地球定向參數(shù)的組合

地球定向參數(shù)的組合周成濤;周雋【摘要】地球定向參數(shù)(EOP)是空間科學和地球科學的重要數(shù)據(jù).EOP產(chǎn)品由國際地球自轉及參考系統(tǒng)服務組織IERS提供，分為預報解、快速解和長期解.IERSEOP05C04是最新的IERSEOP產(chǎn)品，與ITRF2005一致.本文詳細介紹了IERS05C04的組合流程,并采用頻譜分析對其進行質(zhì)量評價，結果表明IERS05C04的極移相對于IERSC04在X方向的7d周期項,Y方向的14d周期項有明顯的改進.【期刊名稱】《城市勘測》【年(勤期】2013(000)002【總頁數(shù)】4頁(P109-112)【關鍵詞】極移;ITRF;IERS05C04【作者】周成濤;周雋【作者單位】重慶市勘測院，重慶400020【正文語種】中文【中圖分類】P228地球定向參數(shù)(EarthOrientationParameter，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)可以實現(xiàn)天球參考框架到地球參考框架的轉換。國際上通常使用的EOP參數(shù)由國際地球自轉與參考系統(tǒng)服務組織(InternationalEarthRotationandReferenceSystemsService，IERS)提供，通過對各種空間大地技術的觀測進行組合得到，包括:甚長基線干涉測量(VeryLongBaselineInterferometry,VLBI)、激光測衛(wèi)(SatelliteLaserRanging,SLR)和全球定位系統(tǒng)(GPS)。IERS提供的EOP參數(shù)包括:天極補償用(dpsi，deps)表示，用于對歲差/章動模型進行補償；(UT1-UTC)用于描述地球自轉的不規(guī)則性；極移用(xp，yp)表示，用于描述地球自轉軸相對于地球本體的旋轉。EOP是空間技術發(fā)展的關鍵基礎，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)展的空間技術的要求應當借鑒國外相關經(jīng)驗［1，2］。目前的技術現(xiàn)狀是國際地球參考框架(InternationalTerrestrialReferenceFrame，ITRF)被描述為一個線性系統(tǒng)，框架點的速度為常數(shù)?？蚣茳c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時或者預測EOP參數(shù))［3］。本文將詳細介紹IERSEOP參數(shù)的最新版本(IERS05C04)的組合流程，并在此基礎上采用頻譜分析對其進行質(zhì)量評價，分析其相對之前版本的EOP產(chǎn)品(IERSC04)的提高。IERS提供的EOP參數(shù)由兩個不同的機構提供，分別為:快速服務/預報中心(美國海軍實驗室USNO和噴氣動力實驗室JPL等負責)和地球自轉中心(由法國巴黎天文臺負責)。這兩個中心分別負責生產(chǎn)和發(fā)布IERSBulletinA和IERSBulletinB產(chǎn)品?？焖俜?預報中心利用可調(diào)三次樣條擬合法對各空間技術的解進行加權組合。組合的輸入數(shù)據(jù)為觀測歷元、觀測值和每個數(shù)據(jù)點的權。首先計算用于輸入EOP序列的所有數(shù)據(jù)點的樣條系數(shù)，然后計算出UTC0時的EOP參數(shù)，即IERSBulletinA產(chǎn)品。BulletinA產(chǎn)品的精度，與IERSC04相比平均偏差為:極移為0.07mas(milliarcsecond，毫角秒)，UT1-UTC為0.005ms；標準偏差為:極移和UT1-UTC分別小于0.017mas和0.08ms。這些表明，BulletinA快速解與BulletinB每天解符合較好。地球自轉中心可以提供由各種技術組合得到的EOP長期解，并以以下幾種方式提供:①0.1年間隔的長期解(IERSC01)；②5d和1d間隔的正則解(IERSC02和IERSC03):③】d間隔的長期解IERSC04。BulletinB給出的是間隔為1d的平滑解，時間延遲為30d。由于IERS2003開始采用新的歲差/章動模型，而且ITRF2005的結果表明IERSC04與ITRF2000/2005存在較大的不一致性，應當重新組合得到新的EOP長期解，使EOP產(chǎn)品與最新的ITRF產(chǎn)品一致，IERS05C04由此產(chǎn)生[4]°IERS下屬的地球自轉中心利用ITRF2005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ITRF2005是一致的。組合過程中使用了IVS(InternationalVLBIService)合解，使天極補償與國際天球參考框架(InternationalCelestialReferenceFrame，ICRF)一致。IERS05C04每個星期更新兩次。其輸入數(shù)據(jù)如表2所示。下面詳細介紹IERS05C04的處理流程：選取參與組合的EOP序列，重新確定各個序列的標準差使其與ITRF一致：利用“Three-cornerdHat”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準差就可以得到各個序列實際的標準差。使輸入EOP序列與ICRF和ITRF一致：組合的主要任務就是提供與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?shù)姆椒ㄞD換到ITRF和ICRF框架下。各技術中心的解的內(nèi)符合精度，即與組合解(由地球自轉中心和JPL快速服務中心提供)之間的差異為:極移為50pas~100Mas,UT1為4卜~103，章動為200pas。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150|jas~200pas,UT1為15|js~20|js，章動為200paso因此在組合之前，需要將所有的序列轉換到ICRF和ITRF框架下。作如下假定：由IVS提供的天極補償滿足天球中間極(CelestialIntermediatePole，CIP)，使其在ICRF中沒有顯著的偏移；ITRF2005的UT1滿足ITRF相對于ICRF在1993年~2007年間無明顯漂移。ITRF2005的極移滿足CIP在ITRF中沒有任何線性變化。