地球定向參數(shù)的組合

周成濤，周雋

(重慶市勘測院，重慶 400020)

地球定向參數(shù)的組合

周成濤?，周雋

(重慶市勘測院，重慶 400020)

地球定向參數(shù)(EOP)是空間科學(xué)和地球科學(xué)的重要數(shù)據(jù)。EOP產(chǎn)品由國際地球自轉(zhuǎn)及參考系統(tǒng)服務(wù)組織IERS提供，分為預(yù)報解、快速解和長期解。IERSEOP 05 C04是最新的IERSEOP產(chǎn)品，與ITRF2005一致。本文詳細(xì)介紹了IERS 05 C04的組合流程，并采用頻譜分析對其進(jìn)行質(zhì)量評價，結(jié)果表明IERS 05 C04的極移相對于IERSC04在X方向的7 d周期項(xiàng)，Y方向的14 d周期項(xiàng)有明顯的改進(jìn)。

極移；ITRF；IERS 05 C04

1 前 言

地球定向參數(shù)(Earth Orientation Parameter，EOP)用于描述地球在慣性空間中的不規(guī)則變化，利用EOP參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)天球參考框架到地球參考框架的轉(zhuǎn)換。國際上通常使用的EOP參數(shù)由國際地球自轉(zhuǎn)與參考系統(tǒng)服務(wù)組織(International Earth Rotation and Reference Systems Service，IERS)提供，通過對各種空間大地技術(shù)的觀測進(jìn)行組合得到，包括:甚長基線干涉測量(Very Long Baseline Interferometry，VLBI)、激光測衛(wèi)(Satellite Laser Ranging，SLR)和全球定位系統(tǒng)(GPS)。IERS提供的EOP參數(shù)包括:天極補(bǔ)償用(dpsi，deps)表示，用于對歲差/章動模型進(jìn)行補(bǔ)償；(UT1-UTC)用于描述地球自轉(zhuǎn)的不規(guī)則性；極移用(xp，yp)表示，用于描述地球自轉(zhuǎn)軸相對于地球本體的旋轉(zhuǎn)。EOP是空間技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵基礎(chǔ)，各種航天器和探測器的軌道必須已知高精度的EOP。而我國在EOP方面的研究還非常匱乏，為了滿足日益發(fā)展的空間技術(shù)的要求應(yīng)當(dāng)借鑒國外相關(guān)經(jīng)驗(yàn)[1，2]。

目前的技術(shù)現(xiàn)狀是國際地球參考框架(International Terrestrial Reference Frame，ITRF)被描述為一個線性系統(tǒng)，框架點(diǎn)的速度為常數(shù)。框架點(diǎn)的短期變化可以用模型加以描述，因此每隔一年或幾年發(fā)布一個新的地球參考框架產(chǎn)品即可滿足用戶的需求。而EOP不能夠被描述為一個隨時間變化的線性系統(tǒng)，為了滿足各種用戶的需求必須以較高的時間和空間分辨率給出EOP參數(shù)(即以1天或者幾天的間隔給出實(shí)時或者預(yù)測EOP參數(shù))[3]。本文將詳細(xì)介紹IERSEOP參數(shù)的最新版本(IERS 05 C04)的組合流程，并在此基礎(chǔ)上采用頻譜分析對其進(jìn)行質(zhì)量評價，分析其相對之前版本的EOP產(chǎn)品(IERSC04)的提高。

2 EOP產(chǎn)品

IERS提供的EOP參數(shù)由兩個不同的機(jī)構(gòu)提供，分別為:快速服務(wù)/預(yù)報中心(美國海軍實(shí)驗(yàn)室USNO和噴氣動力實(shí)驗(yàn)室JPL等負(fù)責(zé))和地球自轉(zhuǎn)中心(由法國巴黎天文臺負(fù)責(zé))。這兩個中心分別負(fù)責(zé)生產(chǎn)和發(fā)布IERSBulletin A和IERSBulletin B產(chǎn)品。

快速服務(wù)/預(yù)報中心利用可調(diào)三次樣條擬合法對各空間技術(shù)的解進(jìn)行加權(quán)組合。組合的輸入數(shù)據(jù)為觀測歷元、觀測值和每個數(shù)據(jù)點(diǎn)的權(quán)。首先計算用于輸入EOP序列的所有數(shù)據(jù)點(diǎn)的樣條系數(shù)，然后計算出UTC 0時的EOP參數(shù)，即IERSBulletin A產(chǎn)品。Bulletin A產(chǎn)品的精度，與IERSC04相比平均偏差為:極移為0.07 mas(milliarcsecond，毫角秒)，UT1-UTC為0.005 ms；標(biāo)準(zhǔn)偏差為:極移和UT1-UTC分別小于0.017 mas和0.08 ms。這些表明，Bulletin A快速解與Bulletin B每天解符合較好。

