毫米级精度的地球参考架构建设

1、毫米毫米级精度的地级精度的地球参考球参考架构建设架构建设内容提要内容提要最新的国际地球参考框架最新的国际地球参考框架ITRF2005不是一个毫米级地不是一个毫米级地球参考框架，不能满足当今毫米级地球动态变化监测球参考框架，不能满足当今毫米级地球动态变化监测的需要的需要。毫米级地球参考框架的构建毫米级地球参考框架的构建 构建毫米级地球参考框架的两个关键：构建毫米级地球参考框架的两个关键： 地壳非线性周期运动的监测和模制地壳非线性周期运动的监测和模制 地球质心周期运动的监测和模制地球质心周期运动的监测和模制构建毫米级地球参考框架存在的问题构建毫米级地球参考框架存在的问题 目前构建毫米级地球参考框架

2、的精度评估目前构建毫米级地球参考框架的精度评估ITRF2005ITRF2005不是一个毫米级地球参考框架不是一个毫米级地球参考框架目前最新地球参考框架目前最新地球参考框架ITRF2005的参考站的位置仍由下式定义：的参考站的位置仍由下式定义： 式中式中 为为t时基准站时基准站i的坐标矢量，的坐标矢量， 为历元坐标矢量，为历元坐标矢量， 为相应的速度矢量，为相应的速度矢量， 为残差矢量。目前最新的国际地球参考架为残差矢量。目前最新的国际地球参考架ITRF2005提供的提供的 、 可达毫米级，但可达毫米级，但由于残差矢量由于残差矢量 包含包含了地壳非线性周期运动（主要是高程方向的周年运动，较大的年

3、了地壳非线性周期运动（主要是高程方向的周年运动，较大的年振幅可达振幅可达1厘米），致使由上式生成的厘米），致使由上式生成的 达不到毫米级。达不到毫米级。这样这样定义的地球参考框架显然已不能满足当今毫米级地球动态变化监定义的地球参考框架显然已不能满足当今毫米级地球动态变化监测的需要。测的需要。 )()()(00ttVtXtXiii)(tXi)(0tXiiV)(0tXiiV)(tXi图图 由由ITRF2005ITRF2005给出的给出的URUMURUM等等GPSGPS基准站站坐标基准站站坐标（东向、北向、垂向）的残差图（东向、北向、垂向）的残差图 ITRF2005ITRF2005基准站站坐标（东向

4、、北向、基准站站坐标（东向、北向、垂向）的残差分布有下面三个特征垂向）的残差分布有下面三个特征站坐标线性拟合后的残差可达厘米级，主要出现在站坐标线性拟合后的残差可达厘米级，主要出现在垂直方向；垂直方向；站坐标线性拟合后的残差图像明显呈现周期变化信站坐标线性拟合后的残差图像明显呈现周期变化信息（主要是垂向的周年运动）；息（主要是垂向的周年运动）；扣除了站坐标垂向的周年变化信息后，站坐标的残扣除了站坐标垂向的周年变化信息后，站坐标的残差为毫米级。差为毫米级。 因此，实现毫米级地球参考框架的关键问题之一因此，实现毫米级地球参考框架的关键问题之一是：地壳垂向周年运动的监测和模制。是：地壳垂向周年运动的

5、监测和模制。构建毫米级的地球参考框架的构建毫米级的地球参考框架的另一个关键问题是地球质心运动另一个关键问题是地球质心运动 协议地球参考框架的原点定义为地球（包括大气和海洋）的质量中心。地球质心的运动使协议地球参考系物理框架的地壳（与质量无关）相对于质心是运动的， ITRF2005将参考架原点定义为历元2000.0的地球质心，并给出了ILRS解的原点相对ITRF2005原点的变化，实际上就是地球质心在ITRF2005内的运动。 地球质心的运动的地球物理机制（与整个地球表面流体圈中的大气和各态水的质量迁移有关）具有明显的周年运动特征。毫米级地球参考框架的构建毫米级地球参考框架的构建)(tXRiR新

