CN102650703B

CN102650703B - Cgcs2000板块模型cpm-cgcs2000构建方法

Info

Publication number: CN102650703B
Application number: CN201210130342.6A
Authority: CN
Inventors: 程鹏飞; 成英燕; 秘金钟; 王�华; 王晓明
Original assignee: Chinese Academy of Surveying and Mapping
Current assignee: Chinese Academy of Surveying and Mapping
Priority date: 2012-04-27
Filing date: 2012-04-27
Publication date: 2014-03-26
Anticipated expiration: 2032-04-27
Also published as: CN102650703A

Abstract

本发明公开了一种CGCS2000板块模型CPM-CGCS2000构建方法，包括以下步骤：S1：选择全球核心框架点为初始基准，采用ITRF框架点选取原则、7参数监督聚类和站点均匀化选取原则选取CGCS2000框架点，用解算方法处理CGCS2000框架网观测数据，得到国际地球参考框架ITRF下精确的站点坐标和框架点长周期趋势项信息；S2：确定中国地质构造运动的CPM-CGCS2000一、二级板块分界线；S3：构建CPM-CGCS2000一、二级块体运动模型；S4：对板块模型的评估与检验。本发明可实现国家级CGCS2000框架点高精度维护，同时实现GNSS实测点位到CGCS2000的厘米级归算。

Description

CGCS2000板块模型CPM-CGCS2000构建方法

技术领域

本发明涉及国家高精度地心坐标框架及大地基准维护技术领域，特别涉及一种CGCS2000板块模型CPM-CGCS2000构建方法。

背景技术

CGCS2000(2000国家大地坐标系的简写)坐标定义的框架实现后，涉及CGCS2000框架高精度动态维护。常用的方法是根据实际点位的框架点长周期趋势项信息对站点进行由板块运动引起的位移改正。这种方法只适合于有多年观测的CORS站，经数据处理后得到站点的框架点长周期趋势项信息进行改正，但对于新建站点则无法获得框架点长周期趋势项信息。而且我国目前的高精度连续运行站只有32个站，对于在全国范围用内插的方法很有限。

国外不同ITRF框架实现时均有相应的板块运动模型，但由于我国大陆地质结构很复杂，所建立的板块模型在我国的适应性很差，精度较低。因此需根据我国实际的地质构造及我国多年的连续运行站及定期复测的GPS站的数据构建符合我国板块运动的板块运动模型。

国际构建的ITRF框架点长周期趋势项信息及板块运动模型总体可归纳为有ITRF05、APKIM2005、PB2002、NUVEL-1A等。所推荐的NUVEL-1A模型是基于地质和地球物理数百万年的资料建立的平均模型。它的主要缺陷是它所代表的速度是3百万年的平均速度，无法识别当前的运动。自NUVEL-1A发布以来已经过去了近15年，在狭长的板块边界存在着扩展的变形区域。板块边界划分的不同，用不同的模型得到的各站点的框架点长周期趋势项信息差异较大。

国内的板块模型在数据处理方法与板块边界划分、站点筛选上及板块模型的验证等过程都存在不足，没有系统的理论和方法支撑，因此所构建的模型有一定的局限性。

CGCS2000框架维护及CPM-CGCS2000构建主要应解决几个关键问题：1)必须要有多年分布较密的框架点数据进行严格的处理获得高精度的框架点长周期趋势项信息，其中需考虑非刚性板块或有局部变形的处理，断点异常处理，分段速度值处理等。2)板块划分问题。在不同时期对中国大地构造单元已经有过很多不同的划分，中国地处欧亚大陆东南缘、印度板块和太平洋(菲律宾)板块交汇位置，是地质结构最复杂的地区。3)断裂带周边、板块分界线边缘异常速度的剔除。4)模型检验与评估方法。

对于1)大多数数据处理计算速度值均未考虑时序分析不连续时速度的分段估计。因此每个站点得到的是一个连续的线性速度值，由此构造的板块欧拉矢量精度都较差。对于2)板块划分时对板块边缘处理都不细致。用刚性板块筛选条件对每个板块边缘及内部进行框架点细筛选，保证板块内的点均位于刚性板块内。3)以往所建立的板块模型大多是停留在理论探讨。对所建板块没有可靠的检核方法，模型本身不具有很好的模型可解释性及模型的可预测性。本方法所建立的板块模型具有很好的可预测性。

