VLBI觀測資料解算地球自轉參數(shù)精度分析

錢 煒 岳建平 單麗杰 韓宸宇

1 河海大學地球科學與工程學院，南京市佛城西路8號，211100

地球自轉參數(shù)(earth rotation parameters, ERP)包括反映地球自轉軸相對于地殼運動的極移運動參數(shù)XP和YP、反映地球自轉角不規(guī)則特征的UT1-UTC和反映地球自轉速率變化的日長變化參數(shù)LOD[1]。這些參數(shù)對于建立和維持天球參考框架與地球參考框架以及實現(xiàn)兩者之間的相互轉化極為重要，同時也影響協(xié)調(diào)世界時與世界時等系統(tǒng)間的相互計算[2]。

甚長基線干涉測量(very long baseline interferometry,VLBI)是可以高精度解算所有地球定向參數(shù)的大地測量技術[3]，其在諸多地球自轉參數(shù)解算方法中具有一定優(yōu)勢。本文基于2020年VLBI觀測資料進行地球自轉參數(shù)序列解算和精度分析，同時選取其中某一時段的解算結果與同時段利用GPS技術解算的結果進行比較，以分析2種技術的解算差異。考慮到國際VLBI服務組織(IVS)發(fā)布的CONT17連續(xù)加密觀測資料穩(wěn)定性強、觀測精度高，而目前利用其XA、XB兩種頻率通道分別解算地球自轉參數(shù)并對兩者解算性能進行比較的研究較少，因此本文將同時對該方面進行研究。

1 精度評價

VLBI解算地球自轉參數(shù)的原理可參考文獻[4-5]，本文不再贅述。

將由VLBI觀測資料解算的地球自轉參數(shù)序列(記為ERPVLBI)與IERS發(fā)布的EOP14 C04序列(記為ERPIERS)作差，差值均方根可作為一種外符合精度并以此來評定解算精度[6]。設序列長度為n，則外符合精度計算公式可表示為：

(1)

2 實驗分析

2.1 利用2020年觀測資料解算ERP

本文實驗數(shù)據(jù)來自IVS發(fā)布的觀測資料(https:∥ivscc.gsfc.nasa.gov/sessions/2020/)，時間段為2020-01-01～11-19(簡化儒略日為58 849～59 172)，且優(yōu)先選用觀測精度較高的XA、XE頻率通道數(shù)據(jù)[4]。在解算策略上，歲差/章動模型為IAU2006/2000A，解算基準為國際地球參考框架ITRF2014和國際天球參考框架ICRF3，對流層映射函數(shù)選取VMF3模型，電離層延遲等信息由觀測文件讀取，射電源位置的先驗值取自IVS發(fā)布的結果，臺站位置改正顧及固體潮汐、海洋潮汐、大氣負載等因素的影響。LOD序列實際上可通過UT1-UTC序列轉換得到，因此本文僅解算極移序列與UT1-UTC序列。

VLBI觀測不連續(xù)，所選時段內(nèi)的觀測文件數(shù)目僅為130，因此在解算完成后通過三次樣條插值得到整個時間段的參數(shù)序列。IERS發(fā)布的EOP14 C04序列參數(shù)值為每日0時的計算結果，而VLBI觀測文件卻并不嚴格以0時作為起始觀測時刻，因此需要將VLBI解算結果轉化為與EOP14 C04序列對應時刻的參數(shù)序列。圖1～3分別為VLBI解算結果插值得到的各參數(shù)序列(XP、YP、UT1-UTC)與EOP14 C04序列之差。

圖1 極移X方向差值Fig.1 Polar motion differences in X direction

圖2 極移Y方向差值Fig.2 Polar motion differences in Y direction

圖3 UT1-UTC差值Fig.3 Differences of UT1-UTC

從圖1～3可以看出，3種參數(shù)的殘差序列均未表現(xiàn)出明顯的系統(tǒng)誤差，XP與YP殘差序列主要集中在-0.2～0.2 mas之間，UT1-UTC殘差序列主要集中在-0.1～0.1 ms之間。表明VLBI解算結果與IERS發(fā)布的真值序列基本一致。3種殘差序列在部分時段出現(xiàn)離群值，這可能是由該時段參與解算的觀測臺站過少或插值過程引起的。總體來說，殘差序列均存在一定波動，說明目前VLBI技術的觀測穩(wěn)定性還有待提升。表1為3種差值序列信息統(tǒng)計，包括各差值序列的絕對值最大值、序列均值以及根據(jù)式(1)計算得到的均方根值。解算結果與前人研究成果[4,7-8]基本處于同一精度水平，表明本文結果具有可靠性和高精度。

表1 差值序列信息

為進一步比較VLBI的解算精度，從解算結果中選取2020-10-01～15的參數(shù)序列，與同時段利用GAMIT 10.7軟件解算的GPS數(shù)據(jù)得到的參數(shù)序列進行比較。所選用的IGS站點在全球分布均勻，圖4為VLBI和GPS站點分布情況。GAMIT解算策略中，大部分選項保持默認，參數(shù)模型與VLBI解算過程保持一致。GPS數(shù)據(jù)無法直接求解UT1-UTC序列，因此給予其強約束(本文設為10 μs)來實現(xiàn)間接求解[8]。分別計算2種技術解算結果的外符合精度，結果見表2。

