DORIS、GPS和SLR空間大地測量技術(shù)導(dǎo)出的地心運動規(guī)律

趙德軍,李潭欣,李　婧,陳永祥,2

(1．西安測繪總站，陜西西安710054；2．大地測量與地球動力學(xué)國家重點實驗室，湖北武漢430077)

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DORIS、GPS和SLR空間大地測量技術(shù)導(dǎo)出的地心運動規(guī)律

趙德軍1,李潭欣1,李婧1,陳永祥1,2

(1．西安測繪總站，陜西西安710054；2．大地測量與地球動力學(xué)國家重點實驗室，湖北武漢430077)

摘要：用調(diào)和分析法分析DORIS、GPS和SLR 3種空間大地測量技術(shù)導(dǎo)出的地心運動時間序列。結(jié)果表明:地心長期運動不顯著，但存在北向運動趨勢，速度小于1 mm/a；相對于DORIS和GPS，SLR導(dǎo)出的地心運動更符合地球物理模型計算的結(jié)果，用22 a SLR數(shù)據(jù)導(dǎo)出的地心運動在X,Y,Z方向的周年運動振幅分別為2.8±0.2 mm，2.7±0.2 mm和6.1±0.2 mm。

關(guān)鍵詞：地心運動；DORIS；GPS；SLR；ITRF

國際地球參考系ITRS的原點定義為包括固體地球、海洋和大氣的整個地球的質(zhì)量中心CM(center of mass)，它也是衛(wèi)星繞其運動的動力學(xué)中心。國際地球參考框架ITRF是ITRS的具體實現(xiàn)，由DORIS、GPS、SLR和VLBI 4種空間大地測量技術(shù)建立和維持。由全球地面觀測臺網(wǎng)建立的參考框架原點應(yīng)為觀測臺網(wǎng)的幾何中心CN (center of network)，近似等于固體地球形狀中心CF(center of surface figure)[1-2]，但CF與CM之間有幾百米的差距。為解決這一差異，目前方案是將ITRF的原點靠到由SLR得到的解上，即原點為地球質(zhì)心的長期平均值，但在短時間尺度上CM有相對于ITRF原點的運動。地心運動定義為CM相對于CF的運動(有些文獻(xiàn)定義為CF相對于CM的運動)，但實際上在研究地心運動時，通常將ITRF視為CF參考框架，忽略了真正意義上ITRF與CF原點之間幾百米的距離，所謂的地心運動實際上是CM與CF之間的偏移變化量。

地心運動對大地測量和地球物理產(chǎn)生重大影響。例如，GRACE衛(wèi)星用來研究時變重力場，研究地表水儲量變化，若忽略地心運動，在像亞馬遜這樣水儲量季節(jié)性變化顯著的流域，計算的等效水高的偏差可達(dá)2 cm[3]。衛(wèi)星測高監(jiān)測的海平面變化值是相對于CM的絕對變化值，而驗潮站監(jiān)測到的海平面是相對ITRF框架的，因此必須加上地心運動改正。

目前監(jiān)測地心運動主要有3種方法：幾何法(網(wǎng)移動法)，將以CM為原點的空間動力測地的臺站坐標(biāo)時間序列與以CF為原點的臺站坐標(biāo)時間序列，通過Helmert 7參數(shù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，得到CM相對于CF坐標(biāo)框架間的3個平移參數(shù)，詳見文獻(xiàn)[4-7]。目前低軌重力衛(wèi)星(CHAMP、GRACE和GOCE)提供的動力學(xué)和幾何法衛(wèi)星軌道分別對應(yīng)于CM和CF框架，也可通過7參數(shù)轉(zhuǎn)換獲得地心序列。