6、的毫米级的地球参考框架的基准站坐标可由下式维持：新的毫米级的地球参考框架的基准站坐标可由下式维持： （2）式中式中 为可模型化的各种周期运动（主要是高程方向的为可模型化的各种周期运动（主要是高程方向的周年运动），周年运动）， 为地球质心的运动。为地球质心的运动。 和和 的的监测和模制就是建立和实现毫米级地球参考框架关键问题之一监测和模制就是建立和实现毫米级地球参考框架关键问题之一。)()()()()(000tXtXttVtXtXRiRiii)(tXRiR)(0tX)(0tX)(tXRiR)(tXRiR地壳非线性运动特征地壳非线性运动特征 的监测和建模的监测和建模 的空间技术监测的空间技术监测

7、的地球物理因素模制的地球物理因素模制 的的GRACE等低轨卫星的监测等低轨卫星的监测)(tXRiR)(tXRiR)(tXRiR)(tXRiR 的空间技术监测的空间技术监测GPS等空间技术发展至今三十年，全球数百个等空间技术发展至今三十年，全球数百个ITRF的空间技术基准站已建立甚好的站坐标时的空间技术基准站已建立甚好的站坐标时间序列。利用间序列。利用ITRF2005提供的全球数百个基准提供的全球数百个基准站（主要是站（主要是IGS站）的时间序列，经过精密的频站）的时间序列，经过精密的频谱分析，可获取这些基准站谱分析，可获取这些基准站 的可靠信的可靠信息。息。)(tXRiR)(tXRiR台站台站

8、BJFSKMINLHASSHAOWUHNURUM周年振幅周年振幅 N1.7 1.3 2.11.3 1.7 0.4E0.9 1.1 0.50.6 0.6 0.6U6.2 8.8 4.73.9 4.6 6.4周年相位周年相位 N207.5 170.2 35.4191.9 176.1 284.3E188.1 293.4 78.7228.4 270.8 70.9U274.6 2.5 7.08275.1 325.6 269.0半年振幅半年振幅 N0.7 0.8 0.20.9 0.9 0.4E0.4 1.3 0.60.8 1.2 0.2U1.9 2.9 2.12.4 1.2 0.6半年相位半年相位 N16

9、1.7 156.0 153.4140.8 155.7 176.1E32.0 50.0 55.7114.0 90.8 52.6U65.8 55.2 65.080.5 72.5 9.7中国中国IGS站非线性周期运动特征站非线性周期运动特征地壳非线性周期运动的特征地壳非线性周期运动的特征地壳水平和高程方向均呈现周年和半年周期运动特征，地壳水平和高程方向均呈现周年和半年周期运动特征，高程方向振幅明显大于水平方向，水平方向的振幅一高程方向振幅明显大于水平方向，水平方向的振幅一般不超过般不超过2毫米。毫米。高程方向的周期运动以周年运动为主，周年振幅比半高程方向的周期运动以周年运动为主，周年振幅比半年振幅大

10、年振幅大2至至3倍，最大可超过倍，最大可超过1厘米。厘米。根据目前空间技术的观测精度，要获取振幅仅为根据目前空间技术的观测精度，要获取振幅仅为1-2毫米的水平方向周期运动或高程方向半年运动的可靠毫米的水平方向周期运动或高程方向半年运动的可靠结果尚有困难。结果尚有困难。结论是：目前毫米级地球参考框架的构建，主要是监测结论是：目前毫米级地球参考框架的构建，主要是监测 和模制高程方向的周年运动。和模制高程方向的周年运动。 的空间技术监测以的空间技术监测以GPSGPS为主为主为了能在站坐标时间序列中分离出高程方向周年运动的可靠信息，为了能在站坐标时间序列中分离出高程方向周年运动的可靠信息，对站坐标时间

