1985国家高程基准(2000坐标系高程与85高程转换)

1985国家高程基准水准原点

结合GRACE / GOCE重力场模型和GPS /水平数据确定中国的85个高程参考重力位置赫林1，3，李建成1，2，储永海1，21。测绘学院，武汉大学，湖北武汉； 2。武汉大学地理空间环境与大地测量教育部重点实验室，湖北武汉3。桂林工业大学广西空间信息与测量重点实验室，广西桂林收稿日期：2016-12-16更新日期：2017-06-20基金项目：国家重点研发计划（2016YFB0）；国家973计划（2013CB）；广西空间信息与制图开放基金重点实验室（16-380-25-33）作者：Herring（1988-），女，博士学位，研究方向为统一的全球高度数据E-mail ：。 helin@163。com通讯作者：楚永海电子邮件：yhchu@sgg。whu 。edu。cn摘要：GRACE和GOCE卫星重力程序的实施为确定高精度重力场模型做出了重要贡献。通过结合GRACE和GOCE卫星数据以及在中国均匀分布的649 GPS /水平数据建立的重力场模型可以确定中国的高程基准重力水平，但与我国高程基准相对应的参考面是类大地水准面水平，这是一个非等值的表面。将大地水准面转换成大地水准面后确定的大地水准面的重力水平为62 636 854。395 3 m2s-2。为了增加高阶项对确定大地水准面的贡献，使用了高分辨率重力场模型EGM2008扩展了GRACE / GOCE模型达到2190级。同时，重力场模型和GPS /级数据被统一到相同的参考系和潮汐系统中。最后，由扩展模型确定的中国大地水准面的重力水平为62 636 852。751 8 m2s-2。其中，组合模型TIM_R4 + EGM2008具有中国85个高程参考重力潜在值62636852。704 5 m2s-2的最高精确度。潮汐系统影响约4〜6厘米。 关键字：GRACEGOC卫星重力高程参考高阶项潮汐使用GRACE / GOCE GGM和GPS /水准仪数据评估中国局部垂直基准的地势值HE Lin1，3，李建成1，2，楚永海1 ，2关键字：GRACEGOCE卫星重力垂直基准数据差错系统随着空间技术的不断发展，GNSS技术已经获得了统一的全球平面位置参考。所测平面位置，即地面的经度和纬度，可以直接应用于地理信息系统，工程建设和国防建设可以满足测绘，地球科学等学科和行业的需求。但是，GNSS技术不能解决统一的全球高程基准的问题。 GNSS定位技术提供的标高是相对于参考椭球的高度，即大地测量高度h，它是地球空间的几何高度，并且不包括重力信息。地形图标指示的标高和项目建设所需的标高信息为对应于大地水准面或准大地水准面的正常高度H或正常高度H *。正统或正常高度是工程构造必需的基本信息。在远距离，跨境的跨国大型工程建设中，需要统一的立面信息以确保联合施工作业和工程项目的对接。例如，中国的南水北调工程，中俄油气管道网络工程以及计划中的欧亚高铁，中俄加加拿大，美国高铁。因此，统一全球高程基准和区域高程基准对于相关跨国工程建设中的国际合作具有重要意义。目前，全球高程基准与区域高程的统一是通过确定每个国家或地区当前局部高程基准与全球大地水准面之间的重力差来实现的【1-4】，从而获得全球高程基准与区域高程之间的差。二。高程差。大地水准面是最适合大地高程参考的参考曲面。全球大地水准面通常基于国际地球自转和参考系统服务（IERS）发布的62 636 856。0 m2s-2 【5】。 】。确定本地或区域当前参考重力水平取决于每个区域的实际情况。例如，美国，加拿大和其他地区的海拔基准是由多个潮汐站观测到的长期平均海平面确定的，并且存在实用且高度准确的本地大地水准面模型。