動力法，衛(wèi)星軌道對地球引力場變化十分敏感，在衛(wèi)星精密定軌中將地球引力位一階位系數(shù)作為待估參數(shù)，解算出一階引力位系數(shù)，根據(jù)位系數(shù)與CM的關(guān)系來計算地心運動。該方法取決于衛(wèi)星軌道的精度，通常認(rèn)為SLR定軌精度最高，能達(dá)到毫米級，文獻(xiàn)[7-9]使用SLR跟蹤衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)來確定地心運動。文獻(xiàn)[10]嘗試使用CHAMP衛(wèi)星上星載GPS的相位非差數(shù)據(jù)對其進(jìn)行幾何定軌，定軌精度達(dá)到厘米級，導(dǎo)出的地心運動達(dá)到了滿意的精度。

地球物理法，是由地球各圈層質(zhì)量負(fù)荷引起的固體地球的形變而產(chǎn)生的質(zhì)心運動[11-16]，采用包括大氣、洋底壓力、土壤濕度、冰雪厚度、地表水流量、地下水等負(fù)荷模型來計算，精度主要受地球物理模型的限制。

本文采用國際上一些著名的數(shù)據(jù)分析中心公開發(fā)布的數(shù)據(jù)長度至少為16 a的DORIS、GPS和SLR 3種空間大地測量技術(shù)導(dǎo)出的地心運動序列，來分析其運動規(guī)律。

1調(diào)和分析

地球潮汐引起的地心運動已能精確模型化，通常在數(shù)據(jù)處理時已加入相應(yīng)的改正，當(dāng)前重點在于地心運動的長期項、周年項和半年項。地心運動可用下式表示：

式中:x(t)為地心運動時間序列，a為常數(shù)項，b為長期運動速度，t為以年為單位的時間，t0為初始時間，本文取ITRF2005框架的初始?xì)v元2000.0，A為振幅，φ為相位，A和φ稱為調(diào)和系數(shù)，T為周期(1 a和0.5 a)。利用最小二乘法組成法方程可解出各未知量，詳細(xì)算法見文獻(xiàn)[4,7,9,10]。

2數(shù)值計算

2.1　數(shù)據(jù)來源

包括SPOT2&3&4，T/P，ENVISAT共5顆衛(wèi)星的DORIS資料分別由俄羅斯天文學(xué)院分析中心INA和法國地理學(xué)院IGN解算，數(shù)據(jù)處理均采用GIPSY/OASIS Ⅱ軟件，均采用幾何法計算地心運動。提供的地心運動序列分別為ina05wd01.geoc和ign07wd01.geoc，采樣間隔均為1周，這兩個地心運動時間序列均來自ftp://cddis.gsfc.nasa.gov/pub/doris/products/geoc/。美國噴氣實驗室JPL提供了采樣間隔為1 d的由全球IGS臺站GPS資料解算的地心運動序列(幾何法)，數(shù)據(jù)來自ftp://sideshow.jpl.nasa.gov/pub/usrs/mbh。德州大學(xué)空間研究中心CSR提供的采用SLR數(shù)據(jù)(跟蹤LAGEOS1&2衛(wèi)星，解算2階次重力場模型)，動力法計算的地心序列，采樣間隔為2個月，此序列的地心運動是CF相對于CM的運動，數(shù)據(jù)來自ftp://ftp.csr.utexas.edu/pub/slr/geocenter/。DORIS、GPS和SLR這3種地心運動序列都以ITRF2005框架的形式提供。圖1給出了DORIS/IGN和SLR/CSR提供的地心運動時間序列。

2.2　結(jié)果分析

表1給出了4個地心運動序列計算的長期運動速度，同時也給出了其它文獻(xiàn)的結(jié)果。從中看出，不同數(shù)據(jù)來源方案算出的運動速度X,Y方向的量級都比較小，接近于0，且各數(shù)據(jù)來源方案算出的運動方向都不盡相同，即使采用同樣DORIS數(shù)據(jù)，同樣的軟件計算的地心序列也存在一定差異。Z方向上的速度稍大，但不足1 mm/a，且方向一致，說明地球質(zhì)心存在北移傾向。文獻(xiàn)[13]用40 a的地表氣象和海平面變化數(shù)據(jù)計算了長序列的地球質(zhì)心變化，也發(fā)現(xiàn)存在北移傾向；文獻(xiàn)[14]用包括冰川、大氣、海洋等地球物理模型分析也得出此結(jié)論；文獻(xiàn)[15]認(rèn)為地球兩極冰川融化，固體地球正在進(jìn)行的冰川均衡調(diào)整導(dǎo)致地心長期向北運動。