11、序列的长度和密集度有一定的要求，这些要求对大多对站坐标时间序列的长度和密集度有一定的要求，这些要求对大多数数GPS基准站均能满足。但对基准站均能满足。但对VLBI、SLR来说，由于观测条件限来说，由于观测条件限制，仅有少数制，仅有少数VLBI、SLR基准站站坐标时间序列能满足这样的要求。基准站站坐标时间序列能满足这样的要求。因此，在构建毫米级地球参考框架中，地壳非线性运动特征的监测因此，在构建毫米级地球参考框架中，地壳非线性运动特征的监测主要还是靠主要还是靠GPS基准站。基准站。 VLBI、SLR技术可作为检核技术可作为检核GPS监测结监测结果一种手段。困难在于由于果一种手段。困难在于由于GP

12、S观测技术的复杂性观测技术的复杂性 ，GPS测定的测定的地壳运动结果中包含地壳运动结果中包含GPS技术本身存在的问题引起的技术本身存在的问题引起的“伪地壳运伪地壳运动动” 。为此，。为此，GPS监测到的周期运动，必须通过其它技术手段进监测到的周期运动，必须通过其它技术手段进行检核和确认。行检核和确认。 )(tXRiRGPSGPS，VLBIVLBI，SLRSLR监测结果间的比对和检核监测结果间的比对和检核DOMES号号 技术分类（站号）技术分类（站号） 周年振幅周年振幅 周年相位周年相位 半年振幅半年振幅 半年相位半年相位21605 GPS（SHAO） 4.9 262.1 1.9 124.521

13、605 VLBI（7227） 5.6 295.8 0.8 150.421605 SLR（7837） 5.9 298.6 1.8 144.921611 GPS（CHUN） 3.3 287.0 2.0 91.421611 SLR（7237） 3.7 309.6 2.8 183.5 30302 GPS(HRAO) 3.0 91.1 1.0 262.630302 VLBI(7232) 4.6 104.5 1.6 218.330302 SLR（7501） 4.1 92.2 1.2 217.741602 GPS（FORT） 2.8 87.1 1.1 150.941602 VLBI（7297） 3.2 68

14、.5 2.1 93.540104 GPS（ALGO） 2.6 213.6 0.9 148.240104 VLBI（7282） 3.0 203.0 0.3 90.640424 GPS（KOKB） 3.7 -0.0 1.1 -2.340424 VLBI（7298） 2.6 22.5 0.5 112.149914 GPS（AOML） 3.4 -18.1 2.0 126.149914 VLBI（7219） 2.9 13.0 1.0 224.450107 GPS（YAR1） 7.0 66.5 1.3 148.850107 SLR（7090） 6.6 65.1 0.3 15.0GPS、VLBI、SLR监测

15、结果的比对监测结果的比对 对周年运动来说，对周年运动来说，GPS、VLBI、SLR不同不同技术的监测结果的符合程度还是相当高的，其技术的监测结果的符合程度还是相当高的，其振幅的最大偏差不超过振幅的最大偏差不超过2毫米，相位的最大偏毫米，相位的最大偏差不超过差不超过60度度，这使我们对，这使我们对GPS监测地壳垂监测地壳垂向周年运动的可靠程度有了一定的把握；而对向周年运动的可靠程度有了一定的把握；而对半年周期运动的符合程度就较差，这说明目前半年周期运动的符合程度就较差，这说明目前GPS等空间技术的监测精度尚难于获取地壳半等空间技术的监测精度尚难于获取地壳半年周期运动的可靠信息。年周期运动的可靠信

16、息。 的地球物理因素模制的地球物理因素模制地壳（主要是垂向）的周年运动，其地球物理机制地壳（主要是垂向）的周年运动，其地球物理机制与地球表面流体圈中的大气和各态水的质量迁移引与地球表面流体圈中的大气和各态水的质量迁移引起的地表负荷变化（主要包括大气的质量负载、非起的地表负荷变化（主要包括大气的质量负载、非潮汐海洋质量负载、积雪和土壤湿度的质量负载等）潮汐海洋质量负载、积雪和土壤湿度的质量负载等）有关，这些地球物理因素的综合影响可模制出测站有关，这些地球物理因素的综合影响可模制出测站高程方向周年变化信息，可用作高程方向周年变化信息，可用作GPS监测结果的比监测结果的比较和检核。较和检核。)(tX