在希腊，中国和其他地区，海拔参考是根据单个潮汐站观测到的长期平均海表确定的。使用的平均海面只是某个区域的平均海面。 1952年至1979年的28年潮汐试验数据是用中值法计算的。因此，不能使用多个沿海潮汐站的数据和海洋数据来确定大陆沿海地区的平均海面重力水平作为该区域的参考高度。通常，只有重力场模型和GNSS /水平数据才能用于确定参考重力【10-11】。 随着CHAMP（具有挑战性的小型卫星有效载荷），GRACE（重力恢复和气候实验）和GOCE（重力和海洋环流探测器）的实施，从卫星数据获得的重力场模型的准确性得到了提高。明显改善。其中，GRACE和GOCE卫星数据对确定重力场模型的长波部分有重要贡献。 GRACE卫星使用高低模式（SST-hl）的卫星到卫星跟踪和低低模式（SST-ll）的卫星到卫星跟踪卫星跟踪卫星观测方法，其中SST-ll观测模式可以观测重力位置的二阶导数，弥补了对轨道重力变化不敏感，无法提供的高低卫星跟踪卫星观测模式。近轨道空间重力场缺乏精细的结构信息，大大提高了卫星的定位精度。重力场的长波部分【12-14】。 GRACE程序主要用于检测重力场的中波和长波分量及其随时间的变化。因此，基于GRACE数据，可以确定高分辨率的重力场模型，但空间分辨率仅为100〜200 km（半波长）。 GOCE卫星是第一颗配备有卫星重力梯度仪器的低轨道重力卫星，可直接确定重力势的二阶导数。此外，GOCE卫星还可以在三个维度上连续跟踪卫星；不断补偿大气压力和辐射压力等非保守力，使观测不受作用在卫星上的保守力的影响；轨道低可以感知更强的引力场信号。因此，基于GOCE卫星数据的重力场恢复能力得到了极大的提高，特别是在空间分辨率为100 km（半波长）的中高频中恢复重力场信息的能力【15-16 】。因此，使用GRACE / GOCE卫星重力场模型可以提高确定局部高程参考重力水平和（如）大地水准面的准确性【17-19】。 基于GRACE / GOCE卫星数据反演的重力场模型在长波部分具有较高的精度，但短波部分也需要通过局部地形数据或地面重力数据进行补充和改进。当前的超高阶重力场模型（例如EGM2008）使用大量的局部重力数据，可以有效地表示短波信息，但长波精度却比最新的卫星重力场模型稍低。为此，本文采用了卫星重力场模型的中长波信息和EGM2008模型的短波信息。 EGM2008模型的高阶球谐系数用于扩展GRACE / GOCE卫星重力场模型。文献【20-21】确定的结果是一致的。 1理论部分中国采用的海拔标准是1985年国家海拔标准，它是通过利用青岛潮汐测量站从1952年至1979年观测到的黄海平均海平面的移动平均过程获得的，属于当地高程标准。中国的标高采用正常高度，相应的参考面为大地水准面。大地水准面是一个封闭表面，由地面端点和沿着法线测得的法线高度组成。尺寸。但是，大地水准面似乎不是重力同位素，并且相应的法向高度没有明确的物理意义。但是，大地水准面与大地水准面不同。不仅最适合全球平均海平面的重力等势面，而且具有明确的几何和物理意义。当获得局部区域的高程参考重力水平时，获得计算的重力。该位置应为与本地大地水准面对应的本地大地水准面的重力水准。因此，当使用重力场模型和GPS /水平数据来计算中国高程基准的重力水平时，实现大地水准面向大地水准面的转换，从而确定中国的高程参考重力水平W0LVD。 1。1相似大地水准面与大地水准面之间的转换

2000坐标系高程与85高程转换

