IVS分析中心EOP產(chǎn)品及精度評估*

馬卓希 秦文振 于 亮 李 軍

(1西安測繪總站西安710054)

(2西安航天宏圖信息技術(shù)有限公司西安710054)

1 引言

地球定向參數(shù)(Earth Orientation Parameters,EOP)是實(shí)現(xiàn)天球參考架和地球參考架之間相互轉(zhuǎn)換的參數(shù),用于描述地球自轉(zhuǎn)軸及其指向的變化.這些參數(shù)包括2個(gè)極移參數(shù)、世界時(shí)(Universal Time,UT1)與協(xié)調(diào)世界時(shí)(Coordinated Universal Time,UTC)之差(UT1-UTC)和2個(gè)章動(dòng)改正參數(shù).其中,章動(dòng)改正參數(shù)結(jié)合歲差反映了地球瞬時(shí)自轉(zhuǎn)極相對天極指向的不規(guī)律性,而極移和UT1-UTC參數(shù)反映了地球本身自轉(zhuǎn)的不規(guī)律性[1].EOP參數(shù)是實(shí)現(xiàn)航天器高精度空間定位與導(dǎo)航的基礎(chǔ).研究表明,對地觀測的低軌衛(wèi)星對精密軌道的需求約5–10 cm,對應(yīng)EOP的誤差小于1.5 mas;中、高衛(wèi)星的定軌精度要求為1 m,對應(yīng)EOP的誤差小于8 mas.為了保證衛(wèi)星系統(tǒng)的精準(zhǔn)測控,一般需要高精度的EOP預(yù)報(bào)結(jié)果.以北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)為例,一般需要上行未來3 d的EOP預(yù)報(bào)結(jié)果.由于EOP的預(yù)報(bào)精度隨時(shí)間而逐漸惡化,預(yù)報(bào)1 d的UT1-UTC和極移分量的精度分別衰減約0.18 ms和0.4 mas[2].因此,只有利用快速、高精度的EOP解算值作為控制參數(shù),才能盡可能地降低EOP預(yù)報(bào)隨時(shí)間變化的衰減.

甚長基線干涉測量(Very Long Baseline Interferometry,VLBI)作為目前唯一可提供準(zhǔn)慣性參考系的技術(shù),不受動(dòng)力學(xué)因素影響,能夠直接測定坐標(biāo)系指向絕對值,建立與慣性坐標(biāo)系的直接關(guān)聯(lián),是唯一可以解算全部EOP參數(shù)并監(jiān)測UT1-UTC變化的空間大地測量技術(shù)[3–4].

國際測地/天體測量學(xué)VLBI服務(wù)(International VLBI Service for Geodesy and Astrometry,IVS)自上世紀(jì)末成立后,定期進(jìn)行VLBI觀測并發(fā)布EOP產(chǎn)品.本文介紹了IVS機(jī)構(gòu)、觀測及產(chǎn)品概況,并基于2010–2019年國際分析中心公開發(fā)布的觀測資料,分別從IVS產(chǎn)品日常監(jiān)測服務(wù)能力、IVS不同類型觀測網(wǎng)的EOP精度及其與測站網(wǎng)型的關(guān)系、全球主要區(qū)域網(wǎng)EOP服務(wù)能力3個(gè)角度,系統(tǒng)評估了IVS分析中心的EOP產(chǎn)品現(xiàn)狀及保障能力水平,為進(jìn)一步分析、評估區(qū)域網(wǎng)觀測及服務(wù)精度提供依據(jù).

2 IVS機(jī)構(gòu)及產(chǎn)品

IVS作為國際地球自轉(zhuǎn)服務(wù)組織(International Earth Rotation Service,IERS)的下屬組織,其主要任務(wù)是開展VLBI觀測、數(shù)據(jù)處理,維持地球在慣性空間的高精度定向(UT1-UTC、章動(dòng))以及長期穩(wěn)定的地球參考架尺度,并提供國際天球參考框架產(chǎn)品服務(wù)1.IVS目前由32個(gè)觀測站、3個(gè)操作中心、9個(gè)相關(guān)中心、5個(gè)數(shù)據(jù)中心、29個(gè)分析中心、7個(gè)技術(shù)發(fā)展中心和1個(gè)協(xié)調(diào)中心組成[5],測站及各中心的分布圖見IVS官方網(wǎng)站1http://ivscc.gsfc.nasa.gov/.各國觀測臺(tái)站協(xié)同觀測,相關(guān)中心及分析中心進(jìn)行數(shù)據(jù)解算后向用戶公開發(fā)布.