17、RiR 的地球物理因素模制的地球物理因素模制 为此，国际地球自转服务为此，国际地球自转服务IERS下属的下属的GGFC（Global Geophysical Fluids Center）于）于2002年成年成立了立了SBL（Special Bureau for Loading）工作组，）工作组，其目的就是为其目的就是为IERS提供地球表面各种物质负载影响的提供地球表面各种物质负载影响的可靠信息。利用这些地球物理因素的综合影响模制出可靠信息。利用这些地球物理因素的综合影响模制出测站高程方向周年变化信息，可用作测站高程方向周年变化信息，可用作GPS等空间技术等空间技术监测结果的比较和检核。监测结果

18、的比较和检核。)(tXRiRCSR站名站名负载负载年振幅年振幅精度精度年相位年相位精度精度半年振半年振幅幅精度精度半年相半年相位位精度精度SHAO上海 大气土壤湿度积雪 2.632.631.741.740.100.100.030.030.030.030.000.00276.64276.64 7.99 7.99254.07254.070.630.631.001.001.231.230.220.220.640.640.040.040.030.030.030.030.000.00 15.82 15.82 76.2776.27113.98113.983.833.831.351.351.531.53WU

19、HN武汉 大气土壤湿度积雪 4.924.922.482.480.120.120.050.050.040.040.000.00279.77279.77 16.0516.05253.85253.850.580.580.890.891.151.150.760.760.640.640.050.050.050.050.040.040.000.00 22.42 22.42 82.2782.27113.10113.101.881.881.711.711.291.29URUM乌鲁木齐 大气土壤湿度积雪 4.234.231.501.500.650.650.050.050.030.030.010.01287.52

20、287.52130.97130.97251.05251.050.800.801.051.051.111.111.251.250.910.910.380.380.060.060.030.030.010.01 23.27 23.27 6.47 6.47103.05103.051.351.350.860.860.950.95LHAS拉萨 大气土壤湿度积雪 1.771.773.963.960.080.080.030.030.020.020.010.01326.02326.02 19.3219.32355.96355.961.051.050.210.216.326.320.950.950.890.890

21、.090.090.030.030.020.020.010.01 28.90 28.90 91.0091.00 89.9189.910.980.980.540.542.742.74BJFS北京 大气土壤湿度积雪 4.524.521.521.520.640.640.060.060.020.020.010.01288.95288.95 5.095.09247.65247.650.750.750.910.910.670.670.800.800.400.400.180.180.060.060.020.020.010.01 30.38 30.38 69.5469.54110.64110.641.241.2

22、41.711.711.191.19大气、土壤湿度和积雪负载等地球物理因素引起上海等大气、土壤湿度和积雪负载等地球物理因素引起上海等中国中国IGS站地壳垂向周期运动站地壳垂向周期运动站名站名负载负载年振幅年振幅精度精度年相位年相位精度精度半年振半年振幅幅精度精度半年相半年相位位精度精度KUNM昆明大气土壤湿度积雪 2.502.507.017.010.050.050.030.030.030.030.000.00296.02296.02 3.16 3.16259.63259.630.790.790.230.231.671.670.220.220.640.640.040.040.030.030.030

23、.030.000.00 25.64 25.64 92.9492.94120.98120.981.231.230.680.681.931.93CHUN长春大气土壤湿度积雪 3.973.970.980.980.910.910.060.060.020.020.010.01290.37290.37 15.0915.09246.65246.650.900.901.521.520.930.930.760.760.640.640.050.050.060.060.030.030.010.01 29.60 29.60 80.3680.36108.78108.783.333.331.401.401.451.45X

