毫米级精度的地球参考架构建设 内容提要 最新的国际地球参考框架ITRF2005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 的需要。 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： 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 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的精度评估 ITRF2005不是一个毫米级地球参考框架 目前最新地球参考框架ITRF2005的参考站的位置仍由下式定义： 式中 为t时基准站i的坐标矢量， 为历元坐标矢量， 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 ITRF2005提供的 、 可达毫米级，但由于残差矢量 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 振幅可达1厘米），致使由上式生成的 达不到毫米级。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 测的需要。 图 由ITRF2005给出的URUM等GPS基准站站坐标（ 东向、北向、垂向）的残差图 ITRF2005基准站站坐标（东向、北向、 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 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 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 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 是：地壳垂向周年运动的监测和模制。 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 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 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 为可模型化的各种周期运动（主要是高程方向的 周年运动）， 为地球质心的运动。 和 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。 地壳非线性运动特征 的监测和建模 的空间技术监测 的地球物理因素模制 的GRACE等低轨卫星的监测 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 ITRF的空间技术基准站已建立甚好的站坐标时 间序列。利用ITRF2005提供的全球数百个基准 站（主要是IGS站）的时间序列，经过精密的频 谱分析，可获取这些基准站 的可靠信 息。 台站BJFSKMINLHASSHAOWUHNURUM 周年振幅 N 1.7 1.3 2.11.3 1.7 0.4 E 0.9 1.1 0.50.6 0.6 0.6 U 6.2 8.8 4.73.9 4.6 6.4 周年相位 N 207.5 170.2 35.4191.9 176.1 284.3 E 188.1 293.4 78.7228.4 270.8 70.9 U 274.6 2.5 7.08275.1 325.6 269.0 半年振幅 N 0.7 0.8 0.20.9 0.9 0.4 E 0.4 1.3 0.60.8 1.2 0.2 U 1.9 2.9 2.12.4 1.2 0.6 半年相位 N 161.7 156.0 153.4140.8 155.7 176.1 E 32.0 50.0 55.7114.0 90.8 52.6 U 65.8 55.2 65.080.5 72.5 9.7 中国IGS站非线性周期运动特征 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 ，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2毫米。 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2至3倍，最大可超过1厘米。 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 和模制高程方向的周年运动。 的空间技术监测以GPS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， 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GPS基准站均能满足。但对VLBI、SLR来说，由于观测条件限制 ，仅有少数VLBI、SLR基准站站坐标时间序列能满足这样的要求。 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GPS基准站。 VLBI、SLR技术可作为检核GPS监测结 果一种手段。困难在于由于GPS观测技术的复杂性 ，GPS测定的 地壳运动结果中包含GPS技术本身存在的问题引起的“伪地壳运动” 。为此，GPS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。 GPS，VLBI，SLR监测结果间的比对和检核 DOMES号 技术分类（站号） 周年振幅 周年相位 半年振幅 半年相位 21605 GPS（SHAO） 4.9 262.1 1.9 124.5 21605 VLBI（7227） 5.6 295.8 0.8 150.4 21605 SLR（7837） 5.9 298.6 1.8 144.9 21611 GPS（CHUN） 3.3 287.0 2.0 91.4 21611 SLR（7237） 3.7 309.6 2.8 183.5 30302 GPS(HRAO) 3.0 91.1 1.0 262.6 30302 VLBI(7232) 4.6 104.5 1.6 218.3 30302 SLR（7501） 4.1 92.2 1.2 217.7 41602 GPS（FORT） 2.8 87.1 1.1 150.9 41602 VLBI（7297） 3.2 68.5 2.1 93.5 40104 GPS（ALGO） 2.6 213.6 0.9 148.2 40104 VLBI（7282） 3.0 203.0 0.3 90.6 40424 GPS（KOKB） 3.7 -0.0 1.1 -2.3 40424 VLBI（7298） 2.6 22.5 0.5 112.1 49914 GPS（AOML） 3.4 -18.1 2.0 126.1 49914 VLBI（7219） 2.9 13.0 1.0 224.4 50107 GPS（YAR1） 7.0 66.5 1.3 148.8 50107 SLR（7090） 6.6 65.1 0.3 15.0 GPS、VLBI、SLR监测结果的比对 对周年运动来说，GPS、VLBI、SLR不同 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2毫米，相位的最大偏 差不超过60度，这使我们对GPS监测地壳垂 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 GPS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。 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 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 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 站高程方向周年变化信息，可用作GPS监测结果的 比较和检核。 的地球物理因素模制 为此，国际地球自转服务IERS下属的GGFC （Global Geophysical Fluids Center）于2002年成 立了SBL（Special Bureau for Loading）工作组， 其目的就是为IERS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 测站高程方向周年变化信息，可用作GPS等空间技术 监测结果的比较和检核。 The Global Geophysical Fluids Center (GGFC)The Global Geophysical Fluids Center (GGFC) As As a a component component of of the the International International Earth Earth Rotation Rotation and and Reference Reference Systems Systems Service Service (IERS), (IERS), GGFC GGFC and and its its eight eight Special Special Bureaus Bureaus have have been been providing providing services services to to the the Earth Earth sciences sciences community community since 1998.since 1998. GGFC Homepage - GGFC Homepage - http:/www.ecgs.lu/ggfc/http:/www.ecgs.lu/ggfc/ CSR 站名负载年振幅精度年相位精度半年振 幅 精度半年相 位 精度 SHAO 上海 大气 土壤湿度 积雪 2.63 1.74 0.10 0.03 0.03 0.00 276.64 7.99 254.07 0.63 1.00 1.23 0.22 0.64 0.04 0.03 0.03 0.00 15.82 76.27 113.98 3.83 1.35 1.53 WUHN 武汉 大气 土壤湿度 积雪 4.92 2.48 0.12 0.05 0.04 0.00 279.77 16.05 253.85 0.58 0.89 1.15 0.76 0.64 0.05 0.05 0.04 0.00 22.42 82.27 113.10 1.88 1.71 1.29 URUM 乌鲁木齐 大气 土壤湿度 积雪 4.23 1.50 0.65 0.05 0.03 0.01 287.52 130.97 251.05 0.80 1.05 1.11 1.25 0.91 0.38 0.06 0