CHT 2015-2018 卫星激光测距 数据处理规范

卫星激光测距数据处理规范中华人民共和国自然资源部发布 l I 2规范性引用文件 3术语和定义 14缩略语 25产品要求 25.1产品内容 25.2产品精度 25.3产品格式 36数据处理 36.1一般原则 6.2数据准备 6.3观测模型 6.4动力学模型 6.5解算策略 77精度评定 7.1卫星激光测距观测数据精度评定 87.2地球自转参数精度评定 87.3地心运动参数精度评定 87.4测站坐标及速度精度评定 8附录A(规范性附录)观测模型 附录B(规范性附录)动力学模型 本标准是“卫星激光测距”系列标准的第二项标准，第一项、第三项标准分别为《卫星激光测距数据获取规范》和《卫星激光测距数据库建设规范》。本标准的起草规则依据GB/T1.1—2009。本标准由中华人民共和国自然资源部提出并归口。本标准起草单位：中国测绘科学研究院、中国科学院上海天文台、山东科技大学、中国矿业大学。本标准主要起草人：赵春梅、王小亚、郭金运、王潜Ⅱ大地基准的建立和维持，不仅为当今经济和国防建设提供精确定位和定向服务，还为开展地球科学研究提供极其重要的参考基准。卫星激光测距是建立与维持大地基准重要的观测手段，卫星激光测距数据处理规范关系到成果的质量和应用。为了指导卫星激光测距数据处理，以及生产建立和维持地球参考框架所需的地球自转参数、地心运动、测站坐标及速度等大地基准产品，制定本标准。1卫星激光测距数据处理规范本标准规定了卫星激光测距数据应用中的产品要求、数据处理和精度评定，确立了相关大地基准产本标准适用于卫星激光测距数据处理及相关大地基准产品的生产及应用。2规范性引用文件下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅所注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。GB/T17159—2009大地测量术语IERS规范(2010)规定国际地球自转和参考系统服务的规范(InternationalEarthRotationand3术语和定义下列术语和定义适用于本文件。利用激光测距仪在地面上跟踪观测装有激光反射棱镜的卫星，以测定测站到卫星的距离的测量技术和方法。[GB/T17159—2009,定义6.82]站心坐标系topocentricco以测站为原点的坐标系。[GB/T17159—2009,定义3.66]国际地球参考框架internationalterrestrialreferenceframe;ITRF国际地球参考系统的实现。由国际地球自转和参考系统服务根据空间大地测量技术，包括甚长基线干涉测量、卫星激光测距、多里斯系统、全球导航卫星系统等，所确定的相标及速度集。卫星激光测距参考框架satellitelaserreferenceframe;SLRF根据卫星激光测距技术确定的相对于特定参考历元的卫星激光测距测站坐标及速度集，是地球参考系的一种实现。[GB/T17159—2009,定义3.72]2地球质心相对地球参考框架协议原点的位移。地球自转参数earthrotationparame表示地球自转的速率、自转轴方向及其变化的参数。地球定向参数earthorientationparameters;EOP表示地球参考系统相对于天球参考系统的定向参数。4缩略语下列缩略语适用于本文件。CSR美国空间研究中心(CenterforSpaceResearch)CSV逗号分隔值文件格式(commaseparatedvalues)ILRS国际激光测距服务(InternationalLaserRangingService)IAG国际大地测量学会(InternationalAssociationofGeodesy)LOD日长(lengthofday)SINEX独立解交换格式[solution(software/technique)independentexchangeformat]5产品要求卫星激光测距大地基准产品包括地球自转参数、测站坐标及速度、地心运动参数。