2.1 測地觀測類型

在每年年末,IVS組織會(huì)發(fā)布次年的VLBI觀測計(jì)劃及觀測綱要.每年約開展400余次觀測用于測地研究及應(yīng)用.根據(jù)不同的科學(xué)目標(biāo),可將IVS觀測分為日常EOP監(jiān)測、天球地球參考框架維持、研發(fā)實(shí)驗(yàn)等幾類,不同類型觀測采用不同的觀測計(jì)劃及觀測站.按照觀測時(shí)長,可分為1–2 h的加強(qiáng)觀測、常規(guī)24 h觀測和連續(xù)觀測;根據(jù)測站分布,可分為全球網(wǎng)觀測和區(qū)域網(wǎng)觀測.IVS測地觀測類型及說明見表1.

2.2 EOP產(chǎn)品

按照不同測地觀測類型和用途,IVS向用戶提供常規(guī)EOP觀測(Earth Orientation Parameter Series,EOP-S)產(chǎn)品和加強(qiáng)型EOP觀測(Intensive Earth Orientation Parameter Series,EOP-I)產(chǎn)品.

EOP-S產(chǎn)品由德國聯(lián)邦制圖與大地測量局(Federal Agency for Catography and Geodesy,BKG)、美國戈達(dá)德航天飛行中心(Goddard Space Flight Center,GSFC)、俄羅斯應(yīng)用天文學(xué)中心(Institute of Applied Astronomy,IAA)、美國海軍天文臺(tái)(United States Naval Observatory,USNO)和法國巴黎天文臺(tái)(Observatoire de Paris,OPAR)5家分析中心發(fā)布,產(chǎn)品每日進(jìn)行更新.其觀測數(shù)據(jù)來源主要包括以下5類觀測網(wǎng),分別為每周例行的IVS-R1/R4觀測、應(yīng)用于全球測地參考架監(jiān)測的T2觀測、公開發(fā)布的研發(fā)實(shí)驗(yàn)觀測、VLBI連續(xù)加密觀測和少數(shù)公開發(fā)布的區(qū)域網(wǎng)觀測數(shù)據(jù).其中,應(yīng)用于EOP的日常監(jiān)測及服務(wù)的IVS-R1/R4觀測所占的比例在70%以上.常規(guī)EOP觀測產(chǎn)品的周期在一個(gè)月左右.

表1 IVS測地觀測類型及說明Table 1 Types and descriptions of IVS geodetic observation

EOP-I產(chǎn)品的觀測數(shù)據(jù)主要來源于IVS的“INT”系列觀測.“INT”觀測數(shù)據(jù)于2000年起開始提供公開下載服務(wù),“INT”系列觀測共分為INT1、INT2和INT3觀測.2011年起,GSFC分析中心開始發(fā)布甚長基線干涉陣列(VLBI Array,VLBA)網(wǎng)觀測數(shù)據(jù)及解算結(jié)果,目前VLBA網(wǎng)共有4個(gè)測站參與觀測,分別為Mauna Kea(Mk)、Pie Town(Pt)、Los Alamos(La)和St.Croix(Sc),其中Mk-Pt基線及4測站組網(wǎng)觀測定期觀測,目前已經(jīng)能夠保證連續(xù)不間斷地提供服務(wù)[6].VLBA觀測解算結(jié)果已于2019年正式加入各分析中心的加強(qiáng)型EOP觀測產(chǎn)品.產(chǎn)品每日進(jìn)行更新,產(chǎn)品滯后于觀測約24 h左右,考慮發(fā)布時(shí)差的問題,國內(nèi)可在48 h內(nèi)獲得觀測當(dāng)天的EOP-I產(chǎn)品.

