張健琿 ,楊國(guó)林 ,2,劉 濤 ,2,高志鈺 ,邵 明
(1. 蘭州交通大學(xué) 測(cè)繪與地理信息學(xué)院,蘭州 730070;2. 甘肅省地理國(guó)情監(jiān)測(cè)工程實(shí)驗(yàn)室,蘭州 730070)
地殼并非剛體,除構(gòu)造因素引起的地殼形變以外,大氣、冰雪消融、陸地水遷徙和海洋潮汐等因素導(dǎo)致地殼產(chǎn)生的形變稱(chēng)之為非構(gòu)造負(fù)荷形變,大氣負(fù)荷形變是地球?qū)Υ髿赓|(zhì)量重新分布的響應(yīng)[1-2]。全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(global navigation satellite system,GNSS)包含全球定位系統(tǒng)(global positioning system,GPS)、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou navigation satellite system, BDS)、伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Galileo satellite navigation system, Galileo)和格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(global navigation satellite system,GLONASS),在大地測(cè)量中應(yīng)用廣泛;在中國(guó)境內(nèi)的國(guó)際 GNSS服務(wù)組織(International GNSS Service, IGS)運(yùn)行過(guò)程中亦受到大氣負(fù)荷效應(yīng)的影響。文獻(xiàn)[3]研究表明由氣壓變化引起的測(cè)站垂向形變?cè)谥芯暥鹊貐^(qū)可達(dá)25 mm,高緯度地區(qū)更大,這種影響必然會(huì)使不同時(shí)間的測(cè)量結(jié)果不一致,所以在高精度的大地測(cè)量(如高精度參考框架的確定)和相對(duì)定位中應(yīng)該考慮大氣負(fù)荷效應(yīng)的影響[4-6]。
大氣負(fù)荷形變量可以利用地表氣壓數(shù)據(jù)通過(guò)球諧函數(shù)展開(kāi)和負(fù)荷格林函數(shù)褶積積分2種方法進(jìn)行計(jì)算[7]。文獻(xiàn)[8]研究表明2種方法在數(shù)學(xué)本質(zhì)上是一致的,但在實(shí)際計(jì)算中存在差異,另外研究還表明相同分辨率下二者的計(jì)算精度是一致的。文獻(xiàn)[9-10]研究表明在 GPS數(shù)據(jù)解算中改正大氣負(fù)荷效應(yīng)能提高觀測(cè)精度。
大氣負(fù)荷包括潮汐負(fù)荷、非潮汐負(fù)荷 2個(gè)部分,大氣潮汐負(fù)荷分為太陽(yáng)引力及熱力造成的太陽(yáng)潮大氣潮汐負(fù)荷和月球引力造成的月潮大氣潮汐負(fù)荷。大氣非潮汐負(fù)荷在實(shí)測(cè)大氣數(shù)據(jù)中有明顯的體現(xiàn)[11]。利用 GAMIT/GLOBK軟件進(jìn)行觀測(cè)值層面改正和根據(jù)格林函數(shù)積分原理的日均值改正 2種大氣負(fù)荷效應(yīng)改正方法,對(duì)中國(guó)及周邊 13個(gè) IGS站點(diǎn)2013年的觀測(cè)數(shù)據(jù)按照設(shè)計(jì)的4種方案分別進(jìn)行處理,研究大氣負(fù)荷效應(yīng)對(duì)中國(guó)IGS站定位的影響。
在 GPS數(shù)據(jù)處理中改正大氣負(fù)荷效應(yīng)主要有觀測(cè)值層面改正法和日均值改正法,2種方法具體實(shí)施策略如下:
1)觀測(cè)值層面改正法。使用GAMIT/GLOBK軟件進(jìn)行GPS數(shù)據(jù)處理時(shí),在解算策略性文件(sestbl.)中設(shè)置相關(guān)參數(shù),GAMIT就會(huì)在解算中根據(jù)麻省理工學(xué)院(Massachusetts Institute of Technology, MIT)提供的大氣負(fù)荷格網(wǎng)內(nèi)插出測(cè)站處的位移并進(jìn)行改正。MIT提供的大氣負(fù)荷效應(yīng)改正格網(wǎng)主要有atl.grid(計(jì)算潮汐大氣負(fù)荷)、atmfilt_cm.year(計(jì)算非潮汐大氣負(fù)荷)和atmdisp_cm.year(統(tǒng)一計(jì)算潮汐、非潮汐大氣負(fù)荷)3種,year代表4位年份。改正大氣負(fù)荷效應(yīng)需要對(duì)解算策略性文件(sestbl.)進(jìn)行修改的有以下幾項(xiàng):
