利用GPS觀測(cè)資料解算地球自轉(zhuǎn)參數(shù)

何戰(zhàn)科，楊旭海，李志剛，程宗頤

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利用GPS觀測(cè)資料解算地球自轉(zhuǎn)參數(shù)

何戰(zhàn)科1,2，楊旭海1，李志剛1，程宗頤3

（1. 中國科學(xué)院國家授時(shí)中心，西安 710600； 2. 中國科學(xué)院研究生院，北京 100039； 3. 中國科學(xué)院上海天文臺(tái)，上海 200030）

利用22個(gè)IGS（International GNSS Service）跟蹤站（IGS05）的連續(xù)觀測(cè)資料估算地球自轉(zhuǎn)參數(shù)ERP( Earth rotation parameters)（地球自轉(zhuǎn)參數(shù)在測(cè)繪和衛(wèi)星導(dǎo)航中是一組關(guān)鍵的參數(shù)），并與IGS地球定向參數(shù) EOP（Earth orientation parameters）（UTC 12:00:00）和IERS（International Earth Rotation Service）C04（UTC 00:00:00）同時(shí)刻的結(jié)果相比較。比較結(jié)果表明：與IGS EOP比較，極移在方向差值的RMS 為0.0214 mas，極移在方向差值的RMS 為0.0662 mas，1-差值的RMS 為0.0260ms；與IERS C04比較，極移在方向差值的RMS為0.0203 mas，極移在方向差值的RMS為0.0354 mas，1-差值的RMS為0.0016 ms。以上差別均在IERS C04精度范圍之內(nèi)，我們解算的地球自轉(zhuǎn)參數(shù)結(jié)果是可信的。

地球自轉(zhuǎn)參數(shù)；全球定位系統(tǒng)（GPS）；國際GNSS服務(wù)組織（IGS）；國際地球自轉(zhuǎn)服務(wù)組織（IERS）

地球自轉(zhuǎn)參數(shù)（ERP）是指極移（polar motion）和日長變化（LOD），這些參數(shù)決定著地面觀測(cè)站在空間的精確位置以及地球坐標(biāo)系在空間的指向。它與歲差、章動(dòng)一起構(gòu)成地球定向參數(shù)（Earth orientation parameters，簡寫為EOP），它是實(shí)現(xiàn)天球參考架與地球參考架相互轉(zhuǎn)換的參數(shù)。人造衛(wèi)星和宇宙飛行器的精密定軌[1]和導(dǎo)航都需要高精度的地球自轉(zhuǎn)參數(shù)，因此，對(duì)地球自轉(zhuǎn)參數(shù)的研究具有重大的意義。

隨著全球定位系統(tǒng)（GPS）、激光衛(wèi)星測(cè)距（SLR）、甚長基線干涉測(cè)量（VLBI）、激光測(cè)月（LLR）和星基多普勒無線電定軌定位系統(tǒng)（DORIS）等現(xiàn)代空間技術(shù)的發(fā)展，定位精度得到大大提高，從而使得高精度實(shí)時(shí)測(cè)定地球自轉(zhuǎn)參數(shù)成為可能。目前國際地球自轉(zhuǎn)服務(wù)組織（International Earth Rotation Service，簡寫為IERS）利用全球LLR、SLR、VLBI、DORIS和GPS網(wǎng)，測(cè)定地球自轉(zhuǎn)參數(shù)的精度已達(dá)亞厘米級(jí)[2]。但SLR、VLBI等技術(shù)設(shè)備龐大，難以普及和流動(dòng)，以及觀測(cè)數(shù)據(jù)量少，因此IERS目前每天給出1個(gè)EOP解。顯然這些觀測(cè)遠(yuǎn)不能滿足地球自轉(zhuǎn)參數(shù)高分辨率的需要。

隨著IGS（International GNSS Service）跟蹤網(wǎng)臺(tái)站數(shù)的不斷增加、GPS觀測(cè)資料質(zhì)量的提高和GPS數(shù)據(jù)處理技術(shù)的改進(jìn)[3-5]，GPS觀測(cè)資料已經(jīng)可以用來加密解算地球自轉(zhuǎn)參數(shù)。1992年起IGS組織全球聯(lián)測(cè)并成功求解EOP，1995年起IERS正式采用GPS與VLBI等技術(shù)聯(lián)合求解EOP。利用GPS觀測(cè)資料建立我國獨(dú)立解算地球自轉(zhuǎn)參數(shù)的系統(tǒng)，對(duì)于我國守時(shí)、授時(shí)、COMPASS導(dǎo)航系統(tǒng)的定位、人造衛(wèi)星精密測(cè)定軌和深空探測(cè)等科研工作都具有重要意義。

1 解算原理

在高精度GPS定位中，GPS載波相位觀測(cè)值可以抽象地表示為初始時(shí)刻的軌道根數(shù)、攝動(dòng)參數(shù)、測(cè)站坐標(biāo)、地球自轉(zhuǎn)參數(shù)、大氣延遲參數(shù)和相位模糊度等待估參數(shù)的函數(shù)[6-8]：