3 EOP日常監(jiān)測、服務(wù)能力評估

3.1 數(shù)據(jù)及評估方法

為了直觀反映EOP的日常監(jiān)測、服務(wù)能力,以IVS-R1/R4及“INT”系列觀測作為研究對象,分析資料為2010–2019年IAA、BKG、GSFC及USNO發(fā)布的“EOP-S”和“EOPI”產(chǎn)品,以年為單位分別對上述觀測的解算精度進(jìn)行分析.由于OPAR發(fā)布產(chǎn)品存在較多數(shù)據(jù)缺失,故沒有對OPAR發(fā)布產(chǎn)品進(jìn)行統(tǒng)計(jì).

將解算結(jié)果中UT1-UTC以及極移兩個(gè)分量的不確定度(1σ)即形式精度作為內(nèi)符合精度的評價(jià)指標(biāo);外符合精度方面,將解算得到的EOP參數(shù)與IERS網(wǎng)站公布的國際天文學(xué)聯(lián)合會(huì)2000決議(International Astronomical Union 2000 Standards,IAU2000)下的EOP C04時(shí)間序列首先歸算至同一參考框架下,再采用3次樣條插值方法歸算至統(tǒng)一歷元,并將差值的均方根(RMS)作為外符合精度.解算公式見(1)–(2)式.

式中,xi(AC)為分析中心解算的UT1-UTC參數(shù),xi(C04)為C04文件中的UT1-UTC參數(shù),?xi為分析中心解算的UT1-UTC參數(shù)與C04的互差,i為樣本序號,n為樣本個(gè)數(shù).

3.2 常規(guī)觀測

利用上述的分析資料及評估方法,對以上4家分析中心的極移X、Y分量(Xpole、Ypole)及UT1-UTC參數(shù)的內(nèi)、外符合精度進(jìn)行統(tǒng)計(jì),并對比分析了IVS-R1和IVS-R4觀測的精度,其統(tǒng)計(jì)結(jié)果見圖1(a)–(d).圖例中的R1、R4分別代表了極移及UT1-UTC分量在IVS-R1和IVS-R4觀測的統(tǒng)計(jì)精度,圖1(a)–(b)分別描述了Xpole、Ypole的不確定度和均方根誤差,圖1(c)–(d)描述了UT1-UTC分量的不確定度和均方根誤差.

從圖1中,可以得到以下結(jié)論:

(1)對比不同的觀測序列,內(nèi)符合精度方面,IVS-R1觀測的精度總體優(yōu)于IVS-R4觀測.外符合精度方面,除了分析中心BKG的極移Y分量的結(jié)果外,其余均符合IVS-R1觀測優(yōu)于IVS-R4觀測;

(2)對比不同分析中心的解算結(jié)果,總體而言,4家分析中心的解算精度差別不大.內(nèi)符合精度方面,極移分量的形式精度總體優(yōu)于0.05 mas,UT1-UTC總體優(yōu)于0.003 ms,BKG的極移及UT1-UTC分量的精度稍差;外符合精度方面,極移分量的精度在0.2–0.3 mas左右,UT1-UTC精度在0.02 ms以內(nèi).

3.3 加強(qiáng)觀測

利用2010–2019年“INT”系列所有加強(qiáng)觀測資料,對以上4家分析中心的UT1-UTC參數(shù)的內(nèi)、外符合精度進(jìn)行統(tǒng)計(jì),其統(tǒng)計(jì)結(jié)果見圖2.

圖1 常規(guī)觀測精度評估統(tǒng)計(jì)結(jié)果Fig.1 Statistical results of IVS regular observations

圖2 加強(qiáng)觀測精度評估統(tǒng)計(jì)結(jié)果Fig.2 Statistical results of precision of IVS intensive observations

對比不同分析中心的解算結(jié)果差異,其解算精度隨時(shí)間的變化趨勢基本一致;精度方面,IAA和BKG產(chǎn)品的內(nèi)、外符合精度分別為0.02 ms、0.03 ms左右,略高于USNO和GSFC,不同分析中心外符合精度的最大差別在0.02 ms左右.

解算軟件方面,除了IAA采用Quasar軟件以外,其余分析中心(BKG、GSFC、USNO、OPAR)均采用CALC/SOLVE 11.0軟件進(jìn)行解算.各分析中心的解算策略基本一致,不同分析中心的解算結(jié)果有所差異,其原因可能與采用不同的數(shù)學(xué)模型及配置文件有關(guān),具體原因有待進(jìn)一步分析.