地球自轉(zhuǎn)中心可以提供由各種技術(shù)組合得到的EOP長期解，并以以下幾種方式提供:①0.1年間隔的長期解(IERSC01)；②5 d和1 d間隔的正則解(IERS C02和IERS C03)；③1 d間隔的長期解IERS C04。Bulletin B給出的是間隔為1 d的平滑解，時間延遲為30 d。

IERSBulletin A和Bulletin B產(chǎn)品 表1

3 IERS 05 C04組合流程簡述

由于IERS 2003開始采用新的歲差/章動模型，而且ITRF 2005的結(jié)果表明IERS C04與ITRF 2000/ 2005存在較大的不一致性，應(yīng)當(dāng)重新組合得到新的EOP長期解，使EOP產(chǎn)品與最新的ITRF產(chǎn)品一致，IERS 05 C04由此產(chǎn)生[4]。IERS下屬的地球自轉(zhuǎn)中心利用ITRF 2005的極移和UT1，處理了1984年起的EOP數(shù)據(jù)，所得的新的EOP組合解的極移和UT1與ITRF 2005是一致的。組合過程中使用了IVS(International VLBIService)合解，使天極補(bǔ)償與國際天球參考框架(International Celestial Reference Frame，ICRF)一致。IERS 05 C04每個星期更新兩次。其輸入數(shù)據(jù)如表2所示。

IERS 05 C04的輸入數(shù)據(jù) 表2

下面詳細(xì)介紹IERS 05 C04的處理流程:

(1)選取參與組合的EOP序列，重新確定各個序列的標(biāo)準(zhǔn)差使其與ITRF一致:

利用“Three-cornerd Hat”方法處理所有的EOP序列，得到每個序列的系數(shù)，用它乘以各個序列的標(biāo)準(zhǔn)差就可以得到各個序列實(shí)際的標(biāo)準(zhǔn)差。

(2)使輸入EOP序列與ICRF和ITRF一致:

組合的主要任務(wù)就是提供與ICRF和ITRF相容的EOP序列。而所選取的序列基于不同地球系統(tǒng)和天球系統(tǒng)，并沒有使用恰當(dāng)?shù)姆椒ㄞD(zhuǎn)換到ITRF和ICRF框架下。各技術(shù)中心的解的內(nèi)符合精度，即與組合解(由地球自轉(zhuǎn)中心和JPL快速服務(wù)中心提供)之間的差異為:極移為50μas～100μas，UT1為4μs～10μs，章動為200μas。而其外符合精度，即與地球和天球參考框架間的差異比較大:極移為150μas～ 200μas，UT1為15μs～20μs，章動為200μas。

因此在組合之前，需要將所有的序列轉(zhuǎn)換到ICRF和ITRF框架下。作如下假定:

①由IVS提供的天極補(bǔ)償滿足天球中間極(Celestial Intermediate Pole，CIP)，使其在ICRF中沒有顯著的偏移；

②ITRF 2005的UT1滿足ITRF相對于ICRF在1993年～2007年間無明顯漂移。

③ITRF 2005的極移滿足CIP在ITRF中沒有任何線性變化。

為了實(shí)現(xiàn)EOP序列到ICRF和ITRF框架的轉(zhuǎn)換，IERS作了如上的假設(shè)，即某些EOP序列與ITRF或者ICRF一致，并將這些序列作為參考序列。輸入序列與參考序列間的差異在幾年的區(qū)間內(nèi)不是線性的，因此用折線對這些差異建模。然后，從輸入EOP序列中移去這些差異，得到的EOP序列與ITRF和ICRF相容。

(3)所選EOP序列與參考序列間的差:

數(shù)據(jù)處理中，并不是直接組合各序列的初始值。這些值變化趨勢越大，內(nèi)插、濾波和其他數(shù)值計算中產(chǎn)生的誤差越大。因此，應(yīng)當(dāng)對以前的EOP組合解進(jìn)行預(yù)報作為參考值，從EOP序列中移去這些參考值進(jìn)而得到信號的主要部分。由于各技術(shù)所提供的EOP序列與組合中心EOC(Earth Orientation Centre)長期解的參考?xì)v元不同，這樣就要求對EOC以前的組合解進(jìn)行拉格朗日內(nèi)插，得到與輸入EOP序列相同歷元的EOP值，進(jìn)而求得所選EOP序列與參考序列間的差。分析表明這些差值具有白噪聲的特性。

