地球科学进展

地球科学进展 ›› 2023, Vol. 38 ›› Issue (11): 1186 -1199. doi: 10.11867/j.issn.1001-8166.2023.075

研究简报 上一篇    下一篇

国际地球参考框架 ITRF2020简介与评析
明锋 1 , 2( ), 杨元喜 1 , 2, 曾安敏 1 , 2, 李文浩 3   
  1. 1.地理信息工程国家重点实验室, 陕西 西安 710054
    2.西安测绘研究所三室, 陕西 西安 710054
    3.南京工业大学 测绘科学与技术学院, 江苏 南京 211800
  • 收稿日期:2023-06-25 修回日期:2023-08-05 出版日期:2023-11-10
  • 基金资助:
    国家自然科学基金基础科学中心项目(42388102);国家自然科学基金重点项目(41931076);国家自然科学基金面上项目(42074006)

Introduction and Review of the International Terrestrial Reference Frame ITRF2020

Feng MING 1 , 2( ), Yuanxi YANG 1 , 2, Anmin ZENG 1 , 2, Wenhao LI 3   

  1. 1.State Key Laboratory of Geo-Information Engineering, Xi’an 710054, China
    2.Room 3, Xi’an Research Institute of Surveying and Mapping, Xi’an 710054, China
    3.School of Surveying and Mapping Science and Technology, Nanjing University of Technology, Nanjing 211800, China
  • Received:2023-06-25 Revised:2023-08-05 Online:2023-11-10 Published:2023-11-24
  • About author:MING Feng, Assistant professor. Research area includes dynamic geodetic data processing research. E-mail: fengmingchyjs@outlook.com
  • Supported by:
    the National Natural Science Foundation of China(42388102┣41931076);Grant 42074006┫
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国际地球自转与参考系统服务组织于2022年4月发布了最新的国际地球参考框架ITRF2020（the International Terrestrial Reference Frame 2020）。由于采用了更长的时间序列、更加完善的处理模型和更加优化的处理策略，ITRF2020的精度要优于ITRF2014。相对于ITRF2014，ITRF2020在原点和尺度参数实现策略上有显著改进，并第一次明确给出了季节性信号的原点、尺度和定向，即： ① 采用分段对准策略改进了原点和尺度参数实现方法； ② 分别给出了在地球质量中心和地球形状中心框架下的季节性信号的原点、尺度和定向实现，以及地球质量中心和地球形状中心框架下的谐波参数模型。此外，参与ITRF2020构建的各独立技术的数据处理也有显著进步。首先详细介绍了ITRF2020的4种空间大地测量技术数据处理进展以及技术间组合的技术进步，然后对ITRF2020基准实现进行简要分析，最后对其存在的不足进行初步分析与讨论。

关键词: 国际地球参考框架2020, 空间大地测量, 全球导航卫星系统, 卫星激光测距, 甚长基线干涉测量, 多普勒无线电定轨定位系统

The International Earth Rotation and Reference Systems Service (IERS) released the updated International Terrestrial Reference Frame ITRF2020 in April 2022 (the International Terrestrial Reference Frame 2020). The accuracy of ITRF2020 is better than that of ITRF2014 because of the adoption of a longer time series, better processing models, and more optimized processing strategies. Compared with ITRF2014, ITRF2020 has significant improvements in the strategies for implementation of origin and scale parameters, and for the first time it explicitly provides the origin, scale, and orientation of seasonal signals; that is, ① the strategy of segmented alignment is adopted to improve the origin and scale parameter realization; ② the origin, scale, and orientation realizations of seasonal signals in the Center of Mass (CM) and Center of Figure (CF) frames, as well as the harmonic parameter models in the CM and CF frames, are given. In addition, there have been significant technological advances in data processing for each of the independent techniques involved in the construction of ITRF2020. In this paper, we first introduce in detail the progress of data processing within the four space geodetic technologies and the technical progress of the inter-technology combinations, then briefly analyze the ITRF2020 implementation, and finally provide a preliminary analysis and discussion of its shortcomings.

Key words: ITRF2020, Space geodesy, GNSS, Satellite Laser Ranging (SLR), Very Long Baseline Interferometry (VLBI), DORIS.

中图分类号: 

表1 ITRF2020各技术输入数据 ［ 26 ］
Table 1 ITRF2020 input data for each technology ［ 26 ］
技术中心 解的个数 时间跨度 测站个数/个 理论框架原点
IDS/DORIS 1 456周 1993.0—2021.0 （28 a） 87个站址/201个测站 地球质量中心（Center of Mass，CM）
IGS/GNSS/GPS 9 861天 1994.0—2021.0 （27 a） 1 159个站址/1 344个测站 网形中心（Center of Network，CN）
ILRS/SLR

