余新平，譚 凱，趙 斌，王東振，余建勝

(中國(guó)地震局地震研究所(地震大地測(cè)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)，湖北 武漢 430071)

高精度國(guó)際地球參考框架的研究進(jìn)展

余新平，譚 凱，趙 斌，王東振，余建勝

(中國(guó)地震局地震研究所(地震大地測(cè)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)，湖北 武漢 430071)

針對(duì)地球動(dòng)力學(xué)等對(duì)毫米級(jí)國(guó)際地球參考框架的需求，介紹了國(guó)際地球參考框架的最新研究進(jìn)展，探討了現(xiàn)今顧及測(cè)站非線性運(yùn)動(dòng)的國(guó)際地球參考框架的局限性，并在毫米級(jí)國(guó)際地球參考框架建立的方法和技術(shù)改進(jìn)方面提出了一些見解，對(duì)高精度國(guó)際地球參考框架的實(shí)現(xiàn)具有一定的參考價(jià)值。

國(guó)際地球參考框架；毫米級(jí)；非線性運(yùn)動(dòng)；震后形變模型；地心運(yùn)動(dòng)

Abstract： Aiming at the requirement of mm-level International Terrestrial Reference Frame, this paper introduces the latest research progress of the International Terrestrial Reference Frame,the limitations of the International Terrestrial Reference Frame considering the nonlinear motion of the station are discussed,some suggetions on the established method and technological innovation of mm-level International Terrestrial Reference Frame are presented,these will have a certain reference value for the realization of high precision International Terrestrial Reference Frame.

Keywords： International Terrestrial Reference Frame; millimeter level; nonlinear motion; post earthquake deformation model; geocenter motion

地球參考框架是地球參考系統(tǒng)的物理實(shí)現(xiàn)，它是由一系列基于特定的參考系統(tǒng)的點(diǎn)位坐標(biāo)及其隨時(shí)間的變化都精確已知的基準(zhǔn)點(diǎn)組成。只有基于長(zhǎng)期的、高精度的地球參考框架，才能確定地球上任意點(diǎn)位精確的絕對(duì)位置及其變化。目前,理論背景最完善、精度最高、應(yīng)用最廣泛的全球參考框架是國(guó)際地球參考框架(internatiaonal terrestrial reference frame,ITRF)，它為其他的全球和區(qū)域參考框架提供基準(zhǔn)[1-2]。隨著GPS、SLR、VLBI、DORIS等空間大地測(cè)量技術(shù)的不斷改善和提高，它們?cè)诘厍騽?dòng)力學(xué)方面得到廣泛應(yīng)用。雖然目前國(guó)際地球參考框架已經(jīng)達(dá)到厘米級(jí)的精度，但依然無(wú)法滿足全球性、大尺度范圍內(nèi)的地球動(dòng)力學(xué)研究對(duì)其毫米級(jí)精度的需求。因此，國(guó)際地球參考框架的維持更新與精化，最終使精度達(dá)到毫米量級(jí)，是現(xiàn)代大地測(cè)量學(xué)的重要任務(wù)[3]。

近幾十年來(lái)，在眾多學(xué)者的努力下，利用各種空間大地測(cè)量技術(shù)的改進(jìn)以及各基準(zhǔn)站觀測(cè)數(shù)據(jù)的持續(xù)積累，已使得高精度ITRF的建立成為可能。

1 ITRF發(fā)展概況

ITRF是由國(guó)際地球自轉(zhuǎn)與參考系統(tǒng)服務(wù)組織(International Earth Rotation and Reference Systems Service,IERS)通過(guò)全球分布的地面基準(zhǔn)臺(tái)站，基于GPS、SLR、VLBI、DORIS等空間大地測(cè)量技術(shù)的持續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)所建立的。IERS定義ITRF并給出實(shí)現(xiàn)這一理想定義的模型和方法，同時(shí)負(fù)責(zé)ITRF的維持更新與精化。

