GNSS基准站网数据处理方法与应用：区域地球参考框架

ITRF网测站数量有限，全球分布也不均匀。尽管ITRF是国际公认的应用最为广泛、精度最高的地球参考框架，然而由于不同用户对测站网的分布、密度和现势性有不同要求，很多国家或地区根据需要建立和维持各自的区域参考框架。区域参考框架的实质是国家或者洲际范围内对ITRF的加密。IAG在1992年IUGG第20次大会一号决议中提出以下建议：①高精度大地测量学、地球动力学、海洋学研究应当直接使用ITRF或者与ITRF建立明确关系的其他参考框架。②为了获取较高的精度，可以建立相对刚性板块无显著运动的区域参考系统，而且这一参考系统在特定历元应当与ITRS精确符合。世界上大多数国家和机构都采用第一条建议建立和维持自己的参考框架，以保证区域参考系统在对应的框架实现上与ITRF一致。北美、欧洲、新西兰等发达国家和地区都相继建成了地心坐标系，在亚洲，我国周边国家也先后建立了地心参考框架，实现了地心参考框架的建立。

1.欧洲参考框架EUREF

自从1987年以来，IAG第十委员会，即全球和区域大地测量控制网的欧洲分会，积极致力于建立与维持欧洲参考框架EUREF，并且几乎所有欧洲的国家都积极参与了该项工作。EUREF的长期目标是定义、实现及维持欧洲参考框架，包括地理空间位置及高程分量的确定(Torres，et al.，2008；陈俊勇，2007；党亚民等，2008)。

EUREF已经建立了“欧洲大地基准系统89(ETRS89)”和“欧洲高程基准系统(EVRS)”。ETRS的定义为在1989.0与ITRS保持一致，并固连于稳定的欧亚板块，遵循IAG在IUGG第20次大会一号决议中的第二条建议。

ETRS89由EUREF于1995年建立的GPS连续运行基准站网(EPN)进行维持，可以提供具有厘米级精度的点位地心三维坐标。EPN与IGS有紧密的联系和合作，是IGS在欧洲区域的加密，与IGS数据处理标准和模型完全一致。站点总数超过200个，并且37%的站点同时提供GPS及GLONASS数据。16个分析中心分别按照EUREF技术工作组(TWG)的准则处理各子网数据，向EPN组合中心提交站坐标的周自由网解，然后由组合中心进行统一处理，组合成最终解ETRFyy，与ITRFyy相一致。从GPS周1400开始，IGS采用绝对天线相位中心改正取代原来的相对天线相位中心改正，实现了IGS05框架，EPN遵循同样的原则，从GPS周1400开始，与IGS05相一致。

作为欧洲大地测量基础设施的支持，EUREF已成为了关键的一环，并将成为全球大地测量观测系统(GGOS)的重要合作伙伴。ETRS89和EVRS已由欧盟的欧洲控制测量与欧洲地理学会和欧洲国家制图与地籍局等单位推荐采用，以支持广泛的涉及大地坐标框架的多种科学应用和研究。

2.南美洲参考框架SIRGAS

SIRGAS主要目的是在美洲共同建立和维持一个洲际范畴的地心三维大地坐标框架，通过遍布整个拉丁美洲及加勒比海的大约200个连续运行站网络(SIRGAS-CON)实现。SIRGAS的定义与ITRS一致，是ITRS在南美洲的区域加密。SIRGAS成员国则通过构建GNSS连续运行站实现与SIRGAS兼容的国家参考框架(Sánchez，et al.，2009；陈俊勇，2007；党亚民等，2008)。