式（1）是非線性函數(shù)，求解待估參數(shù)時(shí)要求將其線性化為

在本文的解算工作中，GPS載波相位為觀測(cè)量，維護(hù)ITRF2005框架的站坐標(biāo)和衛(wèi)星軌道參數(shù)來自IGS，解算量是地球自轉(zhuǎn)參數(shù)和大氣延遲參數(shù)[3]。

2 選站及數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

GAMIT軟件[2]處理GPS載波相位觀測(cè)量，采用雙差模式，處理時(shí)間隨著站數(shù)的增加呈幾何級(jí)數(shù)增加。由于現(xiàn)有計(jì)算機(jī)硬件條件的限制，從目前的302個(gè)IGS05參考框架站中優(yōu)選了22個(gè)站，這22個(gè)站構(gòu)成的網(wǎng)幾何分布良好、資料穩(wěn)定：在ITRF2005框架中的坐標(biāo)中誤差都在1 mm以下，速度場(chǎng)中誤差都在0.3 mm/y以下，分布圖如圖1（★表示所選站）所示。僅3個(gè)站的中誤差較大：ASPA站在方向的坐標(biāo)中誤差為4 mm，速度場(chǎng)中誤差0.8 mm/y；BILI站在方向的坐標(biāo)中誤差為3 mm，速度場(chǎng)中誤差0.5 mm/y；GLPS站在方向的坐標(biāo)中誤差為2 mm，速度場(chǎng)中誤差0.4 mm/y[11]。在本文工作中選取22個(gè)站的情況下，每解算一次需要8 h左右。

圖1 選擇的IGS站分布圖

從IGS站下載2007年9月11日至10月26日期間的觀測(cè)資料、導(dǎo)航文件和精密星歷，在ITRF2005框架下J2 000.0時(shí)刻的跟蹤站坐標(biāo)與速率，用以計(jì)算跟蹤站對(duì)應(yīng)時(shí)刻的初始坐標(biāo)。站坐標(biāo)由下式算得：

3 誤差源分析與精度評(píng)定

在解算中，我們估計(jì)了所有能估計(jì)的參數(shù)，包括站坐標(biāo)、衛(wèi)星軌道參數(shù)、光壓參數(shù)、地球自轉(zhuǎn)參數(shù)和對(duì)流層延遲等。

采用IGS所給精密星歷和光壓參數(shù)（BERNE模型），并給予站坐標(biāo)、衛(wèi)星軌道參數(shù)和光壓參數(shù)以強(qiáng)約束，這樣就基本保證我們?cè)贗TRF2005參考架中進(jìn)行解算。

為了保證所用光壓模型的一致性，我們刪除了衛(wèi)星處于地影中的觀測(cè)資料；用Saastamoinen模型[3-4]計(jì)算對(duì)流層延遲的初值，每30 min估計(jì)1個(gè)對(duì)流層延遲值。為了保證對(duì)流層延遲估計(jì)的精度，僅用10°仰角以上的觀測(cè)資料。

在GAMIT軟件[3]的MODEL模塊中，考慮了毫米級(jí)以上的系統(tǒng)差。所考慮的改正包括：站鐘和星鐘差的改正、相對(duì)論效應(yīng)改正、衛(wèi)星天線和測(cè)站接收機(jī)天線相位中心的改正、天線的電磁波右圓極化改正、對(duì)流層延遲改正、高階電離層延遲改正、固體潮改正、極潮改正和海潮改正等[3-4]。

解算結(jié)果的精度與可靠性通過兩個(gè)主要標(biāo)準(zhǔn)評(píng)判：1）是否有足夠的資料，該標(biāo)準(zhǔn)通過所得基線分量的精度來衡量；2）對(duì)資料的擬合模型是否與它的噪聲水平相稱，該標(biāo)準(zhǔn)通常采用歸一化均方根（normalized rms，簡寫為nrms）作為判據(jù)，其表達(dá)式為

4 解算結(jié)果與分析

利用每24 h的數(shù)據(jù)估計(jì)數(shù)據(jù)段中點(diǎn)時(shí)刻的地球自轉(zhuǎn)參數(shù)。我們估計(jì)了每日UTC 12:00:00和UTC 00:00:00的地球自轉(zhuǎn)參數(shù)，經(jīng)過剔除異常值及參數(shù)轉(zhuǎn)換后[12-15]，分別與IGS EOP（UTC 12:00:00）和IERS C04（UTC 00:00:00）同時(shí)刻的值進(jìn)行了比較。為了檢驗(yàn)解算結(jié)果，又將IGS EOP系列與IERS的C04系列分別進(jìn)行比較。

1）本文結(jié)果與IGS EOP同時(shí)刻值之間的比較

IGS提供每日UTC 12:00:00時(shí)刻的地球自轉(zhuǎn)參數(shù)，時(shí)間分辨率為1 d，2007年9月10日至10月26日期間IGS EOP系列中的地球自轉(zhuǎn)參數(shù)值減去剔除異常值及參數(shù)轉(zhuǎn)換后的本文結(jié)果之差值如圖2～圖4所示。這些差值的標(biāo)準(zhǔn)差分別為：0.011 8 mas，0.013 6 mas和0.025 3 ms，差值均方根RMS分別為0.021 4 mas，0.066 2 mas和0.026 0 ms。