自1988年起，IERS已經(jīng)發(fā)布了ITRF88、ITRF89、ITRF90、ITRF91、ITRF92、ITRF93、ITRF94、ITRF96、ITRF97、ITRF2000、ITRF2005和ITRF2008共12個(gè)版本的參考框架。其中，ITRF2005和ITRF2008是最具代表性的兩個(gè)參考框架，也是ITRF日漸成熟的標(biāo)志。二者的實(shí)現(xiàn)均采用坐標(biāo)時(shí)間序列和地球定向參數(shù)作為輸入數(shù)據(jù)，得到框架點(diǎn)的位置和線性速度以及與參考框架一致的地球定向參數(shù),目前ITRF2008的原點(diǎn)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性已優(yōu)于1 m，尺度精度優(yōu)于1.2[4-5]。由于測(cè)站數(shù)量及時(shí)間跨度的增加，以及地震引起的震后變形等原因，IERS于2013年開始籌備新一代的ITRF，即ITRF2013。ITRF2013將補(bǔ)充2008—2013年5年間的觀測(cè)數(shù)據(jù)，并于2014年8月發(fā)布。2014年底，IERS將新版本更名為ITRF2014，并要求各分析中心將提交的測(cè)站實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)間跨度擴(kuò)充到2014年[14-15]。

2 ITRF最新進(jìn)展

2.1 ITRF2014簡(jiǎn)介

2016年1月21日，IERS發(fā)布了最新的參考框架版本ITRF2014,這是繼ITRF2008之后推出的新一代地球參考框架。ITRF2014仍采用GPS、SLR、VLBI、DORIS等空間大地測(cè)量技術(shù)觀測(cè)地面基準(zhǔn)站，隨著其技術(shù)的不斷改進(jìn)，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的持續(xù)更新和積累，處理策略的進(jìn)一步完善，ITRF2014無(wú)論是在數(shù)據(jù)數(shù)量與質(zhì)量、時(shí)序模型的建立以及全球測(cè)站分布的優(yōu)化等方面上均有所提高。

ITRF2014的輸入數(shù)據(jù)為IAG國(guó)際服務(wù)ILRS、IDS、IGS提供的衛(wèi)星測(cè)量技術(shù)的周解，以及IVS提供的日解(站點(diǎn)坐標(biāo)和地球定向參數(shù)EOP)。這4項(xiàng)技術(shù)觀測(cè)時(shí)間跨度分別是32、21.8、21和35 a，且基于這4項(xiàng)技術(shù)的時(shí)間序列已分別由各自分析中心對(duì)該技術(shù)解進(jìn)行了綜合。

表1為IAG服務(wù)所提交的技術(shù)解基本情況[6]，從中可以看出，相較于ITRF2008、ITRF2014技術(shù)解所用時(shí)間序列跨度及基準(zhǔn)臺(tái)站數(shù)均有較大增加。同時(shí)，ITRF2014還將各個(gè)并置站之間的連接數(shù)據(jù)(由并置站、IGN測(cè)量部門、Z.Altamimi收集并提供)與大氣載荷數(shù)據(jù)(由GGFC與基于NCEP的模型提供)作為輸入數(shù)據(jù)[6]。此外，為了優(yōu)化基準(zhǔn)臺(tái)站的全球分布和減少各種地震、設(shè)備更換等誤差對(duì)站點(diǎn)的影響，ITRF2014對(duì)站點(diǎn)數(shù)量及其分布進(jìn)行了適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。圖1即為ITRF2014所用到的站點(diǎn)分布情況。