24、IAN西安大气土壤湿度积雪 4.084.082.352.350.300.300.050.050.030.030.000.00290.04290.04 4.97 4.97248.38248.380.800.801.051.051.111.110.720.720.830.830.920.920.050.050.030.030.000.00 26.07 26.07 54.7954.79109.18109.181.601.603.993.991.621.62大气、土壤湿度和积雪负载等地球物理因素引起上海等大气、土壤湿度和积雪负载等地球物理因素引起上海等中国中国IGS站地壳垂向周期运动站地壳垂向周期运动

25、周年振幅（毫米）周年振幅（毫米）周年相位（度）周年相位（度）测站测站GPSNCEPECMWFGPSNCEPECMWFSHAO3.93.14.2275.1310.5301.7BJFS6.25.56.1274.6300.1295.8CHUN4.14.75.5286.8294.4291.3KUNM8.88.38.42.5347.1344.5LHAS4.75.25.114.73.52.7URUM6.43.54.1269.0271.3270.4WUHN4.65.25.7295.3307.7304.5XIAN5.95.66.2285.4310.1305.0测站垂向周年运动测站垂向周年运动GPS实测结果与地

26、球物理因实测结果与地球物理因素模制（素模制（NCEP，ECWMF）结果的比对）结果的比对 的的GRACEGRACE等低轨卫星监测等低轨卫星监测近几年发射的用星载近几年发射的用星载GPS定轨的定轨的CHAMP、GRACE低轨道卫星低轨道卫星成为监测地壳高程方向周年运动的新手段。利用成为监测地壳高程方向周年运动的新手段。利用GEACE卫星获卫星获取的地球引力场球谐系数（取的地球引力场球谐系数（ ）周年变化特性，可计算地）周年变化特性，可计算地壳高程方向周年运动的振幅。这时纬度为壳高程方向周年运动的振幅。这时纬度为 ，经度为，经度为 的地的地面点，其高程方向周年运动的振幅面点，其高程方向周年运动的振

27、幅 可表为：可表为：式中式中 为地球半径，为地球半径， 为缔合勒让德多项式，为缔合勒让德多项式， 为球谐为球谐系（系（ ）周年振幅，）周年振幅， 和和 分别为分别为 阶的弹性引力和阶的弹性引力和垂向负载洛夫数。垂向负载洛夫数。 )(tXRiRlmlmS,C),(ar sincos)(sin)1(),(,mSmCPkharalmalmlmElElmlaalmPalmalmSC ,lmlmS,CElkElhl 的的GRACEGRACE等低轨卫星监测等低轨卫星监测Davis,J.等人利用2002.4-2004.4两年的GRACE资料计算了地壳垂向周年运动的振幅，并于GPS的监测结果进行了比较，发现两

28、者符合程度甚好，其加权的RMS为1.5毫米。 )(tXRiR GPS监测和地球物理模制中存在的问题监测和地球物理模制中存在的问题GPS监测存在的问题监测存在的问题 GPS技术本身存在的问题可引起的技术本身存在的问题可引起的“伪地壳周年运动伪地壳周年运动”地球物理因素模制地球物理因素模制 地球物理因素模制精度的问题地球物理因素模制精度的问题 地球物理因素逐年变化的问题地球物理因素逐年变化的问题)(tXRiRGPS技术本身存在的问题可引起的技术本身存在的问题可引起的“伪地壳周年运动伪地壳周年运动” GPS技术本身可能存在的周年效应技术本身可能存在的周年效应 ：GPS卫星辐射压摄动的周年效应卫星辐射

29、压摄动的周年效应 GPS测站与测站与GPS星座几何构型的周年效应星座几何构型的周年效应 GPS卫星天线相位中心偏差的不确定性卫星天线相位中心偏差的不确定性 GPS站坐标单天解时间序列中未被模制的地壳周日变化站坐标单天解时间序列中未被模制的地壳周日变化或低于周日的周期变化或低于周日的周期变化,可引起可引起GPS高程时间序列高程时间序列“虚假虚假”的长波变化，周期从的长波变化，周期从2星期到年。通过对全球星期到年。通过对全球90个个IGS站站的考察，虽然对大部分测站这种的考察，虽然对大部分测站这种“虚假虚假”的长波变化的长波变化（年变化和半年变化）的量级小于（年变化和半年变化）的量级小于1毫米，但

