高精度國際地球參考框架的研究進展

余新平，譚 凱，趙 斌，王東振，余建勝

(中國地震局地震研究所(地震大地測量重點實驗室)，湖北 武漢 430071)

高精度國際地球參考框架的研究進展

余新平，譚 凱，趙 斌，王東振，余建勝

(中國地震局地震研究所(地震大地測量重點實驗室)，湖北 武漢 430071)

針對地球動力學等對毫米級國際地球參考框架的需求，介紹了國際地球參考框架的最新研究進展，探討了現今顧及測站非線性運動的國際地球參考框架的局限性，并在毫米級國際地球參考框架建立的方法和技術改進方面提出了一些見解，對高精度國際地球參考框架的實現具有一定的參考價值。

國際地球參考框架；毫米級；非線性運動；震后形變模型；地心運動

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的物理實現，它是由一系列基于特定的參考系統的點位坐標及其隨時間的變化都精確已知的基準點組成。只有基于長期的、高精度的地球參考框架，才能確定地球上任意點位精確的絕對位置及其變化。目前,理論背景最完善、精度最高、應用最廣泛的全球參考框架是國際地球參考框架(internatiaonal terrestrial reference frame,ITRF)，它為其他的全球和區域參考框架提供基準[1-2]。隨著GPS、SLR、VLBI、DORIS等空間大地測量技術的不斷改善和提高，它們在地球動力學方面得到廣泛應用。雖然目前國際地球參考框架已經達到厘米級的精度，但依然無法滿足全球性、大尺度范圍內的地球動力學研究對其毫米級精度的需求。因此，國際地球參考框架的維持更新與精化，最終使精度達到毫米量級，是現代大地測量學的重要任務[3]。

近幾十年來，在眾多學者的努力下，利用各種空間大地測量技術的改進以及各基準站觀測數據的持續積累，已使得高精度ITRF的建立成為可能。

1 ITRF發展概況

ITRF是由國際地球自轉與參考系統服務組織(International Earth Rotation and Reference Systems Service,IERS)通過全球分布的地面基準臺站，基于GPS、SLR、VLBI、DORIS等空間大地測量技術的持續觀測數據所建立的。IERS定義ITRF并給出實現這一理想定義的模型和方法，同時負責ITRF的維持更新與精化。

自1988年起，IERS已經發布了ITRF88、ITRF89、ITRF90、ITRF91、ITRF92、ITRF93、ITRF94、ITRF96、ITRF97、ITRF2000、ITRF2005和ITRF2008共12個版本的參考框架。其中，ITRF2005和ITRF2008是最具代表性的兩個參考框架，也是ITRF日漸成熟的標志。二者的實現均采用坐標時間序列和地球定向參數作為輸入數據，得到框架點的位置和線性速度以及與參考框架一致的地球定向參數,目前ITRF2008的原點的長期穩定性已優于1 m，尺度精度優于1.2[4-5]。由于測站數量及時間跨度的增加，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將補充2008—2013年5年間的觀測數據，并于2014年8月發布。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站實測數據時間跨度擴充到2014年[14-15]。

2 ITRF最新進展

2.1 ITRF2014簡介

2016年1月21日，IERS發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等空間大地測量技術觀測地面基準站，隨著其技術的不斷改進，實測數據的持續更新和積累，處理策略的進一步完善，ITRF2014無論是在數據數量與質量、時序模型的建立以及全球測站分布的優化等方面上均有所提高。

ITRF2014的輸入數據為IAG國際服務ILRS、IDS、IGS提供的衛星測量技術的周解，以及IVS提供的日解(站點坐標和地球定向參數EOP)。這4項技術觀測時間跨度分別是32、21.8、21和35 a，且基于這4項技術的時間序列已分別由各自分析中心對該技術解進行了綜合。

表1為IAG服務所提交的技術解基本情況[6]，從中可以看出，相較于ITRF2008、ITRF2014技術解所用時間序列跨度及基準臺站數均有較大增加。同時，ITRF2014還將各個并置站之間的連接數據(由并置站、IGN測量部門、Z.Altamimi收集并提供)與大氣載荷數據(由GGFC與基于NCEP的模型提供)作為輸入數據[6]。此外，為了優化基準臺站的全球分布和減少各種地震、設備更換等誤差對站點的影響，ITRF2014對站點數量及其分布進行了適當的調整。圖1即為ITRF2014所用到的站點分布情況。