為了實現(xiàn)EOP序列到ICRF和ITRF框架的轉換，IERS作了如上的假設，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。⑶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，應當對以前的EOP組合解進行預報作為參考值，從EOP序列中移去這些參考值進而得到信號的主要部分。由于各技術所提供的EOP序列與組合中心EOC(EarthOrientationCentre)長期解的參考歷元不同，這樣就要求對EOC以前的組合解進行拉格朗日內(nèi)插，得到與輸入EOP序列相同歷元的EOP值，進而求得所選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行組合。應當注意的是：天極補償基于國際天文聯(lián)合會(InternationalAstronomicalUnion,IAU)2000歲差/章動模型。因此，所有序列的天極補償應該轉換到IAU2000模型下。UT1-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InternationalAtomicTime)。(4)使衛(wèi)星技術求得的日長變化(LengthofDay,LOD)與VLBI求得的UT1一致由衛(wèi)星技術求得的LOD是不可靠的:因為沒有對衛(wèi)星軌道的不穩(wěn)定性建模，LOD呈現(xiàn)出不可預測的嚴重漂移。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進行數(shù)據(jù)處理。⑸在［-0.5d，0.5d］區(qū)間內(nèi)利用拉格朗日內(nèi)插對所有序列的觀測值進行加權平均，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(WeightedRootMeanSquare)，如果偏差大于兩倍的RMS(RootMeanSquare)值，則對其進行降權處理，并重新進行第(5)步⑺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值轉換成UT1-UTC。⑼EOP值的預測。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433d。)和年分量，然后對短期的殘差序列使用自回歸濾波預測極移。對于天極補償，則利用經(jīng)驗公式進行預測。目前預測世界時的方法基于如下的假設: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IERS05C04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的技術內(nèi)組合解，這是因為：IVS組合解有數(shù)天的延遲IVS組合解沒有包括加密時段的觀測從組合的結果來看，C04的天極補償和UT1與IVS實時序列間的一致性要好于IVS組合解與IVS實時序列間的一致性°IERS05C04的結果表明，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(極移為30pas,LOD為15卜)，UT1,d^xsin￡0和d￡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6ps，天極補償為70paso2006年IERS發(fā)布了ITRF2005，參考歷元為2000.0。IGS隨后發(fā)布了IGS05參考框架；正在建設中的Galileo系統(tǒng)的參考框架GTRF(GalileoTerrestrialReferenceFrame)也采用ITRF2005的基準；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IERSC04與ITRF2005框架不一致，與ITRF2005一致的EOP產(chǎn)品IERS05C04應運而生。為了分析IERS05C04相對于IERSC04的改進，本文對IERS05C04相對于IERSC04的殘差進行了分析，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，IERS05C04的改進十分明顯。本文截取51699.0~54299.0的數(shù)據(jù)進行了頻譜分析，主要對極移殘差的高頻段進行了詳細的分析，結果分別如圖3和圖4所示?？梢钥闯?，IERS05C04和IERSC04的xp在高頻段較為一致，但殘差序列存在一個明顯的7d周期項。考慮到IERSEOP產(chǎn)品由不同空間大地測量數(shù)據(jù)結果組合得到，GPS技術對極移的貢獻最大，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)極有可能導致IERSC04存在一個明顯的7d變化，同時IERS05C04的質(zhì)量有了很大的提高［5,6］。由圖4可以看出IERS05C04與IERSC04的yp殘差較大，而且殘差序列存在一個較為明顯的14d周期。因此，IERS05C04高頻段的改進在Y方向較為明顯，X方向的7d周期項以及Y方向的14d周期項有明顯的改善。地球定向參數(shù)是空間科學和地球科學的重要數(shù)據(jù)。IERSEOP05C04是最新的IERSEOP產(chǎn)品，與ITRF2005一致。本文給出了IERS05C04的組合流程，頻譜分析表明IERS05C04的極移相對于IERSC04在X方向的7d周期項，Y方向的14d周期項有明顯的改進。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，天極補償?shù)冗M行更加深入的分析和研究?！鞠嚓P文獻】DennisD.McCarthy，GerardPetit(eds.)，IERSConventions(2003)[R].IERSTechnicalNoteNo32,VerlagBundesamtfurKartographieundGeodasie,2004.DennisD.McCarthy,(eds.)，:IERSConventions(1996)[R].IERSTechnicalNoteNo21,VerlagBundesamtfurKartographieundGeodasie,1996.陳俊勇.地面參照系定向理論基礎[M].北京：測繪出版社，1998.AltamimiZ,CollilieuxX,LegrandJ,etal.ITRF2005:AnewreleaseoftheInternatio