从GPS1495周开始，SIRGAS-CON的数据处理策略被重新定义为两个层次：一是选择均匀大陆分布、位置稳定的站点作为核心网(SIRGAS-CON-C)，以维持参考框架的长期稳定性，并与ITRS建立基础联系；二是其他遍布各国的站点则作为区域加密子网(SIRGAS-CON-D)，与核心网联合解算，从而获得各国各站点的地心三维坐标及速度。这样的目的是各国可以遵循与IERS、IGS标准和协议一致的SIRGAS数据处理准则，处理自己国家境内的连续运行站数据，得到各国自身的参考框架。SIRGAS-CON-C网的解算由德国大地测量研究所(DGFI)负责。DGFI同时也是IGS的一个协作组织。由于并不是各国都有自己的处理中心，因此现有的站点被分成了三个加密网(北部、中部及南部加密网)，各加密网由当地数据处理中心(IGAC、IBGE、IGG-CIMA)完成。四个分析中心分别提供测站坐标的松弛周解，然后再由SIRGAS组合中心(DGFI、IBGE)使用统一的策略进行组合，得到框架点的最终坐标及速度。此前，所有SIRGAS-CON网的数据均由DGFI处理。目前这种数据分析处理策略与之前的解算方法符合很好，但是如今的子网分布存在两个缺点：①各SIRGAS-CON站点在不同的子网解算时所赋的权重不等；②由于当地没有足够多的当地处理中心，各处理中心必须的冗余度不够(即每个站点至少参与三个处理中心的计算)。因此，必须在拉丁美洲各国加强建设当地处理中心，例如阿根廷、墨西哥、秘鲁、厄瓜多尔、乌拉圭、委内瑞拉等。

如今SIRGAS已完成了两个大地测量项目：SIRGAS95(与ITRF94一致，参考历元1995.0)和SIRGAS2000(与ITRF2000一致，参考历元2000.0)。按计划今后的主要任务是将美洲各国的大地网联测，将各个国家的大地网作为SIRGAS整个大地坐标框架中的一个子框架(一个分网)。此外SIRGAS还计划为全美洲定义、实现和维持一个统一的正常高程系统。

3.北美参考框架NAREF ＆ SNARF

NAREF是ITRF在北美地区的加密，可划分为6个区域子网，包括北美超过800个连续运行站(其中有55个站同时属于ITRF/IGS框架点)，数据处理严格遵循IGS标准，提供的产品包括站坐标的周解及年速度。为了更好地表征板块内部的运动，2003年北美的有关测绘部门建立了一个“稳定的北美大地坐标框架(SNARF1.0)”工作组，其目标是定义一个毫米级板块固定的北美参考框架，用于支持在该区域开展的有关地球动力学研究(Blewitt，et al.，2006；陈俊勇，2007；党亚民等，2008)。SNARF采用质量较好的118个基准点定义(标石稳定，且连续观测时间超过3年)。基于在IGb00框架下组合NAREF的6个区域子网解、北美东部的联合解以及加拿大的基础网(CBN)解，最终生成SNARF1.0，与ITRF2000保持一致，参考历元为2003.0。框架点的选择依据地质和工程所认定的稳定标准而定，其分布均匀，位于所在板块的稳定部分，并用以定义无整体旋转约束(No-net-rotation)条件。此外，该框架采用了一种使GPS速度场和冰后回弹调整的地球物理模型有机结合的新技术。利用该技术，可以很好地对板内水平和垂直运动用模型进行描述。

2005年6月，在UNAVCO的年度报告里，发布了该参考框架的第一个版本。该参考框架新版本于2007年底发布改进的GPS速度场和ITRF2005，其产品包括所有参考点的坐标和速度场值、一个冰后回弹调整模型以及ITRF2000下的板块旋转矢量。今后，SNARF将增加基准站的数目，融入新建立的区域网解，例如阿拉斯加地区及加拿大西北部的GIPSY解等，进一步扩大SNARF的覆盖密度，考虑除冰后回弹以外的地球物理因素影响的测站位移，如水文负荷与大气负荷等，从而逐步取代与ITRF相差1.5m的北美基准NAD83。

4.非洲参考框架AFREF

非洲超过50个国家采用不同的大地基准和坐标系，并且有的国家同时使用两种或者多种局部坐标系，互不兼容，边界区域存在分歧。这使得与地理信息有关的区域及大陆制图与规划遭遇了很大的挑战，建立统一的非洲坐标系统成为迫切的需求。(www.xing528.com)

2000年以来，IAG、IGS强烈主张通过共享国际资源和技术合作，基于全球导航定位系统(GNSS)在非洲建立统一的、与ITRF及IGS标准一致的现代地心坐标框架AFREF。AFREF是ITRF在非洲大陆的加密，通过间距大约1000km的永久GPS站网实现和维持，用户可以免费获取站点数据。这些站和全球IGS站统一解算，解算策略遵循IGS/IERS协议，获得的站点精度为厘米级。AFREF将整个非洲大陆按照地理分布划分为五个子网：NAFREF(North)、AFREF(South)、CAFREF(Center)、EAFREF(East)、WAFREF(West)。实际上，AFREF是一个基准网，该网可以今后在各个国家范围内建立永久/半永久GPS运行站实施加密，建成属于各个国家的、与ITRF一致的国家坐标参考框架(Blewitt，et al.，2006；党亚民等，2006，2008)。

