國際地球參考架

協定地球參考系, 即對所建立的參考系的各種方法、參數和模型做出一定的協定。由一組參考點的位置和坐標來具體實現某一協定參考系, 這組參考點的位置和坐標構成了一個協定參考框架.

1996 年, 國際地球自轉服務基於地磁觀測資料重新估計得到的全球板塊運動模型作為國際地球參考架。目前國際上最完善的地球參考架是由國際地球自轉服務基於空間大地測量技術建立和維持的國際地球參考架。

基本介紹

• 中文名：國際地球參考架
• 外文名：international terrestrial reference frame；ITRF
• 又名：國際地球參考框架、地球參考架
• 模型：基於地磁觀測的全球板塊運動模型
• 提出者：DeMets等人和Argus等人
• 套用學科：地質學、地質資源、建築學

定義

國際地球參考系統

按IUGG（維也納，1991）第2號決議，IERS負責對ITRS進行定義、實現和改進。決議中建議ITRS的定義如下。

1）國際地球參考系統（ITRS）的定義：它是空間旋轉的（從地球外部看），是地心非旋轉系統（在地球上看），是一個似笛卡兒系統；

2）地心非旋轉系統和IAU決議所定義的地心參考系（GRS）是等同的；

3）ITRS和GRS的坐標時是地心坐標時（TCG）；

4）該坐標系統的原點是地球質量（包括陸地、海洋和空氣）中心；

5）相對於地表的水平位移而言，該系統沒有全球性的殘餘旋轉。

國際地球參考框架ITRF2000

IERS發布的最新地球參考架ITRFZ000，是根據VLBI、SLR、LLR、GPS、DORIS等空間技術近20多年來的實測資料建立起來的，它的建立方法、台站數量以及台站坐標和位移速度的測定精度較ITRF96和ITRF97參考架有了質的變化，它包括全球50多個並置站上800多個測站的位置和速度矢量。

對ITRF 2000參考架貢獻的機構與技術

ITRF2000參考架參數定義：定向參數選擇曆元1997.0的ITRF97的地球自轉參數，其時間變化由54個核心站並附加NN-ReNUVELIA模型的無整體旋轉來約束；原點通過SLR數據處理中心的分析解加權平均得到；尺度因子和變化通過VLBI和SLR數據處理中心的分析解加權平均得到；台站位置和速度場分別由VLBI、SLR、GPS、DORIS、LLR和Multi—teehnique技術觀測得到。

研究背景

在研究與地球有關的科技問題時，都需要以地球為參考的坐標系，稱為地球坐標系，它是大地測量學和地球動力學研究的一種基本坐標系。如果把地球潮汐和地殼運動忽略不計，地球重力場和地麵點的位置在這個坐標系中是固定不變的。也就是說這個坐標系僅隨地球自轉而轉動，固定在地球上不變，因而也被稱為地固坐標系。

地球坐標系的建立已有一百多年的歷史，1980年以前主要採用的是光學觀測。隨著空問大地測量的開展，觀測人造的或自然的天體打破了集團或國家獨有的觀測傳統，迫切要求確立與使用公用的地球坐標系。但宇宙間不可能存在絕對固定不動的東西，所以建立這種坐標系只能通過一種協定結果來體現，因而這種坐標系也被稱協定地球參考系（CTRS），它是國際上約定統一採用的地球參考系。

目前，世界各國經常使用的國際地球參考框架（ITRF）就是這種坐標系的實現。國際地球自轉局（IERS）主要任務是準確及時提供自轉參數。它的目的之一，就是建立與保持這個地球參考框架。該框架是國際大地測量學和地球物理學聯合會（IUGG）、國際大地測量學協會（IAG）、國際天文學會（IAU）專門決定建立的，有關工作由IERS下屬地球參考框架部門負責執行。具體由設在法國巴黎的國家地理院（IGN）大地測量室（IAREG）主持。使用的空間大地測量技術為：雷射測月（LIR）；雷射測衛（SIR）；甚長基線干涉（VLBI）；全球定位系統（GPS）；都卜勒衛星跟蹤和無線電定位系統（D0RIS）等，有時也放棄其中某種技術。其基本方法是通過把各空間大地測量站的坐標集合起來，利用有關站的觀測結果，就原點差、尺度差和定向差進行平差而確定。

發展

演變序列

由於甚長基線干涉測量（VLBI）、衛星雷射測距（SLR）、雷射測月（LLR）、全球定位系統（GPS）和都卜勒定軌與無線電定位系統（DORIS）等空間技術各自性能、台站數量及分布的局限性，各觀測技術機構，如IGS、ILS和IVS等都很難根據自己的觀測資料建立一個最優的CTRF，各分析中心根據各自空間技術建立的CTRF勢必會存在一定的偏差，從而影響CTRF的精度和套用。為此，有必要綜合各種空間技術數據處理中心的分析解，建立一個較理想的、高精度的、統一的CTRF。

1988年之前，由國際時間局（BIH）建立CTRF，即BTS序列（BTS84、BTS87）。1988年後，由IERS機構負責綜合全世界各觀測技術數據處理中心的分析解，並遵循以下4項原則來建立和維持最優的CTRF：

（1）原點是包括海洋和大氣的整個地球的質量中心；（2）尺度在廣義相對論下是一個局部地球參考架的尺度；（3）定向由BIH給出的在曆元1984.0的地球自轉參數確定；（4）定向隨時間變化相對地球岩石圈遵循無整體旋轉。

隨著空間測量技術水平的提高、觀測手段和測站數量的增加以及數據處理方法和採用模型的精化，ITRF也在不斷地改進和完善，IERS共發布了10種ITRF序列，分別為ITRF88、ITRF94、ITRF96、ITRF97和ITRF2000，其演變序列見表。