表1 ITRF2014所用空間大地測量技術解的情況

2.2 ITRF2014與ITRF2008之間的轉換

為了確保ITRF2014與ITRF2008之間的聯系，對于多數應用而言，有必要評估兩框架之間的轉換參數的一致性。ITRF2014與ITRF2008間的轉換參數是由127個測站(其中包括89個GPS站、24個VIBL測站、8個SLR測站、2個DORIS測站)的實測數據計算而得。這些測站選擇的主要標準為：①有最佳的站點分布;②涉及盡可能多的VLBI、SLR、GPS和DORIS站;③兩框架之間的14個參數轉換驗后殘差符合最好[5,7]。ITRF2014與ITRF2008之間的轉換參數與速率見表2。

圖1 ITRF2014站點分布

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為用于計算ITRF2014與ITRF2008之間轉換參數的站點分布[8]。

圖2 計算轉換參數的站點

2.3 ITRF2014與ITRF2008的比較

由于空間大地測量技術的改進、時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。文獻[7]有對ITRF2008的介紹，它們的主要區別如下[6,8-10]：

2.3.1 框架參數定義

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

2.3.2 數據分析策略

ITRF2014在時間序列的疊加過程中，在足夠的時間跨度下，給出了臺站半年、一年期的預測信號，以及在建立時間序列的疊加正則方程組前，給出了震后形變模型進行修正，并應用到地震臺站，而ITRF2008并未考慮地震對建模的影響。

2.3.3 模型的改進

(1) 為提升地心運動觀測精度，ITRF2008在原有激光動力學衛星觀測的基礎之上，增加了地球低軌衛星進行聯合觀測，但由于低軌衛星的模型誤差以及GPS與DORIS對地心運動的解的抗差能力較弱，因此以ITRF2014在地心運動建模中，只基于SLR技術進行建模。

(2) 在對全球基準臺站進行非線性運動建模時，不僅對季節性周期項進行估計，ITRF2014還首次考慮了非潮汐大氣載荷，并對個體的大氣載荷模型進行了改進。

(3) ITRF2014首次以測站振幅的時間函數的形式給出震后形變模型。測站位置坐標可以用XPSD表示，歷元可用t表示，初始歷元用t0表示，因此測站位置坐標可以表示為

(1)

(2)

3 毫米級ITRF的實現展望

雖然最新推出的ITRF2014在參考框架定義、技術解處理策略、所用觀測數據時間跨度的增加及數據質量、測站非線性運動建模等各方面均有所改進和提高，但距離毫米級精度ITRF的實現還有一定差距。在理想地球參考系統的理論基礎上，毫米級國際地球參考框架的構建還需要解決測站非線性運動和地球質心運動的精確建模，以及多技術組合算法的完善這三大主要問題[12]。

3.1 測站非線性運動建模

3.1.1 季節性非線性變化建模

大量研究表明，幾乎所有的國際地球參考框架全球站點坐標時間序列都會有明顯的周年、半周年，甚至更長時間的周期性運動和其他非線性運動趨勢，以及跳躍與野值。通常認為引起測站季節性變化的影響因素包括地球物理效應(大氣壓、非潮汐海洋壓力、大陸儲水量的變化、冰后回彈等)及與空間大地測量技術(GPS、SLR、VLBI、DORIS等)有關的系統誤差[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、大陸儲水量的變化等環境負載引起的形變信息的近實時全球數據集。文獻[16—17]計算結果表明，僅80%IGS基準站的高程分量RMS經環境負載改正后減小，且環境負載造成的站點變動僅能解釋高程分量的部分周年、半周年振幅，這已經是環境負載對GPS坐標時間序列影響的最好對比結果。除此之外，溫度變化造成的熱膨脹效應也對測站位移有影響。

為了提取時序中的季節性物理信號，應明確環境負載中各項負載及熱膨脹效應對時間序列季節性趨勢項的貢獻，利用InSAR、GRACE等多源觀測數據，引進現代信號處理方法提取形變信號，將經驗季節性正弦函數模型與地球物理模型相結合,以建立各項負載及熱膨脹的精確模型[17]。ITRF2014已經首次考慮了非潮汐大氣載荷，并對個體的大氣載荷模型進行了改進，這為其他負載模型的建立提供了參考。

此外，已有文獻表明,與技術相關的系統誤差(如未模型化的海洋極潮、殘余對流層延遲等)，數據處理策略的不完善與變更，以及多路徑效應是造成測站虛假的非線性位移的另一個主要因素[11,22]。因此，應分析造成這種現象的各種成因，分別對其建立相應的精確數學模型，并優化數據處理模型和策略，以減弱甚至消除由技術系統誤差造成的影響，以便提取更準確干凈的時間序列。