表1 ITRF2014所用空間大地測(cè)量技術(shù)解的情況

2.2 ITRF2014與ITRF2008之間的轉(zhuǎn)換

為了確保ITRF2014與ITRF2008之間的聯(lián)系，對(duì)于多數(shù)應(yīng)用而言，有必要評(píng)估兩框架之間的轉(zhuǎn)換參數(shù)的一致性。ITRF2014與ITRF2008間的轉(zhuǎn)換參數(shù)是由127個(gè)測(cè)站(其中包括89個(gè)GPS站、24個(gè)VIBL測(cè)站、8個(gè)SLR測(cè)站、2個(gè)DORIS測(cè)站)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算而得。這些測(cè)站選擇的主要標(biāo)準(zhǔn)為：①有最佳的站點(diǎn)分布;②涉及盡可能多的VLBI、SLR、GPS和DORIS站;③兩框架之間的14個(gè)參數(shù)轉(zhuǎn)換驗(yàn)后殘差符合最好[5,7]。ITRF2014與ITRF2008之間的轉(zhuǎn)換參數(shù)與速率見表2。

圖1 ITRF2014站點(diǎn)分布

T1/mmT2/mmT3/mmD/10-9R1/masR2/masR3/mas1.61.92.4-0.02 0.0000.0000.000+/-0.20.10.10.020.0060.0060.0060.00.0-0.10.030.0000.0000.000+/-0.20.10.10.020.0060.0060.006

圖2為用于計(jì)算ITRF2014與ITRF2008之間轉(zhuǎn)換參數(shù)的站點(diǎn)分布[8]。

圖2 計(jì)算轉(zhuǎn)換參數(shù)的站點(diǎn)

2.3 ITRF2014與ITRF2008的比較

由于空間大地測(cè)量技術(shù)的改進(jìn)、時(shí)間序列跨度的增加以及處理策略的變化，ITRF2014與ITRF2008將在各方面存在差異或改進(jìn)。文獻(xiàn)[7]有對(duì)ITRF2008的介紹，它們的主要區(qū)別如下[6,8-10]：

2.3.1 框架參數(shù)定義

除歷元由ITRF2008的2005.0換成ITRF2014的2010.0之外，平移、旋轉(zhuǎn)、尺度參數(shù)及其變化率均未改變。

2.3.2 數(shù)據(jù)分析策略

ITRF2014在時(shí)間序列的疊加過(guò)程中，在足夠的時(shí)間跨度下，給出了臺(tái)站半年、一年期的預(yù)測(cè)信號(hào)，以及在建立時(shí)間序列的疊加正則方程組前，給出了震后形變模型進(jìn)行修正，并應(yīng)用到地震臺(tái)站，而ITRF2008并未考慮地震對(duì)建模的影響。

2.3.3 模型的改進(jìn)

(1) 為提升地心運(yùn)動(dòng)觀測(cè)精度，ITRF2008在原有激光動(dòng)力學(xué)衛(wèi)星觀測(cè)的基礎(chǔ)之上，增加了地球低軌衛(wèi)星進(jìn)行聯(lián)合觀測(cè)，但由于低軌衛(wèi)星的模型誤差以及GPS與DORIS對(duì)地心運(yùn)動(dòng)的解的抗差能力較弱，因此以ITRF2014在地心運(yùn)動(dòng)建模中，只基于SLR技術(shù)進(jìn)行建模。

(2) 在對(duì)全球基準(zhǔn)臺(tái)站進(jìn)行非線性運(yùn)動(dòng)建模時(shí)，不僅對(duì)季節(jié)性周期項(xiàng)進(jìn)行估計(jì)，ITRF2014還首次考慮了非潮汐大氣載荷，并對(duì)個(gè)體的大氣載荷模型進(jìn)行了改進(jìn)。

(3) ITRF2014首次以測(cè)站振幅的時(shí)間函數(shù)的形式給出震后形變模型。測(cè)站位置坐標(biāo)可以用XPSD表示，歷元可用t表示，初始?xì)v元用t0表示，因此測(cè)站位置坐標(biāo)可以表示為

(1)

(2)