①Tides applied=31/63;
②Apply atm loading=Y/N;
③Use atml.grid=Y/N;
④Use atl.grid=Y/N。
在解算時(shí)不進(jìn)行大氣負(fù)荷效應(yīng)改正時(shí),令A(yù)pply atm loading=N,Use atml.grid=N, Use atl.grid=N, Tides applied=31;只對(duì)大氣潮汐負(fù)荷進(jìn)行改正時(shí),令 Apply atm loading=N, Use atml.grid=N, Use atl.grid=Y, Tides applied=63, 同時(shí)要將 atl.grid 鏈接到工程目錄tables文件夾下的atl.grid文件;對(duì)大氣潮汐和非潮汐分別改正時(shí),令A(yù)pply atm loading=Y,Use atml.grid=Y, Use atl.grid=Y, Tides applied=63,同時(shí)要將 atl.grid和 atmfilt_c.year分別鏈接到工程目錄tables文件夾下的atl.gird和atml.grid文件;對(duì)大氣潮汐和非潮汐進(jìn)行統(tǒng)一改正時(shí),令 Apply atm loading=Y, Use atml.grid=Y, Use atl.grid=N, Tides applied=31, 同時(shí)要將 atmdisp_cm.year鏈接到工程目錄tables文件夾下的atml.grid文件。
2)日均值改正法。日均值改正就是利用地表氣壓數(shù)據(jù)根據(jù)球諧函數(shù)展開(kāi)法或者負(fù)荷格林函數(shù)褶積積分法來(lái)計(jì)算大氣負(fù)荷效應(yīng)造成的測(cè)站位移[12],本文利用負(fù)荷格林函數(shù)褶積積分方法方法進(jìn)行計(jì)算[13-15]。根據(jù)文獻(xiàn)[16]中的定義,徑向和水平方向的大氣負(fù)荷格林函數(shù)分別為
式中:U()α和V()α分別為徑向和水平方向的負(fù)荷格林函數(shù);α為參考點(diǎn)到負(fù)荷點(diǎn)的角距;n代表階數(shù);M為截?cái)嚯A數(shù);為n階Legendre多項(xiàng)式;me和a分別為地球質(zhì)量和平均半徑;hn′和ln′為n階表面大氣負(fù)荷勒夫數(shù);h∞′和l∞′為無(wú)窮階表面大氣負(fù)荷勒夫數(shù)。hn′和ln′分別為與地球表面徑向和水平方向變化有關(guān)的特征數(shù),是與地球密度分布和彈性特性相關(guān)的無(wú)量綱常數(shù),計(jì)算方法詳見(jiàn)文獻(xiàn)[13-14,16]。
在t時(shí)刻氣壓變化對(duì)垂直位移、水平位移的N方向分量和水平位移E方向分量影響[17]分別為
美國(guó)麻省理工學(xué)院和斯克里普斯海洋研究所(Scripps Institution of Oceanography,SIO)共同研制開(kāi)發(fā)的 GAMIT/GLOBK軟件集定位和定軌為一體[18],該軟件有處理精度高、運(yùn)算速度快、自動(dòng)化處理程度高和免費(fèi)開(kāi)源等特點(diǎn),廣泛應(yīng)用于大尺度相對(duì)定位和地球動(dòng)力學(xué)研究。
為研究大氣負(fù)荷效應(yīng)對(duì)中國(guó)IGS站定位的影響,選取中國(guó)及周邊的IGS站點(diǎn)(KUNM、URUM、LHAZ、BJFS、SHAO、WUHN、CHAN、TWTF、ULAB、DAEJ、CHUM、LCK2、PIMO)2013年的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行解算。測(cè)站分布情況如圖1所示,這些站點(diǎn)有工作穩(wěn)定、服務(wù)時(shí)間長(zhǎng)、觀測(cè)數(shù)據(jù)豐富等優(yōu)點(diǎn),便于分析和研究。按以下解算方案進(jìn)行分析:方案1,解算過(guò)程中不進(jìn)行大氣負(fù)荷效應(yīng)改正;方案2,解算過(guò)程中對(duì)大氣潮汐負(fù)荷進(jìn)行改正(使用 atl.grid);