地面任意点P上的大地高度hP与法线HP和该点上的8法线HP *之间的关系如下（1）大地水准面之间的关系起伏N和仰角异常ζ为（2）根据法线高度和法线高度的定义，可以知道（3）c是地面点P和B之间的势能差。初始大地水准面； g是沿重力线的地面点P与大地水准面之间的平均重力值； γ是准地形表面上的点Q和法线椭球之间的平均法向重力值，该点Q对应于沿重力法线的点P。从幻像级别转换到级别级别的主要困难是严格获得g的困难。它涉及地球内部的密度。通常，使用近似计算。本文使用重力场模型来计算布格异常ΔgB。 1。2中国高程参考重力水平的确定GPS /水平数据可以获取地面点的高程异常ζ，并将高程异常ζ转换为对应的大地水准面N，该点的重力水平也可以用来确定大地水准NGGM，但两者对应于不同的高程基准。前者的对应参考平面是局部高程基准，由局部平均海平面确定，而后者的对应参考平面是全球大地水准面。存在全球大地水准面和当地平均海平面。将该差异称为局部高程基准与全局高程基准之间的垂直偏差，以便获得两者之间的重力势差。已知的地面重力水平W0取自IERS在2010年发布的值：W0 = 62636856。000 0 m2s-2，则中国的高程参考重力水平W0LVD为（4）地面高度由重力场模型确定对于（5）该公式的前提是参考水平椭球和大地水准面具有相同的位W0 = U0，并且参考水平椭球与地球的质量相同M = M0 ，否则，T和N要添加常数T0，N0 【22】（6）选择本文的参考水平椭球作为WGS-84。大地水准面重力水平W0 = 62 636 856。0 m2s-2，椭球半径R为参考椭球WGS-84平均半径R = 6 378 137 m，由此确定的N0为-0。442 1 m。 GRACE和GOCE卫星数据对重力场模型的长波部分做出了突出贡献，但是GRACE / GOCE重力场模型的最高阶受到限制。为了增加高阶项对确定大地水准面高度的贡献，本文采用了高阶重力场模型EGM2008。扩展了GRACE / GOCE重力场模型，使组合重力场模型不仅满足高精度的低阶项，而且具有超高阶的优势。由组合重力场模型确定的大地水准面高度NEGM为（7）当使用超高阶重力场模型EGM2008扩展GRACE / GOCE重力场模型时，需要考虑模型之间参数的一致性，基于公式（8）统一两个重力场模型参数【23】（8）使用重力模型来计算GPS /水位数据确定的地面大地水准面NEGM和地面大地水准面N参考系不一致。将组合重力场模型的位置系数转换为WGS-84椭球，并将重力场模型和GPS数据统一在同一参考系下。 本文重力场模型中使用的潮汐系统是无潮汐系统，而GPS /水位数据使用的潮汐系统是平均潮汐系统。使用公式（9），将GPS /水位数据潮汐系统统一为平均潮汐系统，单位为m（9）k表示由于地球大气层变化引起的附加潮汐与平衡潮汐高度之比，称为Luff数，通常取值为0。3。经过上述一系列的校正后，使用公式（4）确定中国的高程参考重力水平W0LVD。 重力场模型的不同潮汐系统的准变化仅与C20项有关。根据公式（10），将重力场模型统一为平均潮汐系统【23】，单位为m（10）k = 0。3;重力场模型的重力常数GM和半径r均来自ICEGM网站提供的数据。 a是WGS-84 a的参考椭球的长轴= 6 378 137 m。具体值如表1所示。2计算结果和分析本文结合地球重力场模型（如表2 【24-28】所示）和中国649个GPS /水位数据均匀分布（如图1所示），根据公式确定中国（ 4）1985年国家海拔重力W0LVD。 图1 GPS /水准仪数据的地理分布图1中国GPS /水准仪基准的地理分布表2选项卡。 2用于评估的地球地势模型它可以提供高精度的全球重力场模型，并且相应大地水准面的精度不断提高。其中，GRACE卫星可以更有效地恢复重力场的中长波部分。 GRACE卫星使用SST-11观测模式。观测数据是重力位置的二阶导数，这与CHAMP卫星的观测数据是低轨道卫星的重力位置的一阶导数不同。