4 EOP精度與測站分布的關(guān)系

EOP的解算精度與觀測臺(tái)站的分布密切相關(guān).觀測臺(tái)站的分布可以用觀測臺(tái)站所構(gòu)成的幾何體體積表示,理論上,觀測值數(shù)量越多,測站分布越均勻,觀測的精度越高.

利用2010–2019年所有公開的常規(guī)EOP觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,測站幾何體體積的構(gòu)造和計(jì)算方法見文獻(xiàn)[7].按照IVS的不同觀測網(wǎng)進(jìn)行分類,并統(tǒng)計(jì)其精度,統(tǒng)計(jì)結(jié)果見圖3(a)–(b).圖中橫軸表示測網(wǎng)體積,縱軸dXpole和dUT1分別表示極移X分量和UT1-UTC分量與IERS C04之間的互差.

圖3 EOP精度與測網(wǎng)體積的關(guān)系Fig.3 EOP differences w.r.t.network volume

通過圖3可以看出,隨著測網(wǎng)體積的增大,極移和UT1-UTC分量精度均有一定程度的提高,當(dāng)測站網(wǎng)體積大于80 Mm3時(shí),精度的變化趨于緩和.幾種常見的觀測類型的統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2.

由于RD/RDV觀測多應(yīng)用于科學(xué)研究,而T2觀測的目的是全球測地參考架監(jiān)測,在觀測計(jì)劃制定、觀測射電源選擇等方面與EOP的日常監(jiān)測、服務(wù)存在差異.因此,利用上述觀測類型的觀測網(wǎng)解算的EOP精度有待于進(jìn)一步評估和論證.通過表2可以初步推斷,利用IVS全球分布的7個(gè)以上測站的極移服務(wù)能力優(yōu)于0.2 mas,UT1-UTC優(yōu)于0.02 ms.VLBI連續(xù)加密觀測所能提供的極移和UT1-UTC外符合精度分別可達(dá)0.076 mas和0.007 ms水平.

表2 不同IVS觀測類型觀測情況Table 2 Characteristics of IVS observing programs

5 區(qū)域網(wǎng)服務(wù)能力評估

5.1 加強(qiáng)觀測

為了直觀地反映各國的保障能力,對目前國際上幾家機(jī)構(gòu)加強(qiáng)觀測的測定能力進(jìn)行統(tǒng)計(jì).表3中列舉了IVS、美國、俄羅斯及歐洲地區(qū)已經(jīng)開展或計(jì)劃開展的加強(qiáng)觀測序列及最長基線長度.亞太地區(qū)AOV組織、AusScope網(wǎng)也進(jìn)行了加強(qiáng)觀測實(shí)驗(yàn),但由于未公開觀測數(shù)據(jù),也缺乏相關(guān)公開學(xué)術(shù)資料,因此暫未對該區(qū)域的加強(qiáng)觀測能力進(jìn)行評估.

表3 全球主要加強(qiáng)觀測序列Table 3 Mainly global intensive observation sessions

對其中幾條重點(diǎn)基線的形式精度及與IERS C04的平均偏差(Avg.of dUT1)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),其精度分別見圖4(a)–(b).

總體而言,增加觀測基線的長度和觀測測站數(shù)有助于提高觀測的精度.同INT觀測相比,其余觀測基線均短于IVS-INT觀測基線,因此在解算精度方面,也較IVS-INT稍差.美國方面,MkPt基線的內(nèi)、外符合精度分別為0.023 ms、0.195 ms.為了彌補(bǔ)國內(nèi)單基線長度的不足,采用增加觀測時(shí)長(采用1.5–2 h的觀測時(shí)長,長于IVS采用的1 h觀測時(shí)長)、組網(wǎng)觀測等手段,進(jìn)一步提高觀測精度,其組網(wǎng)觀測的精度與“INT”系列的偏差約為0.015 ms;俄羅斯方面,目前國內(nèi)已建成的BvZv基線的內(nèi)、外符合精度分別為0.026 ms、0.029 ms,在Uv臺(tái)站建成后,預(yù)計(jì)將外符合精度提高至0.025 ms[8];歐洲方面,SaWn基線將是未來歐洲加強(qiáng)觀測的主要基線,目前仍處于系統(tǒng)測試及實(shí)驗(yàn)階段,尚未面向用戶投入服務(wù),本文所統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)來源于B?hm等人的仿真實(shí)驗(yàn),預(yù)期該基線將達(dá)到優(yōu)于0.04 ms的服務(wù)[9].

