DORIS、GPS和SLR空间大地测量技术导出的地心运动规律

赵德军,李潭欣,李　婧,陈永祥,2

(1．西安测绘总站，陕西西安710054；2．大地测量与地球动力学国家重点实验室，湖北武汉430077)



DORIS、GPS和SLR空间大地测量技术导出的地心运动规律

赵德军1,李潭欣1,李婧1,陈永祥1,2

(1．西安测绘总站，陕西西安710054；2．大地测量与地球动力学国家重点实验室，湖北武汉430077)

摘要：用调和分析法分析DORIS、GPS和SLR 3种空间大地测量技术导出的地心运动时间序列。结果表明:地心长期运动不显著，但存在北向运动趋势，速度小于1 mm/a；相对于DORIS和GPS，SLR导出的地心运动更符合地球物理模型计算的结果，用22 a SLR数据导出的地心运动在X,Y,Z方向的周年运动振幅分别为2.8±0.2 mm，2.7±0.2 mm和6.1±0.2 mm。

关键词：地心运动；DORIS；GPS；SLR；ITRF

国际地球参考系ITRS的原点定义为包括固体地球、海洋和大气的整个地球的质量中心CM(center of mass)，它也是卫星绕其运动的动力学中心。国际地球参考框架ITRF是ITRS的具体实现，由DORIS、GPS、SLR和VLBI 4种空间大地测量技术建立和维持。由全球地面观测台网建立的参考框架原点应为观测台网的几何中心CN (center of network)，近似等于固体地球形状中心CF(center of surface figure)[1-2]，但CF与CM之间有几百米的差距。为解决这一差异，目前方案是将ITRF的原点靠到由SLR得到的解上，即原点为地球质心的长期平均值，但在短时间尺度上CM有相对于ITRF原点的运动。地心运动定义为CM相对于CF的运动(有些文献定义为CF相对于CM的运动)，但实际上在研究地心运动时，通常将ITRF视为CF参考框架，忽略了真正意义上ITRF与CF原点之间几百米的距离，所谓的地心运动实际上是CM与CF之间的偏移变化量。

地心运动对大地测量和地球物理产生重大影响。例如，GRACE卫星用来研究时变重力场，研究地表水储量变化，若忽略地心运动，在像亚马逊这样水储量季节性变化显著的流域，计算的等效水高的偏差可达2 cm[3]。卫星测高监测的海平面变化值是相对于CM的绝对变化值，而验潮站监测到的海平面是相对ITRF框架的，因此必须加上地心运动改正。

目前监测地心运动主要有3种方法：几何法(网移动法)，将以CM为原点的空间动力测地的台站坐标时间序列与以CF为原点的台站坐标时间序列，通过Helmert 7参数坐标转换，得到CM相对于CF坐标框架间的3个平移参数，详见文献[4-7]。目前低轨重力卫星(CHAMP、GRACE和GOCE)提供的动力学和几何法卫星轨道分别对应于CM和CF框架，也可通过7参数转换获得地心序列。

动力法，卫星轨道对地球引力场变化十分敏感，在卫星精密定轨中将地球引力位一阶位系数作为待估参数，解算出一阶引力位系数，根据位系数与CM的关系来计算地心运动。该方法取决于卫星轨道的精度，通常认为SLR定轨精度最高，能达到毫米级，文献[7-9]使用SLR跟踪卫星轨道数据来确定地心运动。文献[10]尝试使用CHAMP卫星上星载GPS的相位非差数据对其进行几何定轨，定轨精度达到厘米级，导出的地心运动达到了满意的精度。

地球物理法，是由地球各圈层质量负荷引起的固体地球的形变而产生的质心运动[11-16]，采用包括大气、洋底压力、土壤湿度、冰雪厚度、地表水流量、地下水等负荷模型来计算，精度主要受地球物理模型的限制。

本文采用国际上一些著名的数据分析中心公开发布的数据长度至少为16 a的DORIS、GPS和SLR 3种空间大地测量技术导出的地心运动序列，来分析其运动规律。

1调和分析

地球潮汐引起的地心运动已能精确模型化，通常在数据处理时已加入相应的改正，当前重点在于地心运动的长期项、周年项和半年项。地心运动可用下式表示：

式中:x(t)为地心运动时间序列，a为常数项，b为长期运动速度，t为以年为单位的时间，t0为初始时间，本文取ITRF2005框架的初始历元2000.0，A为振幅，φ为相位，A和φ称为调和系数，T为周期(1 a和0.5 a)。利用最小二乘法组成法方程可解出各未知量，详细算法见文献[4,7,9,10]。

2数值计算

2.1　数据来源

包括SPOT2&3&4，T/P，ENVISAT共5颗卫星的DORIS资料分别由俄罗斯天文学院分析中心INA和法国地理学院IGN解算，数据处理均采用GIPSY/OASIS Ⅱ软件，均采用几何法计算地心运动。提供的地心运动序列分别为ina05wd01.geoc和ign07wd01.geoc，采样间隔均为1周，这两个地心运动时间序列均来自ftp://cddis.gsfc.nasa.gov/pub/doris/products/geoc/。美国喷气实验室JPL提供了采样间隔为1 d的由全球IGS台站GPS资料解算的地心运动序列(几何法)，数据来自ftp://sideshow.jpl.nasa.gov/pub/usrs/mbh。德州大学空间研究中心CSR提供的采用SLR数据(跟踪LAGEOS1&2卫星，解算2阶次重力场模型)，动力法计算的地心序列，采样间隔为2个月，此序列的地心运动是CF相对于CM的运动，数据来自ftp://ftp.csr.utexas.edu/pub/slr/geocenter/。DORIS、GPS和SLR这3种地心运动序列都以ITRF2005框架的形式提供。图1给出了DORIS/IGN和SLR/CSR提供的地心运动时间序列。