方案3,解算過(guò)程中對(duì)大氣潮汐和非潮汐負(fù)荷進(jìn)行統(tǒng)一改正(使用atmdisp.2013);
方案4,進(jìn)行日均值大氣負(fù)荷改正。
在進(jìn)行日均值改正時(shí)使用的是歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts, ECMWF)提供的空間分辨率為0.125°×0.125°的地表氣壓數(shù)據(jù),根據(jù)格林函數(shù)褶積積分方法計(jì)算出日均值改正量。在使用GAMIT/GLOBK軟件根據(jù)不同方案進(jìn)行數(shù)據(jù)處理過(guò)程中除大氣負(fù)荷改正設(shè)置外的其他設(shè)置均相同,采用LC觀測(cè)值,雙差相位解算,對(duì)天線絕對(duì)相位中心、電離層高階項(xiàng)、海洋潮汐等進(jìn)行改正,對(duì)流層延遲模型采用 VMF1 /ECMWF模型,地磁場(chǎng)模型采用 IGRF11模型,對(duì)諸如極移、歲差、章動(dòng)、固體潮等地球物理效應(yīng)做了改正。
圖1 站點(diǎn)分布
用來(lái)衡量 GAMIT基線解算質(zhì)量的指標(biāo)有許多種,為了研究大氣負(fù)荷效應(yīng)對(duì)基線的影響,使用標(biāo)準(zhǔn)化均方根誤差殘差(normalized root mean square,NRMS)值作為指標(biāo),它表示單時(shí)段解算出的基線值與其加權(quán)平均值的偏離程度[19],NRMS的計(jì)算公式為
式中:Xi為第i個(gè)歷元基線向量歷元解算值;Xk為第k個(gè)歷元基線向量歷元解算值;X為基線向量真值;W為歷元總數(shù); 2iδ為各歷元解算值中誤差。NRMS值越小表示基線解算的精度越高,如果NRMS值在 0.25左右時(shí)就可認(rèn)為解算成功。將 3個(gè)的基線解算過(guò)程中單天解的NRMS值進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果如圖2所示。
圖2 方案1、方案2和方案3基線解算NRMS值對(duì)比
由圖2可以看出3種方案的NRMS值相近且都在0.16到0.19之間,這說(shuō)明解算精度較高。相對(duì)于方案1來(lái)說(shuō),方案2和方案3的NRMS值都有微量的減小,這說(shuō)明大氣負(fù)荷效應(yīng)會(huì)對(duì)基線解算造成一定程度的影響。
為進(jìn)一步探究大氣負(fù)荷效應(yīng)對(duì)基線解算造成的影響,將方案1與方案3解算的基線長(zhǎng)度相減視為基線的改正量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,選取具有代表性的基線①SHAO-BJFS(1 058 437.3 m)、②SHAOURUM(3 225 481.1 m)、③SHAO-TWTF(680 805.8 m)和④SHAO-LHAZ(2 864 648.8 m)4條基線為例進(jìn)行研究,基線長(zhǎng)度改正量對(duì)比如圖3所示,基線重復(fù)性信息統(tǒng)計(jì)如表1所示。
圖3 基線長(zhǎng)度改正量對(duì)比
由圖3可以看出基線①的改正量最大在1.1 mm左右,基線②改正量最大在3.6 mm左右,基線③的改正量最大在0.8 mm左右,基線④的改正量最大在3.1 mm左右,4條基線的長(zhǎng)度從長(zhǎng)到短依次為②、④、①、③。對(duì)比基線長(zhǎng)度及改正量可以得出基線越長(zhǎng)受大氣負(fù)荷的影響就越大。由表 1可以發(fā)現(xiàn)在對(duì)大氣負(fù)荷效應(yīng)進(jìn)行改正后,絕對(duì)基線重復(fù)性和相對(duì)基線重復(fù)性都有一定程度的減小。
表1 基線重復(fù)性統(tǒng)計(jì)表
為了研究大氣負(fù)荷效應(yīng)對(duì)中國(guó) IGS站定位的影響,在得到高質(zhì)量的基線解算結(jié)果后使用GLOBK進(jìn)行平差處理,將ULAB、DAEJ、CHUM、LCK2和PIMO作為固定站,對(duì)方案1、方案2和方案3的基線解算結(jié)果分別平差,將方案2、方案3平差的坐標(biāo)結(jié)果與方案1平差的坐標(biāo)結(jié)果相減分別得到N、E和U方向的改正量,將改正量與方案4計(jì)算的改正量進(jìn)行比較,因篇幅有限,本文列舉出 CHAN、TWTF、URUM和 BJFS 4個(gè)站點(diǎn)的對(duì)比情況如圖4所示。