圖4 VLBI及GPS站分布Fig.4 Distribution of VLBI and GPS stations

表2 VLBI與GPS解算結果的外符合精度統(tǒng)計

從表2可以看出，GPS解算的3個參數(shù)序列的精度均略優(yōu)于VLBI，但基本可認為兩者處于同一水平。考慮到GPS技術在該時段內(nèi)可保持數(shù)據(jù)連續(xù)、數(shù)據(jù)量充足且所選測站在全球均勻分布的相對優(yōu)勢，同時VLBI和GPS臺站分布不一致、所選實驗時段隨機也會產(chǎn)生一定影響，故認為這種差距并不影響VLBI解算結果的高精度特點。

2.2 利用CONT17連續(xù)加密觀測資料解算ERP

IVS每次連續(xù)加密觀測持續(xù)時間約為15 d，可提供連續(xù)、豐富的高精度原始觀測資料，也是當前VLBI觀測的最高精度，對于實現(xiàn)地球自轉參數(shù)的連續(xù)高精度解算具有重要作用[9]。IVS最近一次連續(xù)加密觀測為CONT17，觀測時間為2017-11-28～12-12[10]，觀測資料全部為觀測精度較高的X波段，且分別采用XA、XB頻率通道。本次實驗將分別利用這2種頻道數(shù)據(jù)解算地球自轉參數(shù)序列，同時以EOP14 C04 序列作為外部參考序列計算其外符合精度，以比較分析2種頻道數(shù)據(jù)的解算結果。實驗數(shù)據(jù)處理策略與§2.1保持一致。圖5～7為解算完成后的XP、YP、UT1-UTC序列與EOP14 C04相應參數(shù)序列的差值結果。

圖5 2種頻道解算的極移X方向外符合差值Fig.5 The external coincidence differences of polar motion in X direction solved by two frequencies

圖6 2種頻道解算的極移Y方向外符合差值Fig.6 The external coincidence differences of polar motion in Y direction solved by two frequencies

圖7 2種頻道解算的UT1-UTC外符合差值Fig.7 The external coincidence differences of UT1-UTC solved by two frequencies

從圖5～7可以看出，利用2種頻道數(shù)據(jù)進行解算，XP、YP差值序列均位于-0.1～0.1 mas之間，UT1-UTC差值序列位于-0.02～0.01 ms之間。若不考慮時段影響，該結果遠好于§2.1的差值結果。這是由于CONT17觀測資料在實驗時段內(nèi)保持連續(xù)，在解算完成后無需進行大量缺失數(shù)據(jù)的插值工作，不會受到插值方法的影響，因此可保障其解算結果的高精度。XA頻道的差值序列均相對平緩，而XB頻道的差值序列則表現(xiàn)出一定的波動性，且這種波動在極移分量序列中表現(xiàn)更為明顯，表明在解算地球自轉參數(shù)時，利用XA頻道數(shù)據(jù)解算得到的結果更穩(wěn)定。

表3為分別利用2種頻道數(shù)據(jù)解算各參數(shù)序列的外符合精度。可以看出，XA頻道與XB頻道在解算2個極移分量參數(shù)序列時差距微小，可認為處于同一精度水平；而在解算UT1-UTC序列時，相比于XB頻道，XA頻道解算的外符合精度具有明顯提升，提升效果可達50%。綜上可知，利用2種頻道數(shù)據(jù)解算的結果均處于高精度水平，而考慮到解算結果的穩(wěn)定性及UT1-UTC序列外符合精度的差異，利用XA頻道數(shù)據(jù)解算地球自轉參數(shù)序列更具有優(yōu)勢。

表3 2種頻道解算結果的外符合精度統(tǒng)計

3 結 語

本文利用2020年VLBI觀測資料解算地球自轉參數(shù)序列，并以EOP14 C04序列作為外部參考序列計算外符合精度。結果表明，利用VLBI技術解算地球自轉參數(shù)的結果滿足高精度要求。將本文計算結果與同時段GPS觀測數(shù)據(jù)解算的地球自轉參數(shù)結果進行對比。結果表明，VLBI技術的解算精度與GPS技術差距很小，這種差距很可能與實驗所選取的時段、GPS測站在全球均勻分布且觀測數(shù)據(jù)連續(xù)有關。同時，本文首次根據(jù)CONT17連續(xù)加密觀測資料的XA、XB頻率通道數(shù)據(jù)分別解算地球自轉參數(shù)并比較其解算性能。結果表明，2種頻道數(shù)據(jù)解算的地球自轉參數(shù)序列均具有高精度，但在解算結果的穩(wěn)定性及UT1-UTC序列的解算精度方面，XA頻道數(shù)據(jù)優(yōu)勢更大。