从以上的描述可以看出，CPM-CGCS2000采用了框架基准筛选、分段框架点长周期趋势项信息估计、板块精细划分获得的板块模型精度高且具有可预测性，可以用来进行CGCS2000高精度框架维护。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：如何构建高精度CGCS2000板块运动模型CPM-CGCS2000达到长期动态框架厘米级维护和更新。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供了一种CGCS2000板块模型CPM-CGCS2000构建方法，包括以下步骤：S1：选择全球核心框架点为初始基准，采用ITRF框架点选取原则、7参数监督聚类和站点均匀化选取原则选取CGCS2000框架点，用解算方法处理CGCS2000框架网观测数据，得到国际地球参考框架ITRF下精确的站点坐标和框架点长周期趋势项信息；S2：划分中国大陆地质构造单元，确定中国地质构造运动的CPM-CGCS2000一、二级板块分界线；S3：根据CGCS2000框架网精确的站点坐标，将框架点投影到其所在的CPM-CGCS2000一、二级块体上，然后进行筛选和拟合，计算块体运动的欧拉矢量，构建CPM-CGCS2000一、二级块体运动模型。

更好地，步骤S1中所说的ITRF框架点选取原则包括①连续性原则：即，观测站在近3年或3年以上进行连续观测；②稳定性原则：即，远离板块边缘及变形区域；③高精度原则：即，框架点长周期趋势项信息精度高于3mm/a；④多种解原则：即，至少3个不同分析中心的框架点长周期趋势项信息残差好于3mm/a；所说的7参数监督聚类和站点均匀化选取原则包括⑤精度一致性原则，即，站点的位置和速度的精度应当一致，速度矢量的方向一致；⑥平衡性原则：即，站点尽量全球分布均衡。

更好地，步骤S2中根据中国地质构造特性划分一二级板块边界。

更好地，步骤S3中所说的筛选是将板块边缘框架点及内部区域变形框架点剔除；所说的拟合采用最小二乘法进行拟合。

更好地，一级板块有7个，二级板块有20个。

更好地，还包括：S4：对板块模型的评估与检验，根据不同框架间的转换关系，将GNSS实时获得的站点坐标通过CPM-CGCS2000模型进行板块运动改正，同时对板块模型改正后的点位与CGCS2000真值的检验。

(三)有益效果

本发明通过构建中国大陆CPM-CGCS2000一、二级地球块体运动模型，可实现国家级CGCS2000框架点高精度维护，同时实现GNSS实测点位到CGCS2000的厘米级归算。

附图说明

图1是本发明实施的一种CGCS2000板块模型CPM-CGCS2000构建方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

首先，选择全球核心框架点为CGCS2000框架的初始基准，综合采用国际上ITRF框架点选取原则及本方法提出的7参数监督聚类、站点均匀化选取原则对CGCS2000框架点进行精选取，对构成CGCS2000的连续观测和定期复测的CGCS2000框架网累积多年的观测数据用高精度严密解算方法进行处理，获得在国际地球参考框架ITRF下精确的站点坐标和框架点长周期趋势项信息；

需要说明的是，全球核心框架点是由国际上的IGS分析中心经过多年的数据处理后确定的；

国际上ITRF框架点选取原则包括①连续性原则：测站在近3年(或以上)进行连续观测；②稳定性原则：远离板块边缘及变形区域；③高精度原则：框架点长周期趋势项信息精度优于3mm/a；④多种解原则：至少3个不同分析中心的框架点长周期趋势项信息残差好于3mm/a；

7参数监督聚类，是指在一个板块(或块体)上，各站的速度大小和方向应当基本一致，而且在空间上的变化是逐渐的。将板块边界作为观测资料的约束，将各个测站按板块划分归入不同板块。每个板块运动相当于绕着通过板块中的某一个点的轴在运动，不同位置(离原点的距离远近不同)运动的速度矢量的大小和方向不一样，理论上由板块模型可以计算得到位于板块上的站点的速度，同时通过观测资料经过处理后也可以得到这个站的速度矢量。将实测运动速度与利用板块模型得到的速度大小和方向进行比较，用来判断中间明显与所定义的板块，这里称为“类”有分群现象的点则作为粗差剔除。因ITRF框架点有不同的实现。如ITRF97及ITRF2005，那么在这里可用7参数(两个坐标系相对位置确定时有三个平移、三个旋转、一个尺度)的方法将在ITRF97下的速度值转换到ITRF2005下应与它在ITRF2005的已知值在允许的限差之内，若超出限差则也认为不宜作为我国基准框架点使用。

站点均匀化分布是指，ITRF框架点在全球的分布是不均匀的。作为国家级框架解算，需要测站尽可能地均匀分布在整个的稳定地区，从而使关系矩阵有较强的结构。以往数据处理时是不考虑这一因素，一般将满足要求的ITRF框架点均作为框架的控制点。但根据我们的分析，在框架点比较密集的地区站点可通过一定的算法将一些精度不是很高的点进行剔除后，能使全球ITRF框架尽量均匀。使整体框架控制能够均衡。根据站点覆盖面积最大，分布尽量均匀的原则，剔除位于密集地区且精度较低的站。

