利用GPS观测资料解算地球自转参数

2010-06-28何战科杨旭海李志刚程宗颐

时间频率学报 2010年1期

何战科，杨旭海，李志刚，程宗颐

利用GPS观测资料解算地球自转参数

何战科1,2，杨旭海1，李志刚1，程宗颐3

（1. 中国科学院国家授时中心，西安 710600； 2. 中国科学院研究生院，北京 100039； 3. 中国科学院上海天文台，上海 200030）

利用22个IGS（International GNSS Service）跟踪站（IGS05）的连续观测资料估算地球自转参数ERP( Earth rotation parameters)（地球自转参数在测绘和卫星导航中是一组关键的参数），并与IGS地球定向参数 EOP（Earth orientation parameters）（UTC 12:00:00）和IERS（International Earth Rotation Service）C04（UTC 00:00:00）同时刻的结果相比较。比较结果表明：与IGS EOP比较，极移在方向差值的RMS 为0.0214 mas，极移在方向差值的RMS 为0.0662 mas，1-差值的RMS 为0.0260ms；与IERS C04比较，极移在方向差值的RMS为0.0203 mas，极移在方向差值的RMS为0.0354 mas，1-差值的RMS为0.0016 ms。以上差别均在IERS C04精度范围之内，我们解算的地球自转参数结果是可信的。

地球自转参数；全球定位系统（GPS）；国际GNSS服务组织（IGS）；国际地球自转服务组织（IERS）

地球自转参数（ERP）是指极移（polar motion）和日长变化（LOD），這些參數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。它与岁差、章动一起构成地球定向参数（Earth orientation parameters，简写为EOP），它是实现天球参考架与地球参考架相互转换的参数。人造卫星和宇宙飞行器的精密定轨[1]和导航都需要高精度的地球自转参数，因此，对地球自转参数的研究具有重大的意义。

随着全球定位系统（GPS）、激光卫星测距（SLR）、甚长基线干涉测量（VLBI）、激光测月（LLR）和星基多普勒无线电定轨定位系统（DORIS）等现代空间技术的发展，定位精度得到大大提高，从而使得高精度实时测定地球自转参数成为可能。目前国际地球自转服务组织（International Earth Rotation Service，简写为IERS）利用全球LLR、SLR、VLBI、DORIS和GPS网，测定地球自转参数的精度已达亚厘米级[2]。但SLR、VLBI等技术设备庞大，难以普及和流动，以及观测数据量少，因此IERS目前每天给出1个EOP解。显然这些观测远不能满足地球自转参数高分辨率的需要。

随着IGS（International GNSS Service）跟踪网台站数的不断增加、GPS观测资料质量的提高和GPS数据处理技术的改进[3-5]，GPS观测资料已经可以用来加密解算地球自转参数。1992年起IGS组织全球联测并成功求解EOP，1995年起IERS正式采用GPS与VLBI等技术联合求解EOP。利用GPS观测资料建立我国独立解算地球自转参数的系统，对于我国守时、授时、COMPASS导航系统的定位、人造卫星精密测定轨和深空探测等科研工作都具有重要意义。

1 解算原理

在高精度GPS定位中，GPS载波相位观测值可以抽象地表示为初始时刻的轨道根数、摄动参数、测站坐标、地球自转参数、大气延迟参数和相位模糊度等待估参数的函数[6-8]：

式（1）是非线性函数，求解待估参数时要求将其线性化为

在本文的解算工作中，GPS载波相位为观测量，维护ITRF2005框架的站坐标和卫星轨道参数来自IGS，解算量是地球自转参数和大气延迟参数[3]。

2 选站及数据准备

GAMIT软件[2]处理GPS载波相位观测量，采用双差模式，处理时间随着站数的增加呈几何级数增加。由于现有计算机硬件条件的限制，从目前的302个IGS05参考框架站中优选了22个站，这22个站构成的网几何分布良好、资料稳定：在ITRF2005框架中的坐标中误差都在1 mm以下，速度场中误差都在0.3 mm/y以下，分布图如图1（★表示所选站）所示。仅3个站的中误差较大：ASPA站在方向的坐标中误差为4 mm，速度场中误差0.8 mm/y；BILI站在方向的坐标中误差为3 mm，速度场中误差0.5 mm/y；GLPS站在方向的坐标中误差为2 mm，速度场中误差0.4 mm/y[11]。在本文工作中选取22个站的情况下，每解算一次需要8 h左右。

图1 选择的IGS站分布图

从IGS站下载2007年9月11日至10月26日期间的观测资料、导航文件和精密星历，在ITRF2005框架下J2 000.0时刻的跟踪站坐标与速率，用以计算跟踪站对应时刻的初始坐标。站坐标由下式算得：