地球自转参数包括极移、日长参数及其精度，以及对应的观测历元。测站坐标及速度包括测站编号、名称、在特定参考框架下对应观测历元的站坐标和速度及其精度。地心运动参数包括地球瞬时质量中心相对地球参考框架协议原点的位置及其精度，以及对应的观测历元。地球自转参数精度要求见表1。实际应用中，可以表1至表3中精度的2倍为标准。3表1地球自转参数精度要求日长对于不少于5年连续观测的卫星激光测距测站，其测站坐标及速度精度要求见表2。表2测站坐标及速度精度要求地心运动参数精度要求见表3。表3地心运动参数精度要求地心运动5.3产品格式卫星激光测距大地基准产品应采用CSV格式或SINEX格式。产品格式及内容要求见表4。表4产品格式及内容要求内容要求SINEX格式解算模块：观测历元、统计信息、参数先验值、参数估计结果、方差6数据处理6.1一般原则数据处理应遵循以下原则：4a)采用地球动力学卫星观测数据计d)数据处理模型遵循IERS规范(2010)。p¹=p₀+(△pm+△PRF+△PRL+△PAc+ (1)pp△pm——潮汐引起的测站位置变化而导致的测距误差，是系统观测误差之一，误差改正计算见测站坐标应采用IERS提供的国际地球参考框架或卫星激光测距参考框架最新序列，如目前的5测站位置变化。其改正模型应符合最新IERS规范，如目前的IERS规范(202)极潮改正。极潮是由地球自转不均匀测站位置变化。其改正模型应符合最新IERS规范，如目前的IERS规范(2010),具体模c)相对论效应改正。广义相对论效应使激光在地球引力场中传播时发生引力时延。对于力学卫星，激光测距引力时延可达厘米量级，数据处理中应考虑其影响，具体模型见公式(A.9)。d)卫星质心改正。由于激光反射器中心相对于卫星质心存在偏差，故须对激光测距进行卫星质心改正。卫星质心改正模型取决于卫星的外形、激光测站系统运行方式，该项改正随卫星而异，常用的几个地球动力学卫星质心改正模型见e)系统偏差改正。卫星激光测距系统偏差包括系f)测站偏心改正。卫星激光测距仪的测量中心相对于测站标定坐标之间的偏差就是测站偏心改f=fm+fm+fws+fm+fgn+fsr+fer+foc+frh (2)6太阳直射到卫星表面产生太阳辐射压摄动。对形状复杂的卫星，可将其分为若干个平面分别进行计算，然后矢量求和得到所受到的太阳辐射压摄动加速度，具体模型见公式(B.2)。对型见公式(B.3)。大气阻力摄动是大气对卫星运动产生的阻力而引起的卫星摄动，其模型见公式(B.4)。对于有太阳帆板的卫星，需要同时考虑太阳帆板产生的大气阻力，其模型见公式(B.5)。地球形状摄动是由地球形状不规则和质量分布不均造成的附加摄动。在地固坐标系中，该摄动对应的引力位计算模型见公式(B.6)。固体潮使地球引力位发生变化，从而对卫星轨道产生固体潮摄动。固体潮模型可以瓦尔(Wahr)固体潮汐模型为基础，考虑液核的动力学影响，对不同的分潮波(主要是全日波)采用不同的勒夫数。勒夫数应随分潮波频率的不同而不同，其模型应符合最新IERS规范，如目前的IERS规范(2010)。具体模型见公式(B.7)、公式(B.8)、公式(B.9)。海潮使地球引力位发生变化，从而对卫星轨道产生海潮摄动。应采用海潮模型，通过修正地球引力位系数计算海潮摄动，其模型应符合最新IERS规范，如目前的IERS规范(2010)。具体模型见公式大气潮使地球引力位发生变化，从而对卫星轨道产生大气潮摄动。应采用大气潮模型，通过修正地球引力位系数计算大气潮摄动，其模型应符合最新IERS规范，如目前的IERS规范(2010)。具体模型见公式(B.11)、公式(B.12)。地球自转产生的离心力引起地球体积和密度分布的变化，进而使卫星轨道摄动产生一个附加摄动。