关于7参数监督聚类和站点均匀化选取原则是指，⑤精度一致性原则，站点的位置和速度的精度应当一致，速度矢量的方向一致；⑥平衡性原则：站点尽量全球分布均衡。

关于对CGCS2000框架点进行精选取，先是采用国际上通用的ITRF选取站点的原则对ITRF框架进行选取。在此基础上用上述介绍的方法对剩下的框架进行精选取。

使用高精度严密解算方法(高精度严密解算方法：就是将接收到的卫星信号，即观测数据经过误差改正计算得到接收机所在的位置。所述观测数据：包括卫星的位置信息、卫星到地面接收机(本发明的框架点)之间的距离、相位观测值)处理观测数据。具体地说，在由GPS观测到的数据，建立观测数据与框架点位置参数时考虑信号传播中对信号有影响的所有误差源，所述误差源包括：卫星轨道不准确、卫星钟的偏差；信号传播时电离层对信号有发散的影响、对流层对信号有折射的影响等，根据对这些误差所建立的改正模型，所述改正模型包括：如对流层改正模型、固体潮改正模型、接收机接收信号的中心与地面上标定中心之间差的改正模型等到，这些模型都是国际上GNSS相关机构采用实验的手段建立起来的，根据上述改正模型对误差进行改正，用改正后的观测值对框架点的位置进行计算。本发明的改正过程是通过各种措施及改正模型进行改正：如轨道误差、卫星钟误差是通过组成双差进行改正，因地面上的两个接收机观测到同一个卫星，此卫星的轨道误差和卫星钟差对地面接收机的信号影响是相同的，可以将观测到的两个距离求差就消去了卫星轨道误差和钟差的影响。对流层改正是通过将信号在对流层传播时，对流层对信号的影响建立一个方程进行改正等，也就是说，将观测到的距离去掉上面模型计算出来的各仲误差得到正确的实际距离，然后通过方程计算得到框架点的位置)。

形成每天的解矩阵，(由每天每个接收机、每30秒采样得到观测数据处理后得到的主要包括未知参数前的系数、未知参数，即所有站位置及理论距离与实际观测距离的差组成的方程，联立方程组形成的解矩阵)这些解矩阵包括了所有参数的严格方差(参数的精度)和协方差(各参数之间的联系)信息，经过由天到年，再由年到10年的连续处理可以得到各个测站的精确的站坐标和框架点长周期趋势项信息。

其次，对中国大陆区域地质构造进行分析，将大陆构造单元根据块体构造特性及CGCS2000站点分布情况做合理的划分，确定符合中国地质构造运动的CPM-CGCS2000一、二级板块；

具体来说，由地质上已经确定的板块划分的雏形，再根据我们实际得到的速度矢量的走向进行判断，若在同一个板块中速度矢量还有再分群的现象，则进行细划分。

再次，根据中国CGCS2000框架网精确的站点坐标将框架点投影到所在的CPM-CGCS2000一、二级板块上，然后根据这些框架点的框架点长周期趋势项信息进行拟合，剔除不符合刚性板块特性及有内部变形的站点，由其余点计算板块运动的欧拉矢量，构建CPM-CGCS2000一、二级板块运动模型。

所说的拟合，是在得到站点的速度矢量后，可以根据整个速度矢量的旋转方向和大小确定板块旋转的原点和方向。所谓进行数据拟合就是所确定的方向和大小与整个框架点长周期趋势项信息各个矢量整体走向匹配的最好。

最后，对所得的CPM-CGCS2000模型计算中国区域内任意点的框架点长周期趋势项信息，实现不同国际上ITRF框架不同历元下的框架点坐标到CGCS2000的归算，用以评估CPM-CGCS2000模型的精度并进行外部检核。

由于本发明旨在建立高精度的板块运动模型，对框架点运动趋势的一致性确定非常重要。本方法提出的7参数监督聚类即保证了所选取的国际框架点的高精度又保证所选框架点运动趋势的一致性。使得所采用的框架点运动能反映所在块体的运动特征。在此基础上对覆盖全国的且分布尽可能均匀的CGCS2000框架网多年的观测数据用高精度严密解算方法进行处理，得到了在国际地球参考框架ITRF下精确的站点坐标和能很好反映所在块体运动现势性的框架点运动信息。

对中国大陆区域地质构造进行分析，将大陆构造单元划分为7个CPM-CGCS2000一级板块和20个CPM-CGCS2000二级板块；将1025个点根据精确的框架点坐标投影到CPM-CGCS20007个一级板块和20个CPM-CGCS2000二级板块上，对框架点运动信息用最小二乘方法进行拟合，即，将使框架点与理论值能最佳套合，并进行分析，剔除拟合残差大于3倍中误差的框架点，直到所有框架点满足精度要求，计算框架点所在块体的欧拉矢量，所说的拟合残差是指用上述方法拟合后，模型值与观测值剩余误差。

