基于我國全球連續(xù)監(jiān)測與評估系統(tǒng)的ERP測定的精度分析

何戰(zhàn)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(shù)(Earth Rotation Parameters,簡寫為ERP)是指極移和日長變化,這些參數(shù)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(shù)(Earth Orientation Parameters,簡寫為 EOP),它是實現(xiàn)天球參考架與地球參考架相互轉換的最基本的參數(shù)。人造衛(wèi)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(shù),因此,對地球自轉參數(shù)的研究具有非常重要的意義。

COMPASS全球連續(xù)監(jiān)測與評估系統(tǒng)是COMPASS衛(wèi)星導航系統(tǒng)的重要組成部分,系統(tǒng)包括跟蹤站、數(shù)據(jù)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(jīng)濟建設和國防建設的發(fā)展,自主解算與預報地球自轉參數(shù)已經(jīng)變得越來越迫切。因此,基于我國完全自主的全球連續(xù)監(jiān)測與評估系統(tǒng),提供高精度、高分辨率的地球自轉參數(shù)服務,為我國衛(wèi)星導航系統(tǒng)的建設、發(fā)展和應用提供支撐服務。

1 地球自轉參數(shù)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(shù)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(shù)的增加呈幾何級數(shù)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(xiàn)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(yōu)選了22個站,這22個站構成的網(wǎng)幾何分布良好、資料穩(wěn)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(shù)據(jù)估計數(shù)據(jù)段中點時刻的地球自轉參數(shù)。估計了每日UTC 0時的地球自轉參數(shù)[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(shù)據(jù)的解算結果),經(jīng)過剔除異常值及參數(shù)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(shù),時間分辨率為1天。

3.1 NTSC_A與 IERS C04比較

利用優(yōu)選的全球均勻分布的22個IGS站的數(shù)據(jù),解算出2007年9月10日至10月26日期間經(jīng)剔除異常值及參數(shù)轉換后的結果減去IERS C04系列中的地球自轉參數(shù)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(xù)監(jiān)測與評估系統(tǒng)布網(wǎng)情況

目前,全球連續(xù)監(jiān)測與評估系統(tǒng)跟蹤網(wǎng)僅有5個國內(nèi)核心站和一個海外站,選取國內(nèi)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(wǎng),增加了3個將來可能布設全球連續(xù)監(jiān)測與評估系統(tǒng)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(shù)據(jù),解算出2007年9月10日至9月29日期間經(jīng)剔除異常值及參數(shù)轉換后的結果(本例結果以下用NTSC_B表示用這8個站數(shù)據(jù)的解算結果)減去IERS C04系列中的地球自轉參數(shù)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(shù)必須構建更合理的全球連續(xù)監(jiān)測與評估系統(tǒng)網(wǎng)。

3.5 聯(lián)合解算建議

由于GPS和GLONASS衛(wèi)星導航系統(tǒng)具有不同的軌道交角,聯(lián)合解算ERP的精度優(yōu)于單系統(tǒng)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(lián)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(yōu)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(shù),得到了在IERS的ERP估計精度范圍之內(nèi)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(shù)必須構建更合理的全球連續(xù)監(jiān)測與評估系統(tǒng)網(wǎng)。COMPASS全球連續(xù)監(jiān)測與評估系統(tǒng)跟蹤網(wǎng)的合理布局與利用COMPASS觀測資料解算地球自轉參數(shù),是COMPASS全球連續(xù)監(jiān)測與評估系統(tǒng)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(shù)以及全球連續(xù)監(jiān)測與評估系統(tǒng)跟蹤網(wǎng)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(wèi)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.