地球辐射压摄动包括地球反照辐射压摄动和红外辐射压摄动，具体模型见公式(B.14)、公式月球J2项扁率摄动是将月球视作扁球体时月球对卫星产生的附加摄动。具体模型见公式(B.18)、公式(B.19)。76.4.8地球扁率间接摄动地球扁率间接摄动是将地球视作扁球体时地球对卫星产生的间接附加摄动。具体模型见公式6.4.9广义相对论效应摄动由于广义相对论效应，卫星在地球质心为原点的局部惯性坐标系中的运动方程将不同于仅考虑牛顿引力场时的运动方程，这种差异可看作卫星受到了一个附加摄动。由于太阳引力场对卫星产生的相对论效应摄动加速度较小，故可只考虑地球引力场引起的广义相对论效应摄动。具体模型见公式6.4.10经验力摄动在卫星激光测距数据处理中，摄动模型不精确或者未考虑摄动源的影响[如星际尘埃阻力、引力辐射、坡印亭-罗伯逊(Poynting-Robertson)效应、带电大气阻力等]导致经验力摄动(或类阻力摄动)。根据实际需要，可在沿迹向、法向或径向上引入改正，其周期通常采用卫星轨道周期。具体模型见公式6.5解算策略6.5.1基本流程卫星激光测距大地基准产品解算的基本流程包括数据预处理、参数解算、精度评定。解算基本流程图1解算基本流程6.5.2基本策略基本策略如下：a)所选的卫星激光测距观测数据解算应以地球动力学卫星的卫星激光测距标准点数据为主，宜采用多星观测数据联合解算；b)观测模型应符合6.3的规定；c)动力学模型应符合6.4的规定；8d)重力场模型采用IERS或IAG推荐的最新模型；e)大地基准参数应与其他末知参数一同进行解算，其中动力学参数和几何参数须根据实际情况进行参数个数和估计策略的调整；f)SINEX解应具有一定的时间连续性，地球自转参数解应每天1组，卫星激光测距测站坐标解应每7天1组，地心运动解应每30天1组。7精度评定7.1卫星激光测距观测数据精度评定卫星激光测距观测数据精度按公式(3)计算，即M₁=√Dπ…………(3)M₁——观测量的内符合精度；Dπ——观测量的方差。7.2地球自转参数精度评定地球自转参数精度按公式(4)计算，即 (4)MERP,y——地球自转参数在j分量上的精度；j——地球白转参数包括极移分量(xp,yp)和日长dton,j-xp,yg,dton;n——地球自转参数解的个数；Ä..,——第i个地球自转参数解在j分量的估计值；X:,j——第i个地球自转参数解在j分量的参考值。7.3地心运动参数精度评定地心运动(GCM)参数精度按公式(5)计算，即 (5)Mccn,/——地心运动位移量在j方向上的精度；n——地心运动位移解的个数；8.,——第i个地心运动位移解在j方向的估计值；X.,——第i个地心运动位移解在j方向的参考值。7.4测站坐标及速度精度评定a)测站(STA)坐标及速度参数估计精度按公式(6)计算，即 (6)9Dsrʌ,;——测站坐标或速度在j方向上的方差；X!——第i个测站坐标或速度j方向的参考值。MsrA=√MSrAx+MSrA,y+MSrA,(规范性附录)观测模型A.1潮汐改正A.1.1固体潮改正模型据瓦尔(Wahr)理论，当二次勒夫(Love)下三步修正测站位置：a)计算潮汐形变引起的测站位移，即△rsTA——潮汐形变引起的测站位移；rsTA——测站在地固坐标系中的位置矢量；rsTA——测站在地固坐标系中的地心距；r;——月亮(j-1)或太阳(j-2)在地固坐标系中的位置矢量；r;——月亮(j=1)或太阳(j=2)在地固坐标系中的地心距G——万有引力常量；Me——地球质量；GMe——地球引力常数；GM;——月亮(j=1)或太阳(j=2)在地固坐标系中引力常数。b)计算与频率有关项，此处仅需要考虑k1频率项(对应杜德森数为165.555)引起的径向位移，计算公式为δhfTA=-0.0253sing'cosq'sin(0,+λ)δhíTA——k₁频率引起的径向位移；q'——测站的地心纬度；0₈——格林尼治真恒星时。