3 毫米級(jí)ITRF的實(shí)現(xiàn)展望

雖然最新推出的ITRF2014在參考框架定義、技術(shù)解處理策略、所用觀測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)間跨度的增加及數(shù)據(jù)質(zhì)量、測(cè)站非線性運(yùn)動(dòng)建模等各方面均有所改進(jìn)和提高，但距離毫米級(jí)精度ITRF的實(shí)現(xiàn)還有一定差距。在理想地球參考系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)上，毫米級(jí)國(guó)際地球參考框架的構(gòu)建還需要解決測(cè)站非線性運(yùn)動(dòng)和地球質(zhì)心運(yùn)動(dòng)的精確建模，以及多技術(shù)組合算法的完善這三大主要問(wèn)題[12]。

3.1 測(cè)站非線性運(yùn)動(dòng)建模

3.1.1 季節(jié)性非線性變化建模

大量研究表明，幾乎所有的國(guó)際地球參考框架全球站點(diǎn)坐標(biāo)時(shí)間序列都會(huì)有明顯的周年、半周年，甚至更長(zhǎng)時(shí)間的周期性運(yùn)動(dòng)和其他非線性運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，以及跳躍與野值。通常認(rèn)為引起測(cè)站季節(jié)性變化的影響因素包括地球物理效應(yīng)(大氣壓、非潮汐海洋壓力、大陸儲(chǔ)水量的變化、冰后回彈等)及與空間大地測(cè)量技術(shù)(GPS、SLR、VLBI、DORIS等)有關(guān)的系統(tǒng)誤差[12-15]。2002年2月，IERS所屬的全球地球物理流體中心(Global Geophysical Fluids Center,GGFC)建立了負(fù)荷特殊管理局(Special Bureau Loading,SBL)，其最終目的在于提供描述由大氣壓、非潮汐海洋壓力、大陸儲(chǔ)水量的變化等環(huán)境負(fù)載引起的形變信息的近實(shí)時(shí)全球數(shù)據(jù)集。文獻(xiàn)[16—17]計(jì)算結(jié)果表明，僅80%IGS基準(zhǔn)站的高程分量RMS經(jīng)環(huán)境負(fù)載改正后減小，且環(huán)境負(fù)載造成的站點(diǎn)變動(dòng)僅能解釋高程分量的部分周年、半周年振幅，這已經(jīng)是環(huán)境負(fù)載對(duì)GPS坐標(biāo)時(shí)間序列影響的最好對(duì)比結(jié)果。除此之外，溫度變化造成的熱膨脹效應(yīng)也對(duì)測(cè)站位移有影響。

為了提取時(shí)序中的季節(jié)性物理信號(hào)，應(yīng)明確環(huán)境負(fù)載中各項(xiàng)負(fù)載及熱膨脹效應(yīng)對(duì)時(shí)間序列季節(jié)性趨勢(shì)項(xiàng)的貢獻(xiàn)，利用InSAR、GRACE等多源觀測(cè)數(shù)據(jù)，引進(jìn)現(xiàn)代信號(hào)處理方法提取形變信號(hào)，將經(jīng)驗(yàn)季節(jié)性正弦函數(shù)模型與地球物理模型相結(jié)合,以建立各項(xiàng)負(fù)載及熱膨脹的精確模型[17]。ITRF2014已經(jīng)首次考慮了非潮汐大氣載荷，并對(duì)個(gè)體的大氣載荷模型進(jìn)行了改進(jìn)，這為其他負(fù)載模型的建立提供了參考。

此外，已有文獻(xiàn)表明,與技術(shù)相關(guān)的系統(tǒng)誤差(如未模型化的海洋極潮、殘余對(duì)流層延遲等)，數(shù)據(jù)處理策略的不完善與變更，以及多路徑效應(yīng)是造成測(cè)站虛假的非線性位移的另一個(gè)主要因素[11,22]。因此，應(yīng)分析造成這種現(xiàn)象的各種成因，分別對(duì)其建立相應(yīng)的精確數(shù)學(xué)模型，并優(yōu)化數(shù)據(jù)處理模型和策略，以減弱甚至消除由技術(shù)系統(tǒng)誤差造成的影響，以便提取更準(zhǔn)確干凈的時(shí)間序列。