244双周

1 459周

1983.0—1993.0

1993.0—2021.0 （38 a）

 100个 地球质量中心（Center of Mass，CM）
IVS/VLBI 6 178时段 1980.0—2021.0 （41 a） 117个 网形中心（Center of Network，CN）
表2 参与 ITRF2020构建的 7个 SLR分析中心
Table 2 The seven SLR analysis centers participating in the ITRF2020
分析中心 解算软件 时间跨度
意大利航天局（Italian Space Agency，ASI） Geodyn/SOLVE 1983.0—2021.0
德国联邦制图和大地测量局 （ German Federal Agency for Cartography and Geodesy， BKG ） Bernese 1993.0—2021.0
德国大地测量研究所 （ German Geodetic Research Institute， DGFI） DOGS 1983.0—2021.0
欧洲航天局 （ European Space Agency， ESA） Napeos 1983.0—2021.0
德国地球科学研究中心 （ German Research Centre for Geosciences， GFZ） EPOSOC 1983.0—2021.0
美国地球系统技术联合中心 （ Joint Center for Earth Systems Technology， JCET） Geodyn/SOLVE 1983.0—2021.0
英国自然环境研究委员会空间大地测量部［Natural Environment Research Council （NERC） Space Geodesy Facilities，NSGF］ SATAN 1983.0—2021.0
表3 ILRSA“核心站点”坐标残差对比 ［ 33 ］
Table 3 Comparison of residuals of ILRSA “core sites” coordinates ［ 33 ］
所属框架 三维WRMS/mm 时间跨度
ITRF2014 5.48 ± 1.80 1993.0-2020.0
ITRF2020 3.66 ± 1.58
表4 ILRSA相对于 ITRF2014和 ITRF2020的尺度 ［ 34 ］
Table 4 Scale of ILRSA relative to ITRF2014 and ITRF2020 ［ 34 ］
尺度 偏差平均值/mm 偏差方差/mm 斜率/（mm/a） 斜率方差/（mm/a）
相对ITRF2014 2.654 0.069 -0.028 0.009
相对ITRF2020 -0.743 0.063 0.084 0.008
表5 IVS各分析中心基本概况
Table 5 Basic overview of IVS analysis centers
分析中心 软件 S/X VGOS台站个数/个
意大利航天局空间大地测量中心（Italian Space Agency Center for Space Geodesy，ASI CGS） Calc/Solve 6 466 38
德国联邦制图和大地测量局（German Federal Agency for Cartography and Geodesy，BKG） Calc/Solve 6 084 38
德国大地测量研究—慕尼黑工业大学（German Geodetic Research Institute-Technische Universität München，DGFI-TUM） DOGS-RI 6 456 38
德国波茨坦科学研究中心（Deutsches GeoForschungsZentrum，GFZ） PORT 6 514 38
美国国家航空和航天局戈达德太空飞行中心（National Aeronautics and Space Administration Goddard Space Flight Center，NASA GSFC） Calc/Solve 6 469 38
俄罗斯科学院应用天文学研究所（Institute of Applied Astronomy of the Russian Academy of Sciences， IAA） QUASAR 6 490 23
挪威测绘局（Norwegian Mapping Authority） Where 6 468 38
巴黎天文台（Paris Observatory） Calc/Solve 6 481 38
昂萨拉空间天文台（Onsala Space Observatory） ASCOT 6 519 38
维也纳科技大学（Vienna University of Technology，TU-Wien） VievS 6 391 38
美国海军天文台（United States Naval Observatory，USNO） Calc/Solve 5 931 0
图1 IVS分段测段组合过程
Fig. 1 IVS session measurement combination process
表6 IGS参与 ITRF2020构建的 10个分析中心
Table 6 10 analysis centers where IGS participated in the ITRF2020 build
分析中心 GNSS系统 起止时间
欧洲轨道测定中心（Center for Orbit Determination in Europe，CODE） GPS 1994-01-02至2020-12-31
GLONASS 2002-01-01至2020-12-31
GALILEO 2013-01-01至2020-12-31
欧洲航天局 欧洲空间操作中心（European Space Agency European Space Operations Center，ESA） GPS 1995-01-01至2020-12-31
GLONASS 2009-01-01至2020-12-31
GALILEO 2015-01-01至2020-12-31
德国波茨坦科学研究中心（Deutsches GeoForschungsZentrum，GFZ） GPS 1994-01-02至2020-12-31
GLONASS 2012-01-01至2020-12-31
GALILEO 2013-12-21至2020-12-31
空间大地测量学研究小组（Groupe de Recherche en Géodésie Spatiale，GRG） GPS 2000-05-03至2020-12-31
GLONASS 2008-11-04至2020-12-31
GALILEO 2016-12-31至2020-12-31
喷气推进实验室（Jet Propulsion Laboratory，JPL） GPS 1994-01-02至2020-12-26
麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology，MIT） GPS 2000-01-02至2020-12-31