由此可将任一时刻任一框架下陆地上的站点用CPM-CGCS2000模型及框架间的关系，实现到CGCS2000的归算。

具体步骤如图1所示，包括：

S1：选择全球核心框架点为初始基准，采用ITRF框架点选取原则、7参数监督聚类和站点均匀化选取原则选取CGCS2000框架点，用解算方法处理CGCS2000框架网观测数据，得到国际地球参考框架ITRF下精确的站点坐标和框架点长周期趋势项信息；

S2：划分中国大陆地质构造单元，确定中国地质构造运动的CPM-CGCS2000一、二级板块分界线；

S3：根据CGCS2000框架网精确的站点坐标，将框架点投影到其所在的CPM-CGCS2000一、二级块体上，然后进行筛选和拟合，计算块体运动的欧拉矢量，构建CPM-CGCS2000一、二级块体运动模型。

上述S2和S3中通过对中国大陆区域地质构造分析确定符合中国地质构造运动的CPM-CGCS2000一、二级块体；然后根据中国CGCS2000框架网精确的站点坐标将框架点投影到所划分的CPM-CGCS2000一、二级块体，再根据这些框架点的运动信息进行拟合，计算块体运动的运动特征向量-欧拉矢量，构建CPM-CGCS2000一、二级块体运动模型。在这个过程中主要对板块的边界进行精细划分，在断裂带及变形区域内框架点的运动特性进行时间序列分析，对参与板块拟合的框架点进行严格筛选。筛选测站的基本思路是去掉不符合刚性假设的测站以及由于某种原因观测不可靠的测站。主要按照四条标准进行测站的筛选：

(1)删除一些板块边缘和板内地震活动频繁、区域性地壳形变比较剧烈的地区的框架点。

(2)剔除在ITRF中框架点位移速度精度低于1cm的框架点。对于具有较少框架点的板块，可以适当降低精度，而对框架点较多的板块，可适当提高精度要求。

(3)剔除一些运动趋势矢量明显不一致的框架点。同一块体内部具有异常形变的框架点不宜参与板块模型建模。

(4)经过以上的筛选，用余下的框架点数据计算各板块的欧拉矢量。将计算所得的各框架点水平框架点长周期趋势项信息与实测的水平速度相比较，按观测值一理论大于拟合3倍中误差的原则将那些差别较大的框架点去掉。

S4：将GNSS实时获得的站点坐标通过用CPM-CGCS2000模型进行板块运动改正，并顾及不同框架间的转换关系，由此可将任一时刻任一框架下的陆地上的站点用CPM-CGCS2000模型及框架间的关系，实现到CGCS2000的归算。

此步骤是方法，同时也是对CPM-CGCS2000模型精度的外部检验，以保证所构建模型的高精度及可靠性。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims

1.一种CGCS2000板块模型CPM-CGCS2000构建方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述CGCS2000板块模型CPM-CGCS2000构建方法，其特征在于，步骤S1中所说的ITRF框架点选取原则包括①连续性原则：即，观测站在近3年或3年以上进行连续观测；②稳定性原则：即，远离板块边缘及变形区域；③高精度原则：即，框架点长周期趋势项信息精度高于3mm/a；④多种解原则：即，至少3个不同分析中心的框架点长周期趋势项信息残差好于3mm/a；所说的7参数监督聚类和站点均匀化选取原则包括⑤精度一致性原则，即，站点的位置和速度的精度应当一致，速度矢量的方向一致；⑥平衡性原则：即，站点尽量全球分布均衡。

3.根据权利要求1所述CGCS2000板块模型CPM-CGCS2000构建方法，其特征在于，步骤S2中根据中国地质构造特性划分一二级板块边界。

4.根据权利要求1所述CGCS2000板块模型CPM-CGCS2000构建方法，其特征在于，步骤S3中所说的筛选是将板块边缘框架点及内部区域变形框架点剔除；所说的拟合采用最小二乘法进行拟合。

5.根据权利要求1或3所述CGCS2000板块模型CPM-CGCS2000构建方法，其特征在于，一级板块有7个，二级板块有20个。

6.根据权利要求1所述CGCS2000板块模型CPM-CGCS2000构建方法，其特征在于，还包括：

S4：对板块模型的评估与检验，根据不同框架间的转换关系，将GNSS实时获得的站点坐标通过CPM-CGCS2000模型进行板块运动改正，同时对板块模型改正后的点位与CGCS2000真值的检验。