ITRF2014参考框架的实现与改进

吕 浩，吕志平，崔 阳，王宇谱，翟树峰

(信息工程大学 地理空间信息学院，河南 郑州 450000)

ITRF2014参考框架的实现与改进

吕 浩，吕志平，崔 阳，王宇谱，翟树峰

(信息工程大学 地理空间信息学院，河南 郑州 450000)

ITRF2014通过对多种空间大地测量技术解的联合处理，在ITRF2014建立过程中首次对非线性运动建模，包括季节性变化的估计和震后形变(PSD)模型的应用。针对基准定义、输入数据和数据处理策略等方面介绍ITRF2014实现的基本情况，并对之前版本进行优化改进。

ITRF2014；非线性运动；震后形变；基准；转换参数

国际地球自转与参考系统服务(IERS)于1988年由国际大地测量学与地球物理学联合会(IUGG)和国际天文学联合会(IAU)共同建立，用以取代国际时间局(BIH)的地球自转部分和原有的国际极移服务(IPMS)。该组织提供3种产品[1]：国际天球参考框架(ICRF)、国际地球参考框架(ITRF)和地球自转参数(EOP)。国际地球参考系统(ITRS)是一种协议地球参考系统，而 ITRF则是ITRS的具体实现。

ITRF是各种定位服务、卫星定轨和地球科学应用的基础。作为目前可用的、标准的、精度最好的地球参考框架，ITRF被全球和区域范围内的各种国际组织所采纳和使用。过去三十年中，ITRF由IERS建立和维护，它是国际大地测量协会(IAG)提供的一种标准服务，其构成是基于相应大地测量产品(测站坐标和地球定向参数EOPs的时间序列)的严密组合，这些产品由4种空间大地测量技术通过固定数量核心站上的并置测量设备(并置站)。为ITRF的解算提供测量手段的4种空间大地测量技术包括全球卫星导航系统(GNSS)、卫星激光测距(SLR)、甚长基线干涉(VLBI)和多普勒卫星定轨无线电综合定位(DORIS)。空间大地测量技术的科学服务组织由IAG管理，主要包括：国际全球卫星导航系统服务(IGS)(其前身为国际GPS服务)、国际VLBI服务(IVS)、国际激光测距服务(ILRS)和国际DORIS服务(IDS)[2]。

ITRF2008之后，测站数量不断增加，世界各地的大地震也引起了大面积大陆板块的变形。因此，IERS的ITRS中心于2013年3月开始筹备新版ITRF，要求代表4种空间大地测量技术(DORIS、GNSS、SLR和VLBI)的所有服务中心提交结果并参与到ITRF2014的建立中。从ITRF88～ITRF2014，共实现并发布了13个版本的ITRF。得到最优ITRF联合平差解，每个版本的ITRF相对于先前版本都在数据处理技术方面有所改进。ITRF2014是在ITRF2008基础上的精化版本，本文主要介绍了ITRF2014基本情况和相应改进工作。

1 ITRF2014输入数据和数据处理策略

ITRF2014解包含了975个站址的1 499个测站见图1，这些站址中约有10%并置两种以上的空间大地测量技术。ITRF2014的输入数据[3]：①将测站坐标和EOPs以日解或周解的时间序列的形式提供的IAG技术服务解；②由并置设备得到的239个局部联系向量，这些数据包含在139个SINEX文件中，且具有完全的方差-协方差信息。

图1 ITRF2014站点分布[3]

表1为ITRF2014建立过程中各空间大地测量技术中心提供技术解的基本情况。其中，VLBI解包括158个测站在整个VLBI观测时间段的5 000多个按测段综合的SINEX文件[4]。对于DORIS技术，在2004年11月—2008年7月，增加了Jason-1接收机的数据，从而确保该时期位于两个不同倾角的卫星数据能够被合并至DORIS解中[5]。

表1 IAG服务所提交的ITRF2014技术解情况[3]

ITRF2014建立过程中采用的策略包括几个步骤：

1)对所有松约束解集施加最小约束：SLR周解即为该情况。

2)对以法方程形式提供的IVS解集施加无绝对平移和无绝对旋转条件。

3)对已施加最小约束的解集保持不变：IGS和IDS周解即为该情况。

4)通过对每种技术的时间序列的严格解算(叠加)，即解算测站坐标、速率、EOPs、周年和半周年信号以及每日解或每周解相对于每种技术累积解的7个转换参数，得到每种技术的长期解，包括TRF和EOP。在叠加过程中：测站的周年和半周年信号的估计涵盖了足够长的时间跨度；将震后形变(PSD)模型应用到地震(EQ)监测站上，其结构要优于对时间序列进行叠加后的法方程结构。