3.1.2 其他非線性變化的處理

除季節(jié)性非線性變化外，測(cè)站坐標(biāo)時(shí)序中還含有地震或天線更換引起的不連續(xù)變化、各種噪聲造成的非線性變化。

目前，IGS基準(zhǔn)站監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，至少有一半以上的測(cè)站坐標(biāo)時(shí)間序列都不連續(xù)，這種不連續(xù)性的存在影響了其在地球動(dòng)力學(xué)研究中的應(yīng)用，也引起了國(guó)際上的廣泛關(guān)注。在眾多學(xué)者的不懈努力下，在ITRF2014的非線性運(yùn)動(dòng)建模中首次以測(cè)站振幅時(shí)間函數(shù)的形式給出了震后形變模型(見式(1)、式(2))，這將使均一化時(shí)間序列和高質(zhì)量的地球動(dòng)力學(xué)研究數(shù)據(jù)的獲取成為可能，并進(jìn)一步提高測(cè)站非線性運(yùn)動(dòng)建模的精度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)毫米級(jí)國(guó)際地球參考框架的維持與更新。

研究表明，GPS位置坐標(biāo)時(shí)間序列噪聲不僅包含白噪聲，其中還有與時(shí)間相關(guān)的有色噪聲(如閃爍噪聲、隨機(jī)漫步噪聲等)，這其中個(gè)別噪聲對(duì)基準(zhǔn)站坐標(biāo)的影響甚至可達(dá)厘米量級(jí)[20-21]。由于噪聲對(duì)測(cè)站坐標(biāo)時(shí)序的影響與其所處的地理環(huán)境有關(guān)，因此應(yīng)采用極大似然估計(jì)和噪聲頻譜分析的方法來(lái)確定最適合各區(qū)域的噪聲模型及噪聲的特性，以將噪聲與真實(shí)信號(hào)準(zhǔn)確地分離。目前，噪聲模型的建立忽視了水平和高程分量之間的相關(guān)性，將來(lái)可引入三維交互相關(guān)性方法，量化水平及高程方向的相互作用的程度，以構(gòu)建精確的三維噪聲模型[13]。

3.2 多技術(shù)數(shù)據(jù)組合算法

目前，多技術(shù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)聯(lián)合處理存在兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：一是同種技術(shù)之內(nèi)的組合，即以某種技術(shù)所得實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行解算，并給出統(tǒng)一解；二是不同技術(shù)之間的組合，即采用包含坐標(biāo)、方差-協(xié)方差陣和先驗(yàn)約束等信息在內(nèi)的SINEX文件作為輸入數(shù)據(jù)，通過(guò)重構(gòu)法方程與法方程疊加來(lái)實(shí)現(xiàn)多技術(shù)之間的組合[2]。

為了完善多技術(shù)數(shù)據(jù)組合算法，可基于緊組合方式，改進(jìn)技術(shù)內(nèi)組合數(shù)據(jù)處理軟件，以獲取同種技術(shù)內(nèi)測(cè)站坐標(biāo)時(shí)間序列精確的組合解。同時(shí)，深入分析研究技術(shù)間組合的輸入/輸出標(biāo)準(zhǔn)，不同技術(shù)系統(tǒng)誤差的處理與定權(quán)方式，以及組合解算策略和模型精化，以提高并置站與局部連接精度及可靠性，從多技術(shù)組合算法上改進(jìn)技術(shù)間組合方法[13]。在此多技術(shù)數(shù)據(jù)組合算法改進(jìn)的基礎(chǔ)之上，將可獲得高精度測(cè)站的歷元坐標(biāo)。