AFREF提供的产品与IGS相同，包括各站点的坐标、精密轨道以及为大气建模提供导航数据。就局部应用而言，当地用户可以使用一台接收机通过与连续运行GPS站的观测数据进行后处理得到站坐标。

AFREF具有广泛的用途，其最终目的将包括实现非洲大陆测绘产品的基准统一转换，建立统一的垂直基准，并为非洲精确大地水准面的建立提供支持；同时为地壳形变研究提供连续监测数据。航空业也将从中受益，实现精密导航。此外，AFREF采用的定位技术还将在长期气候监测、地基天气预报以及实现毫米级的长期海平面监测中发挥潜力。

5.中国2000国家大地坐标系

经典大地测量网标定的坐标系统不可避免地存在局部变形。因为经典大地测量受局部地球物理因素的影响，如地壳运动、局部大气影响等。此外，经典大地测量网还受累积误差的影响。采用参心、二维、低精度、静态的大地坐标系统(例如1954年北京坐标系或1980西安坐标系)作为测绘基准，必然会带来越来越多不协调问题，产生众多矛盾，制约高新技术的应用。为了顺应时代的需求，2008年7月1日起，我国全面启用2000国家大地坐标系(CGCS2000)。

CGCS2000由分布在全国范围内的30个永久跟踪站、2600个“2000国家GPS大地控制点”和原有天文大地网点组成。CGCS2000联结于国际地球参考框架ITRF97，坐标具有明确历元(2000.0)，点位间相对精度达10-7，相对于地心绝对点位精度(GPS网点)优于0.2m，是中国第一个地心、三维坐标框架(陈俊勇，2008，程鹏飞等，2009)。参考框架通过连续或重复的高精度空间大地测量观测维持其动态性。它的参考历元为2000.0，体现为2000国家GPS大地网在历元2000.0时的点位坐标和速度，即CGCS2000框架由大约2500个GPS点在历元t0＝2000.0的坐标X(t0)和速度构成。这些点在历元t(t≠t0)的坐标X(t)按下式计算：

如果速度X(t0)未知，可按照以下两种方法得到：①根据周围已知点的速度内插得到；②按现成的板块运动模型计算。

CGCS2000以其科学性、先进性和实用性等优势极大地满足了国民经济建设、社会发展、国防建设和科学研究等方面的需求。

6.中国周边国家大地坐标系

在亚洲，中国周边国家也先后建立了地球参考框架，日本、蒙古、韩国及马来西亚等国实现了坐标参考框架建立的现代化。日本于2000年4月起开始启用新的地心三维大地基准JGD2000，取代曾采用百余年的东京大地基准TD1918(党亚民等，2006，2008)。JGD2000是通过日本GPS网与IGS站联测，并与IGS数据联合处理，将国际地球参考框架ITRF94引入而实现的。其原点通过由IERS使用多种空间大地测量技术在ITRF94下的经度和纬度确定。也就是说，JGD2000是ITRF94在日本的扩展与实现。

蒙古近年建立了新的国家大地坐标框架MONREF97。该大地框架是在瑞典支援下，采用GPS观测完成的，和WGS84保持一致，取代了原来的蒙古国家二维平面坐标系MSK42(采用克拉索夫斯基椭球)。该坐标系统和原苏联普尔科沃1942系统保持一致(Clifford，et al.，2003；陈俊勇，2003)。

韩国于1998年推出一个全新的国家三维地心大地坐标系统KGD2000。KGD2000的核心部分是有足够数量和分布合理的GPS连续运行站，通过CORS与ITRF97联测来实现的，历元采用2000.0。它将向用户提供精确的、附有时相的三维地心空间坐标，与ITRF保持一致(陈俊勇，2003)。

马来西亚通过将已有的GPS大地网(PGGN，共238个点)与分布全国的数十个GPS永久性连续运行站网络(MASS)联测，建成马来西亚国家三维地心大地坐标系统(NGRF2000)。MASS各站点坐标利用两年的GPS跟踪站数据(1999年1月1日至2000年12月31日)与ITRF97联测确定，定义于ITRF97，历元为2000.0，其平差后精度的水平分量为±1cm，高程分量为±2cm(陈俊勇，2003)。