5)识别并剔除粗差，用分段线性函数的方法正确处理不连续变化，其中在地震监测站上使用相应的震后形变(PSD)模型。

6)加入并置站的局部联系，将各种技术的累积解进行联合处理。

7)生成ITRF2014最终解，包括测站坐标、速率和EOP时间序列。

2 ITRF2014主要改进

地球的形状在不断变化，在此过程中受到各种各样地球物理学因素的影响，如地壳板块运动、地震、大气负载效应、大洋环流和陆地水文学影响等，事实上测站的运动包括线性运动和非线性运动[6]。其中，地壳板块运动将是ITRF2014的一项附加产品。为了提高ITRF2014建立过程中的框架精度，必须顾及震后形变和负载效应的影响。因此，在ITRF2014建立过程中引入了两处创新：

1)为了计算负载效应的季节性作用，在相应时间序列的叠加过程中，对含有四种技术足够长的时间段的测站，采用正弦函数(∑acosωt+bsinωt)对周年项和半年项进行估计[7]；

2)采用对数和(或)指数函数，通过在主要GNSS/GPS地震监测站上对GNSS/GPS数据进行拟合来确定震后形变(PSD)模型，并将其应用到地震并置站上的其他三种技术中。

在地震发生后，测站位置在时刻t的震后轨迹表示为[8]

(1)

(2)

图2(a)和图2(b)分别为POVE站消除周年和半周年信号前后的测站坐标残差序列图。估算季节性信号和震后形变的主要优点是能够得到ITRF2014测站的一个稳健的、精确的速度场。

3 ITRF2014基准定义

基准定义是地球参考系定义的关键性问题。从理论上讲，选定合理的原点、尺度和定向及其随时间的变化，就等于严格定义了一个理想的地球参考系统。根据《IERS Conventions (2010)》，国际地球参考系统ITRS的最新定义[10]：坐标原点是地心，是整个地球(包含海洋和大气)的质量中心；与地心局部框架的TCG坐标时保持一致，符合IAU和IUGG的1991年决议，由相应的相对论模型得到；方向初始值采用国际时间局(BIH)给出的1984.0的方向；定向随时间的演变采用相对于整个地球的水平板块运动无整体旋转(NNR)条件。

ITRF2014的基准定义采用如下框架参数：

1)原点：在历元2010.0，ITRF2014相对于通过叠加ILRS时间序列得到的ILRS的SLR长期解的平移参数和平移速率为零。

2)尺度：在历元2010.0，ITRF2014相对于VLBI和SLR的平均尺度及尺度速率的变化为零。

3)定向：在历元2010.0，ITRF2014相对于ITRF2008的旋转参数和旋转速率为零。这两个条件应用在选定的127个核心站上。

为评估ITRF2014与ITRF2008两个版本框架之间的一致性，使用相同127个测站(位于125个站址)来估算两框架间的转换参数。表2列出了ITRF2014和ITRF2008之间的14个转换参数(7个转换参数和7个转换参数的速率)及其误差。其中，T1，T2，T3为3个平移参数，D为尺度因子，R1，R2，R3为3个旋转参数。这些转换参数是经过加权的平差值，它与具体推算时选用的公共测站的位置和数量密切相关，从表2中可以看出两框架间的转换参数较小。

表2 历元2010.0对应的ITRF2014至ITRF2008转换参数[11]

4 结束语

ITRF2014是基于4种空间大地测量技术的全部重新处理得到的解，ITRF2014解提供一般的(经典的)估计参数：给定历元(2010.0)的测站坐标、测站速率和地球定向参数(EPOs)，震后形变模型是ITRF2014产品的一部分。与ITRF2008相比，ITRF2014的精度和稳定性均有所提高，主要因为新增加了四种空间大地测量技术6年的观测数据，增加了新的测站和改进的模型；对于ITRF2014，首次顾及大气引起的非潮汐负载的影响，引入了测站的非线性变化特征。新的空间大地测量数据及其数据处理方法的改进为更高精度的地球参考框架的实现与维持奠定了基础，同时也必将更好地服务于地球科学的研究和发展。

[1] 邹蓉. 地球参考框架建立和维持的关键技术研究[D]. 武汉: 武汉大学, 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] 姜卫平, 李昭, 刘万科, 等. 顾及非线性变化的地球参考框架建立与维持的思考[J]. 武汉大学学报(信息科学版), 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.

[责任编辑：李铭娜]

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

国家自然科学基金资助项目(41274015,41674019)；国家重点研发计划项目(2016YFB0501701)

吕 浩(1989-)，男，博士研究生.

著录：吕浩，吕志平，崔阳,等.ITRF2014参考框架的实现与改进[J].测绘工程，2017，26(9)：1-4.

10.19349/j.cnki.issn1006-7949.2017.09.001

P228.4

A

1006-7949(2017)09-0001-04