2.2　结果分析

表1给出了4个地心运动序列计算的长期运动速度，同时也给出了其它文献的结果。从中看出，不同数据来源方案算出的运动速度X,Y方向的量级都比较小，接近于0，且各数据来源方案算出的运动方向都不尽相同，即使采用同样DORIS数据，同样的软件计算的地心序列也存在一定差异。Z方向上的速度稍大，但不足1 mm/a，且方向一致，说明地球质心存在北移倾向。文献[13]用40 a的地表气象和海平面变化数据计算了长序列的地球质心变化，也发现存在北移倾向；文献[14]用包括冰川、大气、海洋等地球物理模型分析也得出此结论；文献[15]认为地球两极冰川融化，固体地球正在进行的冰川均衡调整导致地心长期向北运动。

表2给出了4个地心序列计算的1 a和0.5 a的振幅和相位，文献[10]采用轨道动力法，文献[11,12,14]是采用地球物理法计算的结果。从中看出，所有数据来源方案中，地心运动的1 a项振幅远大于0.5 a项，且地心序列的相位基本一致，但X,Y,Z方向上的振幅相差很大。由于地心运动幅度较小，同时受观测精度、计算方法、计算模型等因素的影响，DORIS、GPS和SLR 3种空间大地测量技术导出的地心运动之间存在一定的差异，DORIS计算的地心季节性运动振幅明显大于GPS和SLR的结果，尤其是Z方向上1 a振幅几乎是SLR的5倍。来自INA和IGN数据中心的DORIS地心序列在3个方向上无论振幅和相位都基本一致。GPS地心序列的振幅在3个方向上均大于SLR地心序列。4个地心运动序列在Z轴方向上的振幅明显大于X,Y轴，其地球物理解释是地球南北方向温差较大，北半球的夏季正好是南半球的冬季，在北半球冬季的海水质量要大于夏季，南半球正好相反，这就导致海洋的质量重新分布较为剧烈[11]。

图1　DORIS/IGN和SLR/CSR地心时间序列

表1　地心运动的长期趋势　　 mm/a

表2　地心季节性运动的振幅和相位

SLR动力法和CHAMP动力法导出的地心序列与地球物理模型计算的地心序列更加符合，这也表明季节性的地心运动主要是由包含大气、海洋、陆地水等地表流体圈层的质量再分布造成的。相对于SLR技术，DORIS和GPS这两种空间大地测量技术本身存在复杂性和一定的技术难题(如天线相位中心的不确定性、光压模型等系统误差)，所监测的地心运动的可靠性较差，因而所求解的地心运动振幅较大。

3结论

1)空间大地测量和地球物理模型分析表明，地心长期运动速度不显著，但是有北移的趋势，其北向运动速度不足1 mm/a。

2)地心运动的1 a项幅度均大于0.5 a振幅。

3)因DORIS和GPS卫星天线相位中心以及所受光压和大气压力模型等技术限制，其周年运动振幅与地球物理模型预测的结果有一定的差异，尤其是DORIS的误差更为严重。总体来说，SLR导出的地心季节性运动更接近于地球物理模型计算的结果。正是由于此原因，目前主要还是靠SLR技术确定ITRF原点。曾经有几个版本的ITRF原点使用这3种空间技术加权得到，结果导致ITRF2005与ITRF2000在Z方向的运动速度达到1.8 mm/a，此巨大差异无法用地球物理模型来解析，因而认为ITRF2000原点不可靠[16]。ITRF2005和ITRF2008的原点又恢复成仅使用SLR地心运动序列的长期平均值。

4)3种空间技术的台站均位于陆地上且分布不均匀，在广大海洋缺少数据覆盖，因此在解算地心运动时可考虑联合地球物理模型，如洋底压力、土壤湿度、陆地水模型等。

参考文献：

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[16]METIVIER L，et al．On secular geocenter motion：the impact of climate changes[J]．Earth and Planetary Science Letters，2010，296(3)：360-366．

[责任编辑：刘文霞]

Variations of geocenter motion derived from DORIS,GPS and SLR space geodesy techniques

ZHAO De-jun1，LI Tan-xin1，LI Jing1，CHEN Yong-xiang1,2

(1．Xi’an Division of Surveying and Mapping,Xi’an 710054,China；2．State Key Laboratory of Geodesy and Earth's Dynamics，Wuhan 430077，China)

Abstract：The geocenter motion time series derived from three kinds of space geodesy techniques including DORIS, GPS and SLR, are analyzed using harmonic approach. Results show that, secular geocenter motion’s velocities are not evident, but it has a trend toward north, and its velocity is less than 1mm/a. Geocenter motion from SLR solution has the closest results, compared with the one from geophysical solutions in the three space geodesy techniques. The annual amplitudes of geocenter motion derived from SLR solution using about 22 years data are 2.8±0.2 mm, 2.7±0.2 mm and 6.1±0.2 mm in X, Y, Z directions, respectively.

Key words：geocenter motion；DORIS；GPS；SLR；ITRF

作者简介：赵德军(1979-)，男，工程师，硕士.

基金项目：国家自然科学基金资助项目(41104047)；大地测量与地球动力学重点实验室开放基金资助项目(SKLGED2013-4-5-E)

收稿日期：2014-09-23

中图分类号：P207

文献标识码：A

文章编号：1006-7949(2015)12-0021-04