圖4 不同地區(qū)加強(qiáng)觀測精度Fig.4 Accuracy of intensive observation in different areas

5.2 常規(guī)觀測

為了分析不同區(qū)域網(wǎng)與IVS全球觀測的差異,將研究對象劃分為以下4個(gè):分別為美國VLBA觀測網(wǎng)、歐洲觀測網(wǎng)(European VLBI network,EVN)、亞太AOV觀測網(wǎng)和澳大利亞AusScope觀測網(wǎng).分別將上述觀測網(wǎng)的解算結(jié)果與IVS-R1/R4結(jié)果進(jìn)行對比,極移分量的形式精度與平均偏差(Avg.of dX/Ypole)分別見圖5(a)–(b),UT1-UTC分量的形式精度與平均偏差(Avg.of dUT1)分別見圖6(a)–(b).

圖5 不同地區(qū)常規(guī)觀測極移精度對比圖Fig.5 Comparison of regular observation polar motion accuracy in different areas

圖6 不同地區(qū)常規(guī)觀測UT1-UTC精度對比圖Fig.6 Comparison of regular observation UT1-UTC accuracy in different areas

從圖中可以得到以下結(jié)論:

(1)對比不同地區(qū)的極移精度,美國VLBA網(wǎng)的精度與IVS全球網(wǎng)精度最為接近,外符合精度在0.2 mas左右,EVN和AOV觀測網(wǎng)次之,澳大利亞AusScope的精度最差.亞太和歐洲網(wǎng)的解算精度相仿,偏差均在0.25 mas左右.此外,極移X分量的解算精度普遍高于Y分量,只有AOV解算是個(gè)例外,其原因可能與亞太地區(qū)觀測網(wǎng)型與地心方向投影的特殊性有關(guān);

(2)對比不同地區(qū)的UT1-UTC精度,其規(guī)律與極移精度相仿,美國VLBA解算網(wǎng)精度最高,但差別并不明顯,亞太及歐洲的區(qū)域網(wǎng)解算偏差在0.025–0.03 ms,高于IVSR1/R4觀測的0.01 ms.澳大利亞AusScope網(wǎng)由于觀測網(wǎng)幾何關(guān)系及天線轉(zhuǎn)速的制約,解算精度較低,偏差為0.039 ms.

6 總結(jié)與展望

本文系統(tǒng)介紹了IVS機(jī)構(gòu)、下屬分析中心概況以及目前的測地觀測產(chǎn)品類型,并基于2010–2019年公開發(fā)布的產(chǎn)品,分別從IVS產(chǎn)品日常監(jiān)測服務(wù)能力、IVS不同類型觀測網(wǎng)的EOP精度及其與測站網(wǎng)型的關(guān)系、全球主要區(qū)域網(wǎng)EOP服務(wù)能力3個(gè)角度,系統(tǒng)評估了IVS分析中心的EOP產(chǎn)品現(xiàn)狀及保障能力水平.結(jié)論表明:雖然不同測網(wǎng)的觀測用途存在差異,EOP服務(wù)能力也存在差異,但利用IVS全球分布的7個(gè)以上測站的綜合數(shù)據(jù)可使極移精度提高至約0.2 mas,UT1-UTC精度優(yōu)于0.02 ms;區(qū)域觀測網(wǎng)方面,美國VLBA網(wǎng)的常規(guī)、加強(qiáng)觀測的UT1-UTC分量的外符合精度分別可達(dá)0.025 ms、0.195 ms,與IVS全球觀測結(jié)果最接近.

后續(xù)的工作重點(diǎn)是對自主解算的EOP產(chǎn)品進(jìn)行系統(tǒng)評估,并尋找與國際發(fā)布產(chǎn)品的差距,在此基礎(chǔ)上對我國VLBI網(wǎng)進(jìn)一步分析以提高服務(wù)精度,為后續(xù)的EOP自主生產(chǎn)及服務(wù)打好基礎(chǔ).