圖2 極移在x方向的分量之差值（xp（IGS）- xp（本文結(jié)果））

圖3 極移在y方向的分量之差值（yp（IGS）- yp（本文結(jié)果））

圖4 UT1-UTC之差值（（UT1-UTC）（IGS）-（UT1-UTC）（本文結(jié)果））

2）本文結(jié)果與IERS C04同時(shí)刻值之間的比較

IERS提供每日UTC 00:00:00時(shí)刻的地球自轉(zhuǎn)參數(shù)，時(shí)間分辨率為1 d，2007年9月10日至10月26日期間IERS C04系列中的地球自轉(zhuǎn)參數(shù)值減去經(jīng)剔除異常值及參數(shù)轉(zhuǎn)換后的本文結(jié)果之差值如圖5～圖7所示。這些差值的標(biāo)準(zhǔn)差分別為：0.006 5 mas，0.010 9 mas和0.001 3 ms，差值均方根RMS分別為0.020 3 mas，0.035 4 mas和0.001 6 ms。

圖5 極移在x方向的分量之差值（xp（IERS）- xp（本文結(jié)果））

圖6 極移在方向的分量之差值（p（IERS）-p（本文結(jié)果））

圖7 （1-）之差值（（1-）（IERS）-（1-）（本文結(jié)果））

3）IGS EOP與IERS C04同時(shí)刻值之間的比較

在線將IGS 最終的EOP系列與IERS C04系列進(jìn)行比較[16]，其中，IERS C04系列減去IGS EOP系列內(nèi)插到UTC 00:00:00的系列的差值如圖8～圖10所示。

圖8 極移在x方向的分量之差值（xp（IERS）- xp（IGS））

圖9 極移在y方向的分量之差值（yp（IERS）- yp（IGS））

圖10 （UT1-TAI）值之差值（（UT1-TAI）（IERS）-（UT1-TAI）（IGS））

解算結(jié)果與IGS EOP 和IERS C04之間存在系統(tǒng)差。與IGS EOP在方向有0.01 mas的系統(tǒng)差，在方向有-0.06 mas的系統(tǒng)差；與IERS C04在方向有-0.015 mas的系統(tǒng)差，在方向有0.03 mas的系統(tǒng)差；1-之間沒有明顯系統(tǒng)差。

2007年9月10日至10月26日期間的計(jì)算結(jié)果除了個(gè)別天（5 d）異常外，大部分結(jié)算結(jié)果與IGS EOP、IERS C04同時(shí)刻值符合較好，剔除異常值及參數(shù)轉(zhuǎn)換后分別與IGS EOP、IERS C04的差值范圍和RMS如表1所示。本文解算結(jié)果的精度與IERS目前的精度基本相當(dāng)。其中個(gè)別天的解算結(jié)果與IGS EOP、IERS C04同時(shí)刻的差值偏大，這與CONT02聯(lián)測(cè)后CODE的解算結(jié)果與IERS C04比較也出現(xiàn)了個(gè)別天差值偏大的情況相同[17]，需要選取更多IGS站予以解決。

表1 解算結(jié)果與IGS EOP和IERS C04的比較

5 結(jié)論

由于受到所用計(jì)算機(jī)的限制，我們目前的工作中只能挑選22個(gè)IGS 觀測(cè)站。但所選的22個(gè)觀測(cè)站遍布全球，且分布均勻，站本身的地質(zhì)條件良好（所在板塊運(yùn)動(dòng)速度小且穩(wěn)定）。用這些站的資料所計(jì)算得到的地球自轉(zhuǎn)參數(shù)的精度在 IERS C04所給相應(yīng)值的精度范圍之內(nèi)，我們解算的地球自轉(zhuǎn)參數(shù)結(jié)果是可信的。

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Estimation of Earth Rotation Parameters Based on GPS Observations

HE Zhan-ke1,2, YANG Xu-hai1, LI Zhi-gang1, CHENG Zong-yi3

(1. National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710600, China; 2. Graduate University of the Chinese Academy of Sciences, Beijing 100039, China;3. Shanghai Astronomical Observatory, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200030, China)

Earth rotation parameters; GPS; IGS(International GNSS Service); IERS(International Earth Rotation Service)

2009-08-03

國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）資助項(xiàng)目（2006AA12Z322）；國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973計(jì)劃）資助項(xiàng)目（2007CB815503）；中國科學(xué)院知識(shí)創(chuàng)新工程重要方向資助項(xiàng)目（KJUX2-YW-T12）; 中國科學(xué)院國防科技創(chuàng)新資助項(xiàng)目（CXJJ-09-M34）。

何戰(zhàn)科，男，碩士，主要從事GPS高精度數(shù)據(jù)處理和衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)應(yīng)用方面的研究。

P228.4

A

1674-0637(2010)01-0069-08