地球定向参数的组合

周成涛，周隽

(重庆市勘测院，重庆 400020)

地球定向参数的组合

周成涛∗，周隽

(重庆市勘测院，重庆 400020)

地球定向参数(EOP)是空间科学和地球科学的重要数据。EOP产品由国际地球自转及参考系统服务组织IERS提供，分为预报解、快速解和长期解。IERSEOP 05 C04是最新的IERSEOP产品，与ITRF2005一致。本文详细介绍了IERS 05 C04的组合流程，并采用频谱分析对其进行质量评价，结果表明IERS 05 C04的极移相对于IERSC04在X方向的7 d周期项，Y方向的14 d周期项有明显的改进。

极移；ITRF；IERS 05 C04

1 前 言

地球定向参数(Earth Orientation Parameter，EOP)用于描述地球在惯性空间中的不规则变化，利用EOP参数可以实现天球参考框架到地球参考框架的转换。国际上通常使用的EOP参数由国际地球自转与参考系统服务组织(International Earth Rotation and Reference Systems Service，IERS)提供，通过对各种空间大地技术的观测进行组合得到，包括:甚长基线干涉测量(Very Long Baseline Interferometry，VLBI)、激光测卫(Satellite Laser Ranging，SLR)和全球定位系统(GPS)。IERS提供的EOP参数包括:天极补偿用(dpsi，deps)表示，用于对岁差/章动模型进行补偿；(UT1-UTC)用于描述地球自转的不规则性；极移用(xp，yp)表示，用于描述地球自转轴相对于地球本体的旋转。EOP是空间技术发展的关键基础，各种航天器和探测器的轨道必须已知高精度的EOP。而我国在EOP方面的研究还非常匮乏，为了满足日益发展的空间技术的要求应当借鉴国外相关经验[1，2]。

目前的技术现状是国际地球参考框架(International Terrestrial Reference Frame，ITRF)被描述为一个线性系统，框架点的速度为常数。框架点的短期变化可以用模型加以描述，因此每隔一年或几年发布一个新的地球参考框架产品即可满足用户的需求。而EOP不能够被描述为一个随时间变化的线性系统，为了满足各种用户的需求必须以较高的时间和空间分辨率给出EOP参数(即以1天或者几天的间隔给出实时或者预测EOP参数)[3]。本文将详细介绍IERSEOP参数的最新版本(IERS 05 C04)的组合流程，并在此基础上采用频谱分析对其进行质量评价，分析其相对之前版本的EOP产品(IERSC04)的提高。

2 EOP产品

IERS提供的EOP参数由两个不同的机构提供，分别为:快速服务/预报中心(美国海军实验室USNO和喷气动力实验室JPL等负责)和地球自转中心(由法国巴黎天文台负责)。这两个中心分别负责生产和发布IERSBulletin A和IERSBulletin B产品。

快速服务/预报中心利用可调三次样条拟合法对各空间技术的解进行加权组合。组合的输入数据为观测历元、观测值和每个数据点的权。首先计算用于输入EOP序列的所有数据点的样条系数，然后计算出UTC 0时的EOP参数，即IERSBulletin A产品。Bulletin A产品的精度，与IERSC04相比平均偏差为:极移为0.07 mas(milliarcsecond，毫角秒)，UT1-UTC为0.005 ms；标准偏差为:极移和UT1-UTC分别小于0.017 mas和0.08 ms。这些表明，Bulletin A快速解与Bulletin B每天解符合较好。

地球自转中心可以提供由各种技术组合得到的EOP长期解，并以以下几种方式提供:①0.1年间隔的长期解(IERSC01)；②5 d和1 d间隔的正则解(IERS C02和IERS C03)；③1 d间隔的长期解IERS C04。Bulletin B给出的是间隔为1 d的平滑解，时间延迟为30 d。

IERSBulletin A和Bulletin B产品 表1

3 IERS 05 C04组合流程简述

由于IERS 2003开始采用新的岁差/章动模型，而且ITRF 2005的结果表明IERS C04与ITRF 2000/ 2005存在较大的不一致性，应当重新组合得到新的EOP长期解，使EOP产品与最新的ITRF产品一致，IERS 05 C04由此产生[4]。IERS下属的地球自转中心利用ITRF 2005的极移和UT1，处理了1984年起的EOP数据，所得的新的EOP组合解的极移和UT1与ITRF 2005是一致的。组合过程中使用了IVS(International VLBIService)合解，使天极补偿与国际天球参考框架(International Celestial Reference Frame，ICRF)一致。IERS 05 C04每个星期更新两次。其输入数据如表2所示。

IERS 05 C04的输入数据 表2

下面详细介绍IERS 05 C04的处理流程:

(1)选取参与组合的EOP序列，重新确定各个序列的标准差使其与ITRF一致:

利用“Three-cornerd Hat”方法处理所有的EOP序列，得到每个序列的系数，用它乘以各个序列的标准差就可以得到各个序列实际的标准差。

(2)使输入EOP序列与ICRF和ITRF一致:

组合的主要任务就是提供与ICRF和ITRF相容的EOP序列。而所选取的序列基于不同地球系统和天球系统，并没有使用恰当的方法转换到ITRF和ICRF框架下。各技术中心的解的内符合精度，即与组合解(由地球自转中心和JPL快速服务中心提供)之间的差异为:极移为50μas～100μas，UT1为4μs～10μs，章动为200μas。而其外符合精度，即与地球和天球参考框架间的差异比较大:极移为150μas～ 200μas，UT1为15μs～20μs，章动为200μas。

因此在组合之前，需要将所有的序列转换到ICRF和ITRF框架下。作如下假定:

①由IVS提供的天极补偿满足天球中间极(Celestial Intermediate Pole，CIP)，使其在ICRF中没有显著的偏移；

②ITRF 2005的UT1满足ITRF相对于ICRF在1993年～2007年间无明显漂移。

③ITRF 2005的极移满足CIP在ITRF中没有任何线性变化。

为了实现EOP序列到ICRF和ITRF框架的转换，IERS作了如上的假设，即某些EOP序列与ITRF或者ICRF一致，并将这些序列作为参考序列。输入序列与参考序列间的差异在几年的区间内不是线性的，因此用折线对这些差异建模。然后，从输入EOP序列中移去这些差异，得到的EOP序列与ITRF和ICRF相容。

(3)所选EOP序列与参考序列间的差:

数据处理中，并不是直接组合各序列的初始值。这些值变化趋势越大，内插、滤波和其他数值计算中产生的误差越大。因此，应当对以前的EOP组合解进行预报作为参考值，从EOP序列中移去这些参考值进而得到信号的主要部分。由于各技术所提供的EOP序列与组合中心EOC(Earth Orientation Centre)长期解的参考历元不同，这样就要求对EOC以前的组合解进行拉格朗日内插，得到与输入EOP序列相同历元的EOP值，进而求得所选EOP序列与参考序列间的差。分析表明这些差值具有白噪声的特性。

然后仅对这些差值进行组合。应当注意的是:

①天极补偿基于国际天文联合会(International Astronomical Union，IAU)2000岁差/章动模型。因此，所有序列的天极补偿应该转换到IAU 2000模型下。

②UT1-UTC存在跳秒，不利于数据处理。因此，用UT1-TAI来代替，包含了跳秒(TAI为国际原子时International Atomic Time)。

(4)使卫星技术求得的日长变化(Length of Day，LOD)与VLBI求得的UT1一致

由卫星技术求得的LOD是不可靠的:因为没有对卫星轨道的不稳定性建模，LOD呈现出不可预测的严重漂移。各序列的漂移是不同的。为了确定这些可疑漂移，可以利用之前版本C04中由VLBI求得的UT1进行数据处理。

(5)在[-0.5 d，0.5 d]区间内利用拉格朗日内插对所有序列的观测值进行加权平均，得到平均历元的EOP序列。

(6)计算平均序列和每个观测序列之间的差值以及平均序列的WRMS(Weighted Root Mean Square)，如果偏差大于两倍的RMS(RootMean Square)值，则对其进行降权处理，并重新进行第(5)步

(7)高频滤波，并用拉格朗日内插给出一天间隔的滤波序列。

(8)最后应加上滤波值和内插值，即第(3)步中移去的参考序列值。并将UT1-TAI值转换成UT1-UTC。

(9)EOP值的预测。

通过估计过去几年极移的钱德勒分量(极移的两个主要分量之一，周期为433 d。)和年分量，然后对短期的残差序列使用自回归滤波预测极移。对于天极补偿，则利用经验公式进行预测。目前预测世界时的方法基于如下的假设:将来几个月UT1的长周期摄动(周年/半周年)与过去几年的UT1相同。短期变化的预测采用自回归方法。

通过以上的数据处理，可以得到了最新的IERS 05 C04序列。新的EOP序列1962年1月1日到2005年1月1日间的值是固定的。每个星期二和星期四，利用最新的EOP序列重新计算一次从2005年1月1日以后EOP组合值。

除了SLR，组合中并没有使用其他技术的技术内组合解，这是因为:

①IVS组合解有数天的延迟

②IVS组合解没有包括加密时段的观测

从组合的结果来看，C04的天极补偿和UT1与IVS实时序列间的一致性要好于IVS组合解与IVS实时序列间的一致性。IERS 05 C04的结果表明，它与ICRF和ITRF2005一致性有所提高，另一方面参数的精度也有明显的提高。极移和LOD与IGS的官方组合精度相当(极移为30μas，LOD为15μs)，UT1，dψ× sinε0和dε与VLBI序列符合得非常好，甚至好于IVS官方组合解与VLBI序列的一致性。UT1为6μs，天极补偿为70μas。

4 IERS 05 C04的精度分析

2006年IERS发布了ITRF2005，参考历元为2000.0。IGS随后发布了IGS05参考框架；正在建设中的Galileo系统的参考框架GTRF(Galileo Terrestrial Reference Frame)也采用ITRF2005的基准；世界上重要的全球性参考框架也都陆续更新，与ITRF2005保持一致。而Altamimi等的分析表明IERS C04与ITRF2005框架不一致，与ITRF2005一致的EOP产品IERS 05 C04应运而生。

图1 IERS 05 C04与IERSC04的极移残差时间序列xp

图2 IERS 05 C04与IERSC04的极移残差时间序列yp

为了分析IERS 05 C04相对于IERSC04的改进，本文对IERS 05 C04相对于IERSC04的残差进行了分析，残差分别如图1和图2所示，可以看出2000年以前，由于早期数据质量不好，IERS 05 C04的改进十分明显。本文截取51699.0～54299.0的数据进行了频谱分析，主要对极移残差的高频段进行了详细的分析，结果分别如图3和图4所示。可以看出，IERS 05 C04和IERSC04的xp在高频段较为一致，但残差序列存在一个明显的7 d周期项。考虑到IERS EOP产品由不同空间大地测量数据结果组合得到，GPS技术对极移的贡献最大，可以说是目前观测极移的最佳手段，而GPS的极移序列以周解形式提供，周解间的不连续极有可能导致IERSC04存在一个明显的7 d变化，同时IERS 05 C04的质量有了很大的提高[5，6]。由图4可以看出IERS 05 C04与IERSC04的yp残差较大，而且残差序列存在一个较为明显的14 d周期。因此，IERS 05 C04高频段的改进在Y方向较为明显，X方向的7 d周期项以及Y方向的14 d周期项有明显的改善。

图3 IERS 05 C04与IERSC04的极移残差时间序列xp的频谱分析 图4 IERS 05 C04与IERSC04的极移残差时间序列yp的频谱分析

5 结论及建议

地球定向参数是空间科学和地球科学的重要数据。IERS EOP 05 C04是最新的IERS EOP产品，与ITRF2005一致。本文给出了IERS 05 C04的组合流程，频谱分析表明IERS 05 C04的极移相对于IERS C04在X方向的7 d周期项，Y方向的14 d周期项有明显的改进。今后将继续分析IERS提供的不同类型的EOP产品以及IGS提供的EOP产品，包括极移、UT1，LOD，天极补偿等进行更加深入的分析和研究。

[1] Dennis D.McCarthy，Gerard Petit(eds.)，IERSConventions (2003)[R].IERSTechnical Note No 32，Verlag Bundesamt für Kartographie und Geodäsie，2004.

[2] Dennis D.McCarthy，(eds.)，：IERS Conventions(1996) [R].IERS Technical Note No 21，Verlag Bundesamt für Kartographie und Geodäsie，1996.

[3] 陈俊勇.地面参照系定向理论基础[M].北京：测绘出版社，1998.

[4] Altamimi Z，Collilieux X，Legrand J，et al.ITRF2005：A new release of the International Terrestrial Reference Frame based on time series of station positions and Earth Orientation Parameters[J].JGeophys Res，2007，112(B9)：B09401.

[5] Yves Mrealut，Jan Kouba.IGS Earth Rotation Parameters [J].GPS solution，Vol.3，No.1，P59～72(1999).

[6] 姚宜斌，刘经南，陶本藻等.基于SINEX文件的ERP参数估计[J].武汉大学学报·信息科学版，2005，30(8)：100～105.

Combination of Earth Orientation Parameter

Zhou Chengtao，Zhou Jun
(Chongqing Survey Institute，Chongqing 400020，China)

Earth Orientation Parameter(EOP)is important data for space and terrestrial scientific research.IERS is responsible for providing EOP products，including prediction products，rapid products and long-term products.IERS 05 C04 is the current IERSEOP productwhich is consistentwith ITRF2005.This paper proposes IERS 05 C04 combination flow.Results show that IERS 05 C04 is improved at7-day period term in the X direction and 14-day period term in the Y direction.

polarmotion；ITRF；IERS 05 C04

1672-8262(2013)02-109-04

P228

B

2012—08—06

周成涛(1976—)，男，高级工程师，主要从事岩土工程检测、监测领域研究。