提高中长波重力场的精度； GOCE卫星不仅克服了CHAMP卫星的缺点，而且还增加了无阻尼控制系统和卫星梯度测量系统SGG（卫星重力梯度法）。无阻尼的控制系统可以很好地补偿大气阻力。该梯度测量系统可以提供地球重力场的高精度高频信号，并最终提供高精度，高分辨率的地球重力场和大地水准面模型。 GOCE卫星的任务之一是提供一个分辨率为100 km，精度为1至2 cm的全球大地水准面模型，从而获得统一的全球高程基准。因此，本文采用纯GOCE或GRACE / GOCE组合重力场模型确定中国的高程参考重力水平。 表3是GPS /水平数据确定的大地水准面与GRACE / GOCE重力场模型确定的大地水准面之间的差异。第一组数据是没有统一潮汐系统计算的结果，也就是说，重力场模型和GPS /水平数据分别使用非潮汐系统和平均潮汐系统。第二组计算结果是将GPS /水位数据和重力场模型统一到平均潮汐系统。第三组计算结果是将GPS /水位数据和重力场模型统一到无潮系统。计算结果表明，当将两个潮汐系统统一为一个非潮汐系统时，该潮汐系统对确定我们地区大地水准面高度的影响约为6 cm。当将两个潮汐系统合并为一个平均潮汐系统时，潮汐系统会产生影响。确定中国地区大地水准面高度的影响约为4 cm。此时，假设通过GPS /水平数据获得的大地水准面高度没有错误。在表4中也可以得到相同的结果。本文采用基于GRACE / GOCE卫星数据反演的重力场模型，长波部分精度很高，但短波部分需要补充和补充。通过本地地形数据或地面重力数据得到改善。当前的超高阶重力场模型（例如EGM2008）使用大量的局部重力数据可以有效地表示短波信息，但长波精度比最新的卫星重力场模型要低一些。从GPS /水平数据获得的大地水准面高度包含全波段信息。因此，在通过结合GPS /水位数据和重力场模型确定重力位时，需要考虑重力场模型的截断误差。因此，本文使用超高阶重力场模型EGM2008将GRACE / GOCE重力场模型扩展到2190阶。此时，EGM2008模型和GRACE / GOCE重力场模型参数已经统一。表4示出了计算结果。从表4可以看出，重力场模型的截断误差对确定大地水准面的高度的影响约为16cm。同时，在考虑重力场模型的截断误差后确定的大地水准面的精度提高了约20 cm。因此，在确定中国区域大地水准面高度时，需要考虑重力场模型的截断误差的影响，采用超高阶重力场模型进行计算更为合理。 表4由GPS /水平数据确定的大地水准面与由组合重力场模型Tab确定的大地水准面之间的差异。 4从GPS /水准减去的大地水准面高度减去由GGMs计算得出的最大高度为2190度使用组合重力场模型计算的结果表明，除DIR_R2模型外，计算结果的精度低于EGM2008模型的精度使用EGM2008模型进行扩展，其他组合模型的计算结果的准确性高于EGM2008模型。模块达到2190阶后，不仅弥补了GRACE / GOCE重力场阶数有限的缺点，而且还保证了组合模型低阶项的准确性。因此，组合模型确定的大地水准面的精度不仅优于GRACE / GOCE重力场模式，而且优于EGM2008的2190次计算结果。 表5是由中国的GRACE / GOCE重力场模型和组合重力场模型确定的1985年国家海拔参考重力水平。将GPS /水位数据和重力场模型潮汐系统整合到平均潮汐系统后，GRACE / GOCE重力场由模型确定的中国1985年国家海拔参考重力水平的平均值为62636855。51 m2s-2；由联合重力场模型确定的中国1985年国家海拔参考重力水平的平均值为62636853。67m2s-2。将GPS /水位数据和重力场模型潮汐系统统一为非潮汐系统后，由GRACE / GOCE重力场模型确定的中国1985年国家海拔参考重力水平的平均值为62636854。