然后僅對這些差值進(jìn)行組合。應(yīng)當(dāng)注意的是:

①天極補(bǔ)償基于國際天文聯(lián)合會(International Astronomical Union，IAU)2000歲差/章動模型。因此，所有序列的天極補(bǔ)償應(yīng)該轉(zhuǎn)換到IAU 2000模型下。

②UT1-UTC存在跳秒，不利于數(shù)據(jù)處理。因此，用UT1-TAI來代替，包含了跳秒(TAI為國際原子時International Atomic Time)。

(4)使衛(wèi)星技術(shù)求得的日長變化(Length of Day，LOD)與VLBI求得的UT1一致

由衛(wèi)星技術(shù)求得的LOD是不可靠的:因?yàn)闆]有對衛(wèi)星軌道的不穩(wěn)定性建模，LOD呈現(xiàn)出不可預(yù)測的嚴(yán)重漂移。各序列的漂移是不同的。為了確定這些可疑漂移，可以利用之前版本C04中由VLBI求得的UT1進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

(5)在[-0.5 d，0.5 d]區(qū)間內(nèi)利用拉格朗日內(nèi)插對所有序列的觀測值進(jìn)行加權(quán)平均，得到平均歷元的EOP序列。

(6)計算平均序列和每個觀測序列之間的差值以及平均序列的WRMS(Weighted Root Mean Square)，如果偏差大于兩倍的RMS(RootMean Square)值，則對其進(jìn)行降權(quán)處理，并重新進(jìn)行第(5)步

(7)高頻濾波，并用拉格朗日內(nèi)插給出一天間隔的濾波序列。

(8)最后應(yīng)加上濾波值和內(nèi)插值，即第(3)步中移去的參考序列值。并將UT1-TAI值轉(zhuǎn)換成UT1-UTC。

(9)EOP值的預(yù)測。

通過估計過去幾年極移的錢德勒分量(極移的兩個主要分量之一，周期為433 d。)和年分量，然后對短期的殘差序列使用自回歸濾波預(yù)測極移。對于天極補(bǔ)償，則利用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行預(yù)測。目前預(yù)測世界時的方法基于如下的假設(shè):將來幾個月UT1的長周期攝動(周年/半周年)與過去幾年的UT1相同。短期變化的預(yù)測采用自回歸方法。

通過以上的數(shù)據(jù)處理，可以得到了最新的IERS 05 C04序列。新的EOP序列1962年1月1日到2005年1月1日間的值是固定的。每個星期二和星期四，利用最新的EOP序列重新計算一次從2005年1月1日以后EOP組合值。

除了SLR，組合中并沒有使用其他技術(shù)的技術(shù)內(nèi)組合解，這是因?yàn)?

①IVS組合解有數(shù)天的延遲

②IVS組合解沒有包括加密時段的觀測

從組合的結(jié)果來看，C04的天極補(bǔ)償和UT1與IVS實(shí)時序列間的一致性要好于IVS組合解與IVS實(shí)時序列間的一致性。IERS 05 C04的結(jié)果表明，它與ICRF和ITRF2005一致性有所提高，另一方面參數(shù)的精度也有明顯的提高。極移和LOD與IGS的官方組合精度相當(dāng)(極移為30μas，LOD為15μs)，UT1，dψ× sinε0和dε與VLBI序列符合得非常好，甚至好于IVS官方組合解與VLBI序列的一致性。UT1為6μs，天極補(bǔ)償為70μas。

4 IERS 05 C04的精度分析

2006年IERS發(fā)布了ITRF2005，參考?xì)v元為2000.0。IGS隨后發(fā)布了IGS05參考框架；正在建設(shè)中的Galileo系統(tǒng)的參考框架GTRF(Galileo Terrestrial Reference Frame)也采用ITRF2005的基準(zhǔn)；世界上重要的全球性參考框架也都陸續(xù)更新，與ITRF2005保持一致。而Altamimi等的分析表明IERS C04與ITRF2005框架不一致，與ITRF2005一致的EOP產(chǎn)品IERS 05 C04應(yīng)運(yùn)而生。

