基于我國全球連續監測與評估系統的ERP測定的精度分析

何戰科,李志剛,楊旭海,程宗頤

(1.中國科學院國家授時中心,陜西西安710600;2.中國科學院精密導航定位與定時技術重點實驗室,陜西西安710600;3.中國科學院上海天文臺,上海200030)

0 引 言

地球自轉參數(Earth Rotation Parameters,簡寫為ERP)是指極移和日長變化,這些參數決定著地面觀測站在空間的精確位置以及地球坐標系在空間的指向。它與歲差、章動一起構成地球定向參數(Earth Orientation Parameters,簡寫為 EOP),它是實現天球參考架與地球參考架相互轉換的最基本的參數。人造衛星和宇宙飛行器的精密定軌和導航都需要高精度的地球自轉參數,因此,對地球自轉參數的研究具有非常重要的意義。

COMPASS全球連續監測與評估系統是COMPASS衛星導航系統的重要組成部分,系統包括跟蹤站、數據中心和分析中心等部分。其功能與國際GNSS服務(International Global Navigation Satellite System(GNSS)Service,縮寫為IGS)相當。

隨著經濟建設和國防建設的發展,自主解算與預報地球自轉參數已經變得越來越迫切。因此,基于我國完全自主的全球連續監測與評估系統,提供高精度、高分辨率的地球自轉參數服務,為我國衛星導航系統的建設、發展和應用提供支撐服務。

1 地球自轉參數變化概況

極移包括兩個主要的周期成分[1]:一個是大約435天(1.2年)錢德勒周期,另一個是周年周期,極移的周年成分主要是由大氣作用引起的受迫擺動。2000年-2009年期間極移變化如圖1[1]所示。地球自轉確定的日長(修正了潮汐改正)變化有幾個毫秒,圖2[1]給出了1973年-2009年期間的日長變化。

2 地球自轉參數的估算

GAMIT[2-3]采用雙差載波相位觀測量作為基本觀測量,處理時間隨著站數的增加呈幾何級數增加,如果按照IGS各分析中心采用兩百多個站,以我們所用的計算機硬件條件,解算一個ERP結果至少需要兩天時間,在本例中每解算一次也需要8 h左右。由于現有計算機硬件條件的限制,從目前的302個IGS05參考框架站中優選了22個站,這22個站構成的網幾何分布良好、資料穩定:大部分站在ITRF2005框架中的坐標中誤差都在1 mm以下,速度場中誤差都在0.3 mm/y以下,分布圖如圖3(紅五星★表示所選站)所示。僅三個站的中誤差較大:ASPA站在X方向的坐標中誤差為4 mm,速度場中誤差0.8 mm/y;BILI站在Z方向的坐標中誤差為3 mm,速度場中誤差0.5 mm/y;GLPS站在Y方向的坐標中誤差為2 mm,速度場中誤差0.4 mm/y。

圖1 2000年-2009年極移變化

圖2 1973年-2009年日長變化

圖3 選擇的22個 IGS站分布圖

3 分析與討論

利用每24 h的數據估計數據段中點時刻的地球自轉參數。估計了每日UTC 0時的地球自轉參數[4-5](本例結果以下用NTSC_A表示用全球均勻分布的22個站數據的解算結果),經過剔除異常值及參數轉換后[6],與IERS C04(UTC 0 h)同時刻的值進行了比較。IERS提供每日UTC 0 h時刻的地球自轉參數,時間分辨率為1天。

3.1 NTSC_A與 IERS C04比較

利用優選的全球均勻分布的22個IGS站的數據,解算出2007年9月10日至10月26日期間經剔除異常值及參數轉換后的結果減去IERS C04系列中的地球自轉參數之差值,如圖4～圖6所示。

3.2 NTSC_A精度分析

NTSC_A與IERS C04的差值的標準差分別為:0.0065 mas、0.0109 mas、0.0013 mas,差值均方根 RMS分別為 0.0203 mas、0.0354 mas、0.0016 mas。這與IERS目前的精度相當。

3.3 目前全球連續監測與評估系統布網情況

目前,全球連續監測與評估系統跟蹤網僅有5個國內核心站和一個海外站,選取國內的4個站和1個南極站附近的IGS跟蹤站,為了構成幾何分布更好的網,增加了3個將來可能布設全球連續監測與評估系統跟蹤站附近的海外IGS站(北美、歐洲和南極各1個站),其中6個站在ITRF2005框架中的坐標中誤差都在1 mm以下,速度場中誤差都在0.4 mm/y以下,另外兩個站在IT RF2005框架中的坐標中誤差在4 mm以下,速度場中誤差在0.9 mm/y以下。

利用這8個IGS跟蹤站的數據,解算出2007年9月10日至9月29日期間經剔除異常值及參數轉換后的結果(本例結果以下用NTSC_B表示用這8個站數據的解算結果)減去IERS C04系列中的地球自轉參數之差值,如圖7～圖9所示。

3.4 NTSC_B精度分析

NTSC_B與IERS C04的差值的標準差分別為:3.3892 mas 、0.8984 mas、0.0038 mas,差值均方根 RMS 分別為3.5328、0.8804、0.0042;顯然,NTSC_B差值偏大。原因是臺站幾何分布問題,因此,要獨立解算精度較理想的地球自轉參數必須構建更合理的全球連續監測與評估系統網。

3.5 聯合解算建議

由于GPS和GLONASS衛星導航系統具有不同的軌道交角,聯合解算ERP的精度優于單系統解[7],表1[8]給出不同方案解算的 ERP系列與IERS Bulletin A系列的差值的均方根。因此,COMPASS 與GPS、GLONASS、Galileo等聯合解算會取得更好的精度。

表1 不同方案解算的ERP系列與IERS Bulletin A系列的差值的均方根

4 結 論

利用優選的22個全球均勻分布的IGS跟蹤站的GPS觀測資料解算地球自轉參數,得到了在IERS的ERP估計精度范圍之內的良好結果。由分析可見,要獨立解算精度較理想的地球自轉參數必須構建更合理的全球連續監測與評估系統網。COMPASS全球連續監測與評估系統跟蹤網的合理布局與利用COMPASS觀測資料解算地球自轉參數,是COMPASS全球連續監測與評估系統建設中的兩個重要難題。此研究對于今后運用COMPASS資料解算地球自轉參數以及全球連續監測與評估系統跟蹤網的布局都有一定的參考價值。

[1]IERS.What is Earth Orientation Rapid Service/Prediction Center for Earth Orientation Parameters.[EB/OL].(2009-09-11),US Naval Observatory:http://maia.usno.navy.mil/whatiseop.html,

[2]Documentation for the GAM IT GPS Analysis Software[M].Massachusetts:Massachusetts Institute of Technology,2000.

[3]GAMITReference Manual[M].Massachusetts:Massachusetts Institute of Technology,2006.

[4]Xu G H,GPS:Theory,Algorithms and Applications[M].2th ed.Berlin:Springer,2007.

[5]周忠謨.GPS衛星測量原理與應用[M].北京:測繪出版社,1997.

[6]Zhu S Y,Mueller I I.Effects of adopting new precession,nutation and equinox corrections on the terrestrial reference frame[J].Journal of Geodesy,1983,57(1):29-42.

[7]Hugentobler U,Springer T,Schaer S,et al.CODE IGS Analysis Center Technical Report 1999[R].IGS 1999 Technical Reports,IGS Central Bureau,JPL,Pasadena,1999.

[8]Rothacher M,Weber R.Benefits from a Combined GPS/GLONASS Analysis for Earth Rotation Studies[C]//Proceedings of the ION GPS-99,Nashville,Tennessee,1999.