40 m2s-2。通过组合重力场模型确定的中国1985年国家高程参考重力水平的平均值为62636852。75 m2s-2。其中，通过使用EGM2008模型将TIM_R4模型扩展到2190级而建立的组合模型确定的1985年国家海拔参考重力水平具有最高的精度。 中国的海拔基准是由青岛潮汐测试站测得的黄海平均海平面定义的。可以使用重力场模型和海面高度模型确定平均海面重力水平。 35°N—45°N，120°E—123°E）平均海面重力水平为62 636 852。71±1。83 m2s-2（无潮汐系统）和62636 853。55±1。83 m2s-2（平均潮汐系统） 。本文的组合模型TIM_R4 + EGM2008计算出了1985年中国国家基准海拔高度的最高精确度。使用此组合模型和DTU13_MSS模型计算的黄海平均海面重力水平为62 636 852。73±1。55 m2s-2（无潮汐系统），62 636 853。56±1。52 m2s-2（平均潮汐系统）。与本文重力场模型和GPS /液位数据计算结果吻合，验证了本文计算结果的有效性。 3总结GRACE和GOCE卫星数据为确定重力场模型的中长波部分，大大提高了中长波重力场的精度以及通过相应方法计算的大地水准面的精度做出了重要贡献重力场模型已得到明显改善。重力场模型是纯GOCE模型或GRACE / GOCE组合模型。 我国采用的标高为正常高度，对应的参考平面为大地水准面，大地水准面为非等高面。因此，在使用GPS，水准仪数据和重力场模型确定中国1985年国家高程参考重力时，我们首先应将类似中国的大地水准面转换为相应的大地水准面。此时，确定的中国1985年国家海拔参考重力水平为62636。854。395 3 m2s-2。 在基于GRACE / GOCE卫星数据的重力场模型中，长波部分具有较高的精度，但分辨率有限。为了获得可靠的引力势结果，有必要考虑重力场截断误差对引力势的影响。本文使用超高阶重力场模型EGM2008将GRACE / GOCE重力场模型扩展到2190阶。当结合重力场模型时，不同的模型参数是统一的。其中，使用EGM2008模型扩展TIM_R4模型具有最高的计算精度。重力场模型截断误差对确定中国高程参考重力水平的影响约为1。6 m2s-2（〜16 cm）。 本文使用的重力场模型中使用的潮汐系统是非潮汐系统，而GPS数据使用的是平均潮汐系统。统一的潮汐系统是否对确定中国大地水准面的高度有一定影响，将两个潮汐系统统一为：在潮汐系统中，潮汐系统对中国大地水准面高度的影响约为6 cm ，对确定1985年全国海拔参考重力水平的影响约为0。6 m2s-2。当将潮汐系统统一为平均潮汐系统时，该潮汐系统对中国大地水准面高度确定的影响约为4 cm，而对1985年全国高程参考重力水平的确定的影响约为0。4 cm m2s-2。 统一潮汐系统后，使用EGM2008模型将TIM_R4模型扩展到中国海拔参考重力位置的2190级62 636 852。71 m2s-2（无潮汐系统），62 636 853。63 m2s-2（平均潮汐系统）具有最高的准确性。该值用作中国海拔的参考重力水平，并使用确定我国海拔参考的黄海平均海面重力值进行验证。验证结果表明两者的计算结果是一致的。 【引文格式】海琳，李建成和储永海。结合GRACE / GOCE重力场模型和GPS /水准仪数据确定中国85海拔参考重力位置【J】。测绘学报，2017，46（7）：815-823。 DOI：10。/j。AGCS。2017。

我国的高程基准面

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