圖4 不同方案大氣負(fù)荷效應(yīng)改正量對(duì)比
由圖4可以看出大氣負(fù)荷效應(yīng)對(duì)中國(guó)IGS站的影響主要體現(xiàn)在U方向,對(duì)比方案4和方案3曲線即比較日均值改正結(jié)果和觀測(cè)值層面改正結(jié)果(大氣潮汐和非潮汐負(fù)荷統(tǒng)一改正)可以發(fā)現(xiàn)二者具有一致性。為便于分析,統(tǒng)計(jì)大氣潮汐負(fù)荷及大氣負(fù)荷對(duì)站點(diǎn)定位的影響數(shù)據(jù)如表2所示。由表2可以看出大氣潮汐負(fù)荷效應(yīng)對(duì)中國(guó) IGS站定位在N和E方向上的影響最大在0.8 mm左右,在U方向最大在2.1 mm左右。大氣負(fù)荷效應(yīng)(包括潮汐和非潮汐)對(duì)不同的IGS站的影響有一定差別,U方向影響量為N和E方向影響量的 8至 10倍。另外,對(duì)各個(gè)站點(diǎn)不同方案處理結(jié)果誤差的 RMS值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)如表3所示。
表2 大氣潮汐負(fù)荷及大氣負(fù)荷對(duì)站點(diǎn)定位的影響mm
表3 各站點(diǎn)不同方案處理誤差的RMS值統(tǒng)計(jì) mm
從表3可以看出,在N和E方向上方案2與方案1的RMS值大致相同,方案3與方案4大致相同且比方案1略有減小,減幅在1 %至2 %之間。U方向各個(gè)站點(diǎn)位置誤差的 RMS均有明顯減小,這說(shuō)明大氣負(fù)荷效應(yīng)對(duì)中國(guó)IGS站定位的影響主要體現(xiàn)在垂向,在消除大氣負(fù)荷效應(yīng)后可以提高觀測(cè)精度,特別是垂向精度。
在U方向上不同站點(diǎn) RMS值減小幅度不同,方案2與方案1相比略有減小,減幅在1 %左右,這說(shuō)明大氣潮汐負(fù)荷對(duì)中國(guó) IGS站垂向影響不大,方案3與方案1相比明顯減小,CHAN減小幅度為5.8 %,SHAO減小幅度為5.9 %,TWTF減小幅度為3.3 %,BJFS減小幅度為8.9 %,WUHN減小幅度為5.8 %,WUHN減小幅度為1.3 %,KUNM減小幅度為7.2 %,LHAZ減小幅度為6.5 %,URUM減小幅度為22.0 %。這說(shuō)明在大氣負(fù)荷效應(yīng)對(duì)中國(guó)IGS站定位的影響中非潮汐成分是主要部分,同時(shí)說(shuō)明對(duì)大氣負(fù)荷效應(yīng)對(duì)不同站的影響存在差異。
在各項(xiàng)改正的RMS值中,方案4與方案3的結(jié)果較為相近且方案4比方案3的結(jié)果稍大,這說(shuō)明日均值改正和在觀測(cè)值層面進(jìn)行大氣潮汐和非潮汐負(fù)荷統(tǒng)一改正具有一致性,同時(shí)說(shuō)明針對(duì)利用GAMIT/GLOBK軟件進(jìn)行GPS數(shù)據(jù)解算來(lái)講,在觀測(cè)值層面進(jìn)行大氣潮汐和非潮汐負(fù)荷統(tǒng)一改會(huì)使結(jié)果的精度更高。
為研究大氣負(fù)荷效應(yīng)對(duì)中國(guó) IGS站定位的影響,利用GAMIT/GLOBK軟件進(jìn)行觀測(cè)值層面改正和根據(jù)格林函數(shù)積分原理的日均值改正 2種大氣負(fù)荷效應(yīng)改正方法,對(duì)中國(guó)及周邊13個(gè)IGS站點(diǎn)的數(shù)據(jù)按照設(shè)計(jì)的 4種方案分別進(jìn)行處理。經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析及相關(guān)指標(biāo)衡量后,結(jié)果表明大氣負(fù)荷效應(yīng)對(duì) IGS站基線及定位均有一定程度的影響:在對(duì)基線的影響方面,基線越長(zhǎng)所受影響越大;在對(duì)定位的影響方面,大氣負(fù)荷效應(yīng)的影響主要體現(xiàn)在垂向,東向及北向影響最大在2 mm左右,垂向影響為東向及北向影響的8~10倍;改正大氣負(fù)荷效應(yīng)后可以提高GPS的定位精度,提高幅度為3 %~22 %,不同站點(diǎn)所受影響的程度和改正后精度提高的幅度都不相同。相比較而言,利用GAMIT/GLOBK軟件進(jìn)行GPS數(shù)據(jù)解算時(shí)在觀測(cè)值層面進(jìn)行大氣潮汐和非潮汐負(fù)荷統(tǒng)一改正會(huì)使結(jié)果的精度更高。