ITRF 序列的演變降

演變不足

ITRF88~ITRF94具有以下不足：主要藉助幾百萬年平均地質模型加以約束，反映數百萬年內平均運動特徵；測站位移速度場絕大部分由地質模型給出，僅有水平運動速度，無垂直方向運動速度；即使附加少量的實測資料，其精度也較低等，因此已不滿足當今6維動態的高精度地球參考架的需要。

目前最完善的國際地球參考架是由IERS根據現代空間大地測量手段，利用GPS、SLR、VLBI、DORIS等空間測量技術近20多年來的實測資料建立的ITRF96v和ITRF97s參考架。這兩個參考架的建立方法、台站數量以及台站坐標和位移速度的精度較以往參考架有了較大的變化，而且完全基於現今實測資料建立的。

然而ITR9F6和ITRF97仍不滿足協定地球參考架原則，即不滿足iTserand條件，存在整體性旋轉，且台站坐標和速度精度低、台站數量少且分布不均。

優點與不足

ITRF2000優點

ITRF2000速度場完全由空間技術實測資料給出，定向時間變化附加百萬年平均地質模型NN-NUVELIA的約束。相比以往參考架，ITRF2000主要作了以下兩個方面的改進：

（1）ITRF2000參考架原點、尺度因子和變化的定義主要由VIBI和sSLR綜合解加權平均得到。相比ITRF96和ITRF97，ITRF2000去掉了GPS，這是一大改進。目前GPS時間序列具有明顯的季節性變化，大部分測站垂直方向季節性變化振幅大於長期項，導致其垂直方向精度較差，且GPS對地心的敏感性較差等。目前全球n個GPS分析中心垂向位置殘差最大偏差達40mm，直接影響了參考架原點、尺度因子和變化等定義的精度。

（2）ITRF2000速度場相對於ITRF96和ITRF97在台站數目和精度上都有了較大的提高，其水平運動速度的監測精度絕大多數優於1mm/yr，而且台站分布更廣，台站數目從50增加到850個，並置站從325增加到500多個。

ITRF2000不足

1）原點定義缺陷

ITRF2000參考架的原點由SLR分析解綜合得到。不同的SLR網、軌道和觀測資料等直接影響SLR測定整個地球質量中心的精度，而目前SLR分析中心並沒有很好地處理這些因素。另外，近年來，空間技術已監測到地心存在1、10mm的季節性運動，這對毫米級高精度地球參考架的建立不可忽略，而ITRF2000參考架的原點定義並沒有考慮這個因素。

2）尺度定義缺陷

ITRF2000參考架的尺度由VLBI和SLR分析解綜合得到。然而各分析解綜合時並沒有考慮測站垂直方向運動、大氣模型和不同技術（VLBI和SLR）之間系統差的影響。3個vVLBI分析中心得到參考架尺度的偏差最大不超過3ppb，而5個SLR分析中心得到參考架尺度的偏差最大則要超過1ppb；另外SLR和VLBI並置站較少，且沒有真正實現聯合等，這些因素都影響了ITRF2000參考架尺度定義的精度。

3）定向時間變化的實現

ITRF2000參考架的定向時間變化是通過無整體旋轉模型NN-RNUVELIA來約束的。而NN-RNUVELIA模型是基於百萬年平均地質資料得到的，它反映的是數百萬年內平均運動特徵，不能準確地描述現今運動特徵，其可靠性尚需實測資料進一步檢驗；另外NNR一NUVEILA模型也不是一嚴格的無整體旋轉模型：一方面建立NUVEILA模型的資料較少且精度較差，忽略了一些小的板塊；另一方面，NN-RNUVEILA模型未包括15%的板塊邊界穩定區域，即不是一個嚴格的整個岩石圈無整體旋轉的模型。由此約束的ITRF200定向時間變化是不準確和不嚴格的。

4）數據聯合解算方案不一致

不同分析中心分析解的聯合主要通過參數轉換得到。目前聯合方案主要有兩種：l）各分析解在被選擇的框架下先轉換，然後再進行聯合。如法國國家測量局（IGN）DOMS處理中心就是採用該方案；2）各獨立分析解轉換參數與站坐標和速度的綜契約時估算。

發展方向

ITRF2000參考架雖然比以前參考架有了質的提高，但它既不是無整體旋轉參考架，也不是完全獨立於地質模型假設的參考架，而是在板塊歐拉旋轉速率為0.02°/Myr或板塊水平運動速率為1mm/yr的精度下，由54個核心站決定的參考架向NN-RNUVELIA參考架轉換得到的。其核心台站的選取，參考架原點、尺度和定向的定義以及無整體旋轉的實現等均存在缺陷和不足。下面將對未來參考架提出一些解決方案和建議.

（1）對於參考架的原點，有待ILRS（InternationalLaserRangingServiee）分析中心提高SLR估算原點的精度。另外，IGS（InternationalGPSServiee）應解決GPS天線相位中心、轉播延遲等引起的誤差，同時將低軌衛星納入全球解等，以提高IGS估算原點的精度。

由於高解析度的全球GPS測站的增多，GPS在監測全球地表運動和地心運動中擔當著重要角色，因此未來參考架的原點定義還會由SLR和GPS技術各分析解綜合得到，並考慮地心的季節性運動。

（2）對於參考架的尺度定義，建議只採用VLBI觀測資料，同時應不斷分析、研究降低大氣和天線對VLBI技術的影響.隨著VLBI觀測資料的積累以及其垂直方向監測精度的提高，應考慮測站垂直方向運動對參考架尺度定義的影響。另外隨著DOIRS、SLR和VLBI並置站數量的增加，並置站真正實現聯合將取得突破性進展，綜合此3種技術分析解能更好地定義參考架尺度。