3.1.2 其他非線性變化的處理

除季節性非線性變化外，測站坐標時序中還含有地震或天線更換引起的不連續變化、各種噪聲造成的非線性變化。

目前，IGS基準站監測數據表明，至少有一半以上的測站坐標時間序列都不連續，這種不連續性的存在影響了其在地球動力學研究中的應用，也引起了國際上的廣泛關注。在眾多學者的不懈努力下，在ITRF2014的非線性運動建模中首次以測站振幅時間函數的形式給出了震后形變模型(見式(1)、式(2))，這將使均一化時間序列和高質量的地球動力學研究數據的獲取成為可能，并進一步提高測站非線性運動建模的精度，進而實現毫米級國際地球參考框架的維持與更新。

研究表明，GPS位置坐標時間序列噪聲不僅包含白噪聲，其中還有與時間相關的有色噪聲(如閃爍噪聲、隨機漫步噪聲等)，這其中個別噪聲對基準站坐標的影響甚至可達厘米量級[20-21]。由于噪聲對測站坐標時序的影響與其所處的地理環境有關，因此應采用極大似然估計和噪聲頻譜分析的方法來確定最適合各區域的噪聲模型及噪聲的特性，以將噪聲與真實信號準確地分離。目前，噪聲模型的建立忽視了水平和高程分量之間的相關性，將來可引入三維交互相關性方法，量化水平及高程方向的相互作用的程度，以構建精確的三維噪聲模型[13]。

3.2 多技術數據組合算法

目前，多技術實測數據聯合處理存在兩個關鍵問題：一是同種技術之內的組合，即以某種技術所得實測數據為基礎進行解算，并給出統一解；二是不同技術之間的組合，即采用包含坐標、方差-協方差陣和先驗約束等信息在內的SINEX文件作為輸入數據，通過重構法方程與法方程疊加來實現多技術之間的組合[2]。

為了完善多技術數據組合算法，可基于緊組合方式，改進技術內組合數據處理軟件，以獲取同種技術內測站坐標時間序列精確的組合解。同時，深入分析研究技術間組合的輸入/輸出標準，不同技術系統誤差的處理與定權方式，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，從多技術組合算法上改進技術間組合方法[13]。在此多技術數據組合算法改進的基礎之上，將可獲得高精度測站的歷元坐標。

3.3 地心運動的監測與建模

根據IERS協議，國際地球參考框架的原點為包括海洋和大氣在內的地球質量中心，它也是地球衛星繞其旋轉的動力學中心。地球的質心運動來自地球各圈層的物質運動,因此具有明顯的地球物理機制,特別是全球大氣、海洋和地表水的季節性變化是地球質心周年運動的主要地球物理機制[18-19]。故而可利用這些地球物理因素的季節性變化的擬合模型對地球質心的周期運動進行建模分析。

一般情況下，GPS、SLR、DORIS空間大地測量技術都可用來監測地球質心的運動，但須考慮GPS、DORIS觀測技術的復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題。鑒于此，ITRF2014在地心運動建模中，最好只利用SLR技術進行建模，但是難以在短期內解決SLR測站全球分布不均勻的問題，因此需更好地優化基于SLR技術確定地心的算法與模型，并提升硬件質量以對地心運動進行精確建模[9-10]。為提高地心運動觀測質量，可在原有激光動力學衛星觀測的基礎之上，聯合CHAMP、GRACE等低軌地球衛星的新監測手段，為地球質心運動的監測提供更多源的實測數據。文獻[20—21]分別利用CHAMP、GRACE衛星實測數據分析地球質心運動的周期運動特性，并給出了比較可靠的分析結果。基于上述監測技術、算法模型的改進，以及時間序列跨度的增加與數據觀測質量的提高，將為毫米級精度的地心運動建模提供可能。

4 結 語

為了滿足高精度全球形變監測以及地球動力學的科研需要，建立顧及測站非線性變化的毫米級國際地球參考框架勢在必行。本文通過簡要介紹國際地球參考框架最新研究進展，并對毫米級國際地球參考框架的建立方法及技術改進提出少許見解，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

余新平，譚凱，趙斌,等.高精度國際地球參考框架的研究進展[J].測繪通報，2017(9)：6-10.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0276.

2016-12-20

中國地震局地震研究所所長基金(IS201526244)；國家自然科學基金(41304019)

余新平(1992—)，男，碩士生，主要研究方向為GPS數據處理及時間序列分析。E-mail:862250281@qq.com