF2014, the non-linear motions are modeled for the first time, including the estimation of the seasonal terms and the application of postseismic deformation (PSD) models. The basic information of the datum definition, the input data and the data processing strategy are introduced. And the main improvements of ITRF2014,compared with the previous versions of ITRF, are analyzed.

TRF2014； non-linear motions； postseismic deformation； datum； transformation parameters

2016-08-20

國家自然科學基金資助項目(41274015,41674019)；國家重點研發計劃項目(2016YFB0501701)

呂 浩(1989-)，男，博士研究生.

著錄：呂浩，呂志平，崔陽,等.ITRF2014參考框架的實現與改進[J].測繪工程，2017，26(9)：1-4.

10.19349/j.cnki.issn1006-7949.2017.09.001

P228.4

A

1006-7949(2017)09-0001-04