3.3 地心運(yùn)動(dòng)的監(jiān)測(cè)與建模

根據(jù)IERS協(xié)議，國(guó)際地球參考框架的原點(diǎn)為包括海洋和大氣在內(nèi)的地球質(zhì)量中心，它也是地球衛(wèi)星繞其旋轉(zhuǎn)的動(dòng)力學(xué)中心。地球的質(zhì)心運(yùn)動(dòng)來(lái)自地球各圈層的物質(zhì)運(yùn)動(dòng),因此具有明顯的地球物理機(jī)制,特別是全球大氣、海洋和地表水的季節(jié)性變化是地球質(zhì)心周年運(yùn)動(dòng)的主要地球物理機(jī)制[18-19]。故而可利用這些地球物理因素的季節(jié)性變化的擬合模型對(duì)地球質(zhì)心的周期運(yùn)動(dòng)進(jìn)行建模分析。

一般情況下，GPS、SLR、DORIS空間大地測(cè)量技術(shù)都可用來(lái)監(jiān)測(cè)地球質(zhì)心的運(yùn)動(dòng)，但須考慮GPS、DORIS觀測(cè)技術(shù)的復(fù)雜性和存在諸如天線相位中心的不確定性、抗模型誤差能力較弱等問(wèn)題。鑒于此，ITRF2014在地心運(yùn)動(dòng)建模中，最好只利用SLR技術(shù)進(jìn)行建模，但是難以在短期內(nèi)解決SLR測(cè)站全球分布不均勻的問(wèn)題，因此需更好地優(yōu)化基于SLR技術(shù)確定地心的算法與模型，并提升硬件質(zhì)量以對(duì)地心運(yùn)動(dòng)進(jìn)行精確建模[9-10]。為提高地心運(yùn)動(dòng)觀測(cè)質(zhì)量，可在原有激光動(dòng)力學(xué)衛(wèi)星觀測(cè)的基礎(chǔ)之上，聯(lián)合CHAMP、GRACE等低軌地球衛(wèi)星的新監(jiān)測(cè)手段，為地球質(zhì)心運(yùn)動(dòng)的監(jiān)測(cè)提供更多源的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。文獻(xiàn)[20—21]分別利用CHAMP、GRACE衛(wèi)星實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析地球質(zhì)心運(yùn)動(dòng)的周期運(yùn)動(dòng)特性，并給出了比較可靠的分析結(jié)果?；谏鲜霰O(jiān)測(cè)技術(shù)、算法模型的改進(jìn)，以及時(shí)間序列跨度的增加與數(shù)據(jù)觀測(cè)質(zhì)量的提高，將為毫米級(jí)精度的地心運(yùn)動(dòng)建模提供可能。

4 結(jié) 語(yǔ)

為了滿足高精度全球形變監(jiān)測(cè)以及地球動(dòng)力學(xué)的科研需要，建立顧及測(cè)站非線性變化的毫米級(jí)國(guó)際地球參考框架勢(shì)在必行。本文通過(guò)簡(jiǎn)要介紹國(guó)際地球參考框架最新研究進(jìn)展，并對(duì)毫米級(jí)國(guó)際地球參考框架的建立方法及技術(shù)改進(jìn)提出少許見解，希望為參考框架的維持與更新提供有益的參考。

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ResearchProgressofHighPrecisionInternationalTerrestrialReferenceFrame

YU Xinping,TAN Kai,ZHAO Bin,WANG Dongzhen,YU Jiansheng

(Key Laboratory of Earthquake Geodesy, Institute of Seismology, CEA, Wuhan 430071, China)

P228

A

0494-0911(2017)09-0006-05

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2016-12-20

中國(guó)地震局地震研究所所長(zhǎng)基金(IS201526244)；國(guó)家自然科學(xué)基金(41304019)

余新平(1992—)，男，碩士生，主要研究方向?yàn)镚PS數(shù)據(jù)處理及時(shí)間序列分析。E-mail:862250281@qq.com