圖1 IERS 05 C04與IERSC04的極移殘差時間序列xp

圖2 IERS 05 C04與IERSC04的極移殘差時間序列yp

為了分析IERS 05 C04相對于IERSC04的改進(jìn)，本文對IERS 05 C04相對于IERSC04的殘差進(jìn)行了分析，殘差分別如圖1和圖2所示，可以看出2000年以前，由于早期數(shù)據(jù)質(zhì)量不好，IERS 05 C04的改進(jìn)十分明顯。本文截取51699.0～54299.0的數(shù)據(jù)進(jìn)行了頻譜分析，主要對極移殘差的高頻段進(jìn)行了詳細(xì)的分析，結(jié)果分別如圖3和圖4所示?？梢钥闯?，IERS 05 C04和IERSC04的xp在高頻段較為一致，但殘差序列存在一個明顯的7 d周期項(xiàng)。考慮到IERS EOP產(chǎn)品由不同空間大地測量數(shù)據(jù)結(jié)果組合得到，GPS技術(shù)對極移的貢獻(xiàn)最大，可以說是目前觀測極移的最佳手段，而GPS的極移序列以周解形式提供，周解間的不連續(xù)極有可能導(dǎo)致IERSC04存在一個明顯的7 d變化，同時IERS 05 C04的質(zhì)量有了很大的提高[5，6]。由圖4可以看出IERS 05 C04與IERSC04的yp殘差較大，而且殘差序列存在一個較為明顯的14 d周期。因此，IERS 05 C04高頻段的改進(jìn)在Y方向較為明顯，X方向的7 d周期項(xiàng)以及Y方向的14 d周期項(xiàng)有明顯的改善。

圖3 IERS 05 C04與IERSC04的極移殘差時間序列xp的頻譜分析 圖4 IERS 05 C04與IERSC04的極移殘差時間序列yp的頻譜分析

5 結(jié)論及建議

地球定向參數(shù)是空間科學(xué)和地球科學(xué)的重要數(shù)據(jù)。IERS EOP 05 C04是最新的IERS EOP產(chǎn)品，與ITRF2005一致。本文給出了IERS 05 C04的組合流程，頻譜分析表明IERS 05 C04的極移相對于IERS C04在X方向的7 d周期項(xiàng)，Y方向的14 d周期項(xiàng)有明顯的改進(jìn)。今后將繼續(xù)分析IERS提供的不同類型的EOP產(chǎn)品以及IGS提供的EOP產(chǎn)品，包括極移、UT1，LOD，天極補(bǔ)償?shù)冗M(jìn)行更加深入的分析和研究。

[1] Dennis D.McCarthy，Gerard Petit(eds.)，IERSConventions (2003)[R].IERSTechnical Note No 32，Verlag Bundesamt für Kartographie und Geod?sie，2004.

[2] Dennis D.McCarthy，(eds.)，：IERS Conventions(1996) [R].IERS Technical Note No 21，Verlag Bundesamt für Kartographie und Geod?sie，1996.

[3] 陳俊勇.地面參照系定向理論基礎(chǔ)[M].北京：測繪出版社，1998.

[4] Altamimi Z，Collilieux X，Legrand J，et al.ITRF2005：A new release of the International Terrestrial Reference Frame based on time series of station positions and Earth Orientation Parameters[J].JGeophys Res，2007，112(B9)：B09401.

[5] Yves Mrealut，Jan Kouba.IGS Earth Rotation Parameters [J].GPS solution，Vol.3，No.1，P59～72(1999).

[6] 姚宜斌，劉經(jīng)南，陶本藻等.基于SINEX文件的ERP參數(shù)估計[J].武漢大學(xué)學(xué)報·信息科學(xué)版，2005，30(8)：100～105.

Combination of Earth Orientation Parameter

Zhou Chengtao，Zhou Jun
(Chongqing Survey Institute，Chongqing 400020，China)

Earth Orientation Parameter(EOP)is important data for space and terrestrial scientific research.IERS is responsible for providing EOP products，including prediction products，rapid products and long-term products.IERS 05 C04 is the current IERSEOP productwhich is consistentwith ITRF2005.This paper proposes IERS 05 C04 combination flow.Results show that IERS 05 C04 is improved at7-day period term in the X direction and 14-day period term in the Y direction.

polarmotion；ITRF；IERS 05 C04

1672-8262(2013)02-109-04

P228

B

2012—08—06

周成濤(1976—)，男，高級工程師，主要從事巖土工程檢測、監(jiān)測領(lǐng)域研究。