30、也有影响较毫米，但也有影响较大的测站。他们的研究工作已在国际上得到确认。这一大的测站。他们的研究工作已在国际上得到确认。这一研究成果使研究成果使GPS技术监测地壳垂向周期运动的可靠性更技术监测地壳垂向周期运动的可靠性更为复杂化。为复杂化。 地球物理因素模制方面可能存在的问题地球物理因素模制方面可能存在的问题 地球物理因素的精确模制方面存在的问题地球物理因素的精确模制方面存在的问题 虽然由各类质量负载引起的地球弹性形变的估算，目前国际上均采用格虽然由各类质量负载引起的地球弹性形变的估算，目前国际上均采用格林函数处理方法。但由于建立模型时所用的格网地表气象资料、水文资林函数处理方法。但由于建立模型

31、时所用的格网地表气象资料、水文资料和海洋资料的不同，不同模型估算的地壳垂向周年运动的振幅和相位料和海洋资料的不同，不同模型估算的地壳垂向周年运动的振幅和相位会出现一些明显的差异。以大气负载为例，分别用美国的会出现一些明显的差异。以大气负载为例，分别用美国的NCEP和欧盟的和欧盟的ECMWF模型算出的模型算出的SHAO等站由大气负载引起的垂向周年运动如下：等站由大气负载引起的垂向周年运动如下：大气（大气（N）大气（大气（E） SHAOWUHNURUMBJFSXIANKUNMLHAS年振幅年振幅 2.633.864.925.494.234.774.525.264.084.792.502.861.7

32、71.70精度精度0.030.040.050.050.050.060.060.060.050.060.030.040.030.03年相位年相位 276.64277.32 279.77279.09287.52284.95288.95285.49290.24286.10296.02292.78326.02320.82精度精度0.630.590.580.560.800.760.750.710.720.680.790.741.051.17SHAO站大气负载引起垂向运动站大气负载引起垂向运动NCEP与与ECMWF模型模制结果的比对模型模制结果的比对GPS的实测结果的实测结果地球物理因素模制方面可能存在的

33、问题地球物理因素模制方面可能存在的问题大气、积雪、土壤贮水量大气、积雪、土壤贮水量 等地球物理因素逐年变化的问题等地球物理因素逐年变化的问题 在估算质量负载引起的高程方向周年变化，所用的振幅和在估算质量负载引起的高程方向周年变化，所用的振幅和相位均是取自多年资料拟合得到的平均地球物理模型所给出相位均是取自多年资料拟合得到的平均地球物理模型所给出的振幅和相位。根据小波分析，每种地球物理因素在不同的的振幅和相位。根据小波分析，每种地球物理因素在不同的年份有不同强度，呈现最强的日期和月份也不一样年份有不同强度，呈现最强的日期和月份也不一样, 振幅和振幅和相位都不一样（下图）。近相位都不一样（下图）。

34、近40年间振幅最大偏差达年间振幅最大偏差达2毫米，毫米，相位最大偏差达相位最大偏差达30度。度。 地球质心运动特征地球质心运动特征 的监测和建模的监测和建模 的的 SLR 技术监测技术监测 的地球物理因素模制的地球物理因素模制 的的GRACE等低轨卫星的监测等低轨卫星的监测)(0tX)(0tX)(0tX)(0tX图图 ILRS解的原点（即地球质心）、尺度相对于解的原点（即地球质心）、尺度相对于ITRF2005的变化的变化 ILRS解的原点（即地球质心）相对于解的原点（即地球质心）相对于ITRF2005的变的变化，是迄今化，是迄今SLR技术监测地球质心运动时间序列，精度最技术监测地球质心运动时间序列，精度最高、最可靠的时间序列，由此可获取地球质心周年运动的高、最可靠