GALILEO 2017-01-01至2020-12-31
美国国家大地测量局（National Geodetic Survey，NGS） GPS 1994-01-02至2020-12-31
格拉茨技术大学（Graz University of Technology，TUG） GPS 1994-01-02至2020-12-31
GLONASS 2009-01-01至2020-12-31
GALILEO 2013-01-01至2020-12-31
拉罗谢尔大学（Université de la Rochelle，ULR） GPS 2003-01-01至2020-12-31
武汉大学（Wuhan University，WHU） GPS 2008-01-01至2019-12-31
GLONASS 2010-09-28至2019-12-31
表7 IDS参与 ITRF2020构建的分析中心
Table 7 Analysis centers for IDS participation in the ITRF2020
分析中心 解算软件 解的个数/个 解的类型 提交文件个数/个 站点（测站）个数/个 EOPs
欧洲航天局（European Space Agency，ESA） NAPEOS 12/13 NEQ 1 447 87 （201） Motion+rate +LOD
佩尼大地测量观测分析中心［The Geodetic Observatory Pecný （GOP） analysis center］ BERNESE 67 COV 1 456 85 （196） Motion+rate
国家空间研究中心—收集定位卫星（Centre National d’ Etudes Spatiales-Collecte Localisation Satellite，CNES-CLS，GRG） GINS/DYNAMO 43 COV 1 461 86 （199） Motion
全球导航卫星系统服务中心（The GNSS Service Centre，GSC） GEODYN 51 NEQ 1 457 88 （200） Motion
国际多普勒无线电定轨定位系统服务（International DORIS Service， IDS） CATREF 16 COV 1 456 87 （201） Motion
表8 并置站不同空间技术解间及空间技术解与地面连接之间的差异超过 5 mm的统计结果
Table 8 Statistics of the differences between different space technology solutions and ground connections of the concurrently addressed stations over 5 mm
类型 东分量 北分量 垂向分量
ITRF2020 ITRF2014 ITRF2020 ITRF2014 ITRF2020 ITRF2014
GNSS（GPS）-GNSS（GPS） 3/17=17.6% 1/8=12.5% 0/17=0 0/8=0 12/17=70.6% 5/8=62.5%
GNSS（GPS）-VLBI 10/76=13.1% 8/60=13.3% 15/76=19.7% 11/60=19.7% 27/76=35.5% 28/60=46.7%
GNSS（GPS）-SLR 12/53=22.6% 10/49=20.4% 16/53=30.2% 15/49=30.6% 23/53=43.4% 26/49=53.1%
GNSS（GPS）-DORIS 50/125=40% 35/103=34.0% 52/125=41.6% 51/103=49.5% 57/125=45.6% 57/103=55.3%
SLR-VLBI 1/16=6.25% 3/15=20.0% 4/16=25.0% 7/15=46.7% 8/16=50.0% 10/15=66.7%
DORIS-VLBI 8/24=33.3% — 5/24=20.8% — 7/24=29.2% —
DORIS-SLR 8/27=29.6% — 14/27=51.9% — 11/27=40.75% —
VLBI-VLBI 3/11=27.3% 2/5=40.0% 1/11=9.1% 1/5=20.0% 4/11=36.4% 2/5=40.0%
DORIS-DORIS 26/66=39.4% 17/59=28.8% 29/66=43.9% 26/59=44.1% 29/66=43.9% 28/59=47.5%
图2 并置站周年信号加上半周年信号后总的信号振幅
（a）并置站WTZR-8834-WEUC；（b）并置站HRAO-7501-HBKA；（c） 并置站GRAS-7835-GR3B；（d） 并置站7232-7378-7501-HBKA
Fig. 2 Signal amplitudes of anniversary and half-anniversary of the co-located stations
（a） Co-located station WTZR-8834-WEUC； （b） Co-located station HRAO-7501-HBKA； （c） Co-located station GRAS-7835-GR3B； （d） Co-located station 7232-7378-7501-HBKA
表9 并置站周年振幅最大差异统计 (mm)
Table 9 Statistics of the maximum difference in annual amplitudes of the co-located stations
信号各分量 SLR-VLBI DORIS-DORIS DORIS-SLR DORIS-VLBI GNSS-DORIS GNSS-GNSS GNSS-SLR GNSS-VLBI SLR-VLBI
东分量 0.11 0.44 1.05 0.34 0.34 0.34 0.10 0.28 0.11
北分量 0.12 0.63 0.86 0.22 0.22 0.22 0.30 0.31 0.31
垂向分量 0.14 2.11 0.39 0.13 0.05 0.14 2.06 1.05 1.05
表10 并置站周年振幅平均差异统计 (mm)
Table 10 Average variance statistics of annual amplitudes of the co-located stations
信号各分量 SLR-VLBI DORIS-DORIS DORIS-SLR DORIS-VLBI GNSS-DORIS GNSS-GNSS GNSS-SLR GNSS-VLBI SLR-VLBI
东分量 0.04 0.02 0.02 0.02 0.02 0.01 0.16 0.05 0.04
北分量 0.09 0.05 0.07 0.06 0.06 0.07 0.18 0.09 0.09
垂向分量 0.09 0.04 0.04 0.06 0.05 0.07 0.14 0.05 0.09
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