c)对尚未做零频率位移改正的测站进行径向与北向位移改正，即δNSTA——站心坐标系中的北向位移；φ'——测站的地心纬度。A.1.2极潮改正模型极潮改正模型为xp——极移x分量；X;(t)——t时刻主要分潮波(j)的天文学参数。ka——238.0185μm-²;b)非流体静态力学部分的改正公式为dn——非流体静态(nh)力学部分的对流层天顶(z)延迟；P。——测站水气压。A.2.2映射函数映射函数为m(e)——映射函数；aio——(12100.8±1.9)×10-';a13——(-1847.8±6.5ts——测站的温度；φ——测站的大地纬度；H——测站的大地高。A.3相对论效应改正模型广义相对论效应改正通常只考虑由太阳和地球引力场引起的相对论效应改正，即式中：△s——太阳引力场引起的相对论效应改正；△E——地球引力场引起的相对论效应改正；△prn——由太阳和地球引起的相对论效应改正；G——万有引力常量；r₁——太阳到卫星的距离；r₂——地球到卫星的距离；R₁——太阳到测站的距离；R₂——地球到测站的距离；p——卫星与测站的距离；γ——相对论效应修正因子，可作为被估计量，正常值γ=1。A.4卫星质心改正表A.1给出了常用地球动力学卫星LAGEOS-1/2和Etalon-1/2的质心改正模型。其中，测站不表A.1不同测站卫星质心改正CII/T20av——N体摄动加速度；0:——面元i的法向与卫星到太阳方向之间的夹角；PsR——作用在离太阳一个天文单位处黑体上的太阳辐射压强；m——卫星的质量；CR——卫星的表面反射系数；A——卫星的表面积；γ——地影因子,a是太阳被蚀的视面积，b是太阳视面积，当卫星在日光中时γ在本影中时γ=0;G——万有引力φ——测站的大地纬度9,——太阳或月亮在地固坐标系中的地心纬度b)计算和频率有关的二阶项改正。二阶项潮汐改正主要考虑21个长周期、48个日周期和2个δk,—k在频率ʃ处的值k,与其标准值kzm之差；H,——频率ʃ项的振幅；△CE⁵=4.4228×10-⁸(-0.31460)k2o△Cm——永久潮汐二阶改正项；△C,,m——海潮引起的球谐系数(余弦项)改正值；△S,——海潮引起的球谐系数(正弦项)改正值；C——f分潮波振幅(余弦项),取IERS规范(2010)表格值S,—f分潮波振幅(正弦项),取IERS规范(2010)表格值；0;(t)——t时刻ʃ分潮波相位。B.4.4大气潮摄动由大气潮摄动引起的球谐系数改正为(△C,,m)Ar——大气潮引起的球谐系数(余弦项)改正值；(△S,m)Ar——大气潮引起的球谐系数(正弦项)改正值：n——杜德森系数；gE——地表平均重力加速度；G——万有引力常数；Pw——海水的平均密度；δo,m——海潮分潮波相位；0₂—μ分潮波相位；C,m——μ分潮大气潮汐系数(余弦项);S击。——μ分潮大气潮汐系数(正弦项)。大气潮一般只需考虑S₂波的改正，n=2、m=2,具体计算时可在海潮摄动中进行改正，即B.4.5地球自转形变附加摄动由地球自转形变附加摄动引起的球谐系数改为(△S₂,1)go——地球自转形变摄动引起地球引力系数S₂,1的变化量；a)计算地球反照率A₁和地球红外辐射率Em,即t₀——周期项的起始历元；an——地球反照辐射压摄动加速度；agw——红外辐射压摄动加速度；aeR——地球反照辐射压摄动加速度与红外辐别压摄动加速度之和；w——积分区域，即地球被卫星可见的部分；au——天文单位；ds——面积元；rs——太阳至地球的距离；ps——卫星受照表面的反射系数；S——地球反照和红外辐射压摄动中应考虑的卫星截面积；m——卫星质量；0s——太阳入射角；α——ds的法线与p间的夹角；p——面积元ds上地球反照和红外辐射对卫星的压力方向的矢量，其模为p;在实际计算中可采用近似方法，把卫星所见表面分成若干个面积元，计算出每个面积元对卫星的反照辐射压摄动加速度(daπ):和红外辐射压摄动加速度