表2給出了4個地心序列計算的1 a和0.5 a的振幅和相位，文獻(xiàn)[10]采用軌道動力法，文獻(xiàn)[11,12,14]是采用地球物理法計算的結(jié)果。從中看出，所有數(shù)據(jù)來源方案中，地心運動的1 a項振幅遠(yuǎn)大于0.5 a項，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。由于地心運動幅度較小，同時受觀測精度、計算方法、計算模型等因素的影響，DORIS、GPS和SLR 3種空間大地測量技術(shù)導(dǎo)出的地心運動之間存在一定的差異，DORIS計算的地心季節(jié)性運動振幅明顯大于GPS和SLR的結(jié)果，尤其是Z方向上1 a振幅幾乎是SLR的5倍。來自INA和IGN數(shù)據(jù)中心的DORIS地心序列在3個方向上無論振幅和相位都基本一致。GPS地心序列的振幅在3個方向上均大于SLR地心序列。4個地心運動序列在Z軸方向上的振幅明顯大于X,Y軸，其地球物理解釋是地球南北方向溫差較大，北半球的夏季正好是南半球的冬季，在北半球冬季的海水質(zhì)量要大于夏季，南半球正好相反，這就導(dǎo)致海洋的質(zhì)量重新分布較為劇烈[11]。

圖1　DORIS/IGN和SLR/CSR地心時間序列

表1　地心運動的長期趨勢　　 mm/a

表2　地心季節(jié)性運動的振幅和相位

SLR動力法和CHAMP動力法導(dǎo)出的地心序列與地球物理模型計算的地心序列更加符合，這也表明季節(jié)性的地心運動主要是由包含大氣、海洋、陸地水等地表流體圈層的質(zhì)量再分布造成的。相對于SLR技術(shù)，DORIS和GPS這兩種空間大地測量技術(shù)本身存在復(fù)雜性和一定的技術(shù)難題(如天線相位中心的不確定性、光壓模型等系統(tǒng)誤差)，所監(jiān)測的地心運動的可靠性較差，因而所求解的地心運動振幅較大。

3結(jié)論

1)空間大地測量和地球物理模型分析表明，地心長期運動速度不顯著，但是有北移的趨勢，其北向運動速度不足1 mm/a。

2)地心運動的1 a項幅度均大于0.5 a振幅。

3)因DORIS和GPS衛(wèi)星天線相位中心以及所受光壓和大氣壓力模型等技術(shù)限制，其周年運動振幅與地球物理模型預(yù)測的結(jié)果有一定的差異，尤其是DORIS的誤差更為嚴(yán)重?？傮w來說，SLR導(dǎo)出的地心季節(jié)性運動更接近于地球物理模型計算的結(jié)果。正是由于此原因，目前主要還是靠SLR技術(shù)確定ITRF原點。曾經(jīng)有幾個版本的ITRF原點使用這3種空間技術(shù)加權(quán)得到，結(jié)果導(dǎo)致ITRF2005與ITRF2000在Z方向的運動速度達(dá)到1.8 mm/a，此巨大差異無法用地球物理模型來解析，因而認(rèn)為ITRF2000原點不可靠[16]。ITRF2005和ITRF2008的原點又恢復(fù)成僅使用SLR地心運動序列的長期平均值。

4)3種空間技術(shù)的臺站均位于陸地上且分布不均勻，在廣大海洋缺少數(shù)據(jù)覆蓋，因此在解算地心運動時可考慮聯(lián)合地球物理模型，如洋底壓力、土壤濕度、陸地水模型等。

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[責(zé)任編輯：劉文霞]

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

作者簡介：趙德軍(1979-)，男，工程師，碩士.

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目(41104047)；大地測量與地球動力學(xué)重點實驗室開放基金資助項目(SKLGED2013-4-5-E)

收稿日期：2014-09-23

中圖分類號：P207

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1006-7949(2015)12-0021-04