3 误差源分析与精度评定

在解算中，我们估计了所有能估计的参数，包括站坐标、卫星轨道参数、光压参数、地球自转参数和对流层延迟等。

采用IGS所给精密星历和光压参数（BERNE模型），并给予站坐标、卫星轨道参数和光压参数以强约束，这样就基本保证我们在ITRF2005参考架中进行解算。

为了保证所用光压模型的一致性，我们删除了卫星处于地影中的观测资料；用Saastamoinen模型[3-4]计算对流层延迟的初值，每30 min估计1个对流层延迟值。为了保证对流层延迟估计的精度，仅用10°仰角以上的观测资料。

在GAMIT软件[3]的MODEL模块中，考虑了毫米级以上的系统差。所考虑的改正包括：站钟和星钟差的改正、相对论效应改正、卫星天线和测站接收机天线相位中心的改正、天线的电磁波右圆极化改正、对流层延迟改正、高阶电离层延迟改正、固体潮改正、极潮改正和海潮改正等[3-4]。

解算结果的精度与可靠性通过两个主要标准评判：1）是否有足够的资料，该标准通过所得基线分量的精度来衡量；2）对资料的拟合模型是否与它的噪声水平相称，该标准通常采用归一化均方根（normalized rms，简写为nrms）作为判据，其表达式为

4 解算结果与分析

利用每24 h的数据估计数据段中点时刻的地球自转参数。我们估计了每日UTC 12:00:00和UTC 00:00:00的地球自转参数，经过剔除异常值及参数转换后[12-15]，分别与IGS EOP（UTC 12:00:00）和IERS C04（UTC 00:00:00）同时刻的值进行了比较。为了检验解算结果，又将IGS EOP系列与IERS的C04系列分别进行比较。

1）本文结果与IGS EOP同时刻值之间的比较

IGS提供每日UTC 12:00:00时刻的地球自转参数，时间分辨率为1 d，2007年9月10日至10月26日期间IGS EOP系列中的地球自转参数值减去剔除异常值及参数转换后的本文结果之差值如图2～图4所示。这些差值的标准差分别为：0.011 8 mas，0.013 6 mas和0.025 3 ms，差值均方根RMS分别为0.021 4 mas，0.066 2 mas和0.026 0 ms。

图2 极移在x方向的分量之差值（xp（IGS）- xp（本文结果））

图3 极移在y方向的分量之差值（yp（IGS）- yp（本文结果））

图4 UT1-UTC之差值（（UT1-UTC）（IGS）-（UT1-UTC）（本文结果））

2）本文结果与IERS C04同时刻值之间的比较

IERS提供每日UTC 00:00:00时刻的地球自转参数，时间分辨率为1 d，2007年9月10日至10月26日期间IERS C04系列中的地球自转参数值减去经剔除异常值及参数转换后的本文结果之差值如图5～图7所示。这些差值的标准差分别为：0.006 5 mas，0.010 9 mas和0.001 3 ms，差值均方根RMS分别为0.020 3 mas，0.035 4 mas和0.001 6 ms。

图5 极移在x方向的分量之差值（xp（IERS）- xp（本文结果））

图6 极移在方向的分量之差值（p（IERS）-p（本文结果））

图7 （1-）之差值（（1-）（IERS）-（1-）（本文结果））

3）IGS EOP与IERS C04同时刻值之间的比较

在线将IGS 最终的EOP系列与IERS C04系列进行比较[16]，其中，IERS C04系列减去IGS EOP系列内插到UTC 00:00:00的系列的差值如图8～图10所示。

图8 极移在x方向的分量之差值（xp（IERS）- xp（IGS））

图9 极移在y方向的分量之差值（yp（IERS）- yp（IGS））

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

解算结果与IGS EOP 和IERS C04之间存在系统差。与IGS EOP在方向有0.01 mas的系统差，在方向有-0.06 mas的系统差；与IERS C04在方向有-0.015 mas的系统差，在方向有0.03 mas的系统差；1-之间没有明显系统差。

2007年9月10日至10月26日期间的计算结果除了个别天（5 d）异常外，大部分结算结果与IGS EOP、IERS C04同时刻值符合较好，剔除异常值及参数转换后分别与IGS EOP、IERS C04的差值范围和RMS如表1所示。本文解算结果的精度与IERS目前的精度基本相当。其中个别天的解算结果与IGS EOP、IERS C04同时刻的差值偏大，这与CONT02联测后CODE的解算结果与IERS C04比较也出现了个别天差值偏大的情况相同[17]，需要选取更多IGS站予以解决。

表1 解算结果与IGS EOP和IERS C04的比较

5 结论

由于受到所用计算机的限制，我们目前的工作中只能挑选22个IGS 观测站。但所选的22个观测站遍布全球，且分布均匀，站本身的地质条件良好（所在板块运动速度小且稳定）。用这些站的资料所计算得到的地球自转参数的精度在 IERS C04所给相应值的精度范围之内，我们解算的地球自转参数结果是可信的。

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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)