浅谈ITRF之间的差异与相互转换

赵迎辉，娄建民，赵彤彬

（陕西水环境工程勘测设计研究院，陕西 西安 710018）

0 引言

地球参考系统是用来确定坐标系的原点、尺度及定向，以及确定其随时间变化的算法、协议和常数，常常作为地球动力学和大地测量学等学科研究的基本参考系之一。ITRF（地球参考框架）则是由一组固定在地球表面并且仅做线性运动的大地测量点的坐标及其坐标变化速率组成的，是对地球参考系统的具体实现。

到如今，地球参考框架已经更新发布到ITRF2014版本。从IERS研究机构发布ITRF1988，到ITRF2014的发布，ITRF框架出现了13个版本。对于不同框架其采用的测量技术、解算策略以及解算模型是各不相同的。其中ITRF2014相较于以前版本而言，不仅仅测站的坐标时间序列数据充足，还有震后形变模型在多种技术上的广泛应用，促使着ITRF2014的坐标精度显著的提升。随着科学技术的发展，GPS技术也在日益更新，全球GPS跟踪站的数量和并置站的增加，同时伴随着更多测量新技术的加入，解算策略和精度不断的精化，导致ITRF版本的差异性也逐渐缩小，目前ITRF坐标精度可以达到毫米级。本文分析不同时期，不同框架下的坐标差异，以及利用ITRF转换公式获取探求不同框架下站点坐标转换后与ITRF官网公布的坐标的差异性。

1 ITRF转换原理

从理论上来讲，ITRF框架所对应的平均格林尼治子午线与地极重合。参考框架的版本不同，其采用的观测技术、观测方法以及解算模型的不同，会导致不同框架之间会有微弱的差异。对于GPS数据处理来讲，这些误差是不能被忽略的，但可以利用ITRF官方发布的ITRF之间的转换模型参数（坐标和速度场）来获取不同框架下的点位坐标转换到同一框架下，而ITRF系列框架的的转换模型很多，常用的是赫尔墨托七参数转化。框架之间的转换一般规律是，先对历元进行统一，再进行框架的转换。公式如下：

（1）历元统一

测站坐标的变化，是由于地球运动以及地壳活动引起的，由于这种变化非常缓慢，通常被看做其按匀速线性运动变化，则测站在某一时刻下其坐标公式表示为：

（2）框架转换

其中：

2 算例分析

参考框架的选择对GPS数据处理精度起着至关重要的作用。本文为探究点位坐标在不同框架之间的差异，选取了欧亚地区的五个IGS站，其站点代码分别为KIT3、POL2、WUHN、LHAS、XIAN。

数据时间：选取了年积日为2017年第157天（即历元时间为2017年6月 6日）在 ITRF96、ITRF97、ITRF2000、ITRF2005和ITRF2008五个参考框架下的站点坐标。

以ITRF2008框架下的点位坐标值的作为参考值，从而得到ITRF96、ITRF97、ITRF2000以及ITRF2005框架下的点位坐标与ITRF08框架下点位坐标各个分量上的偏差值，见图1。

图 1 ITRF96、ITRF97、ITRF2000以及 ITRF2005分别与ITRF2008之间的坐标偏差

由图1可知：

（1）在同一历元下，各个点在 ITRF96、ITRF97、ITRF2000、ITRF2005与ITRF2008框架下的点位坐标差异很大。

（2）ITRF96与ITRF97框架下的点位偏差波动较大，其中XIAN点在ITRF96和ITRF97框架下的坐标与ITRF2008的差异到达分米级，而且X、Y坐标偏差已经达到20cm。

（3）POL2 在ITRF96、ITRF97、ITRF2000、ITRF2005与ITRF2008的点位坐标偏差差异最小，差异值只有毫米级差别。

（4）ITRF2005与TRF2008的点位坐标偏差值较为接近，趋近于零，说明ITRF框架系列也是不断精化的。由于ITRF框架间的差异性是存在的，所以在数据解算进行网平差计算时，一定统一坐标框架，确定解算基准，防止出现不同框架下的数据进行解算，造成解算误差。

在数据平差处理时，对于不同框架下的点位数据，需要统一框架。本文利用MATLAB编程语言，结合赫尔墨托七参数转换公式，对ITRF2000、ITRF2005框架下的点位坐标进行坐标转换分别转换到ITRF2008框架下，并分析探求其转换后的坐标与ITRF官网公布的坐标的差异。

图2 ITRF2005转换到ITRF2008后的坐标与已知坐标的差值

图3 ITRF2000转换到ITRF2008后的坐标与已知坐标的差值

如图2和图3可知，把五个igs站同一历元，ITRF2000以及ITRF2005框架下的坐标转化到同一历元ITRF2008框架下的坐标，并与ITRF网站公布的坐标进行对比，分析其差异性，由图可得：

（1）对于同一历元，ITRF2005和ITRF2000点位坐标转到ITRF2008大部分点坐标差均在1个cm以内，甚至在毫米级差异。

（2）同一历元下，在ITRF2000以及ITRF2005转化到ITRF2008框架下坐标，XIAN站的坐标差异达到2 cm，说明站点运动不仅仅是线性运动，其中也有其他运动导致其变化。

3 结语

本文通过算例分析，对于同一框架的站点坐标在不同历元下坐标变化较大，其站点坐标随时间做近似于线性运动，不同框架下的站点坐标在同一历元也差异较大。因而，对于不同时期，不同框架下的坐标数据进行研究分析时，首先要确定好坐标基准，统一框架，然后进行数据处理、分析、研究。参考框架的选择对于数据解算结果影响较大，平差计算时，须谨慎选择。