DORIS、GPS和SLR空间大地测量技术导出的地心运动规律

用调和分析法分析DORIS、GPS和SLR 3种空间大地测量技术导出的地心运动时间序列。结果表明:地心长期运动不显著,但存在北向运动趋势,速度小于1mm/a;相对于DORIS和GPS,SLR导出的地心运动更符合地球物理模型计算的结果,用22aSLR数据导出的地心运动在X,Y,Z方向的周年运动振幅分别为2.8±0.2mm,2.7±0.2mm和6.1±0.2mm。     

EIGEN-GL04C重力场模型的精度分析

本文对GFZ发布的GRACE EIGEN-GL04C重力场模型从球谐系数分析、误差阶方差分析两方面进行了精度评价。研究表明,相较于以往的重力场模型,EIGEN-GL04C重力场模型精度对120阶以下(未包含J2项)的地球中长波部分具有明显的改善。GRACE重力卫星测量已经成为获取地球重力场信息的重要手段。     

以ICE-4G模型为地壳垂直运动基准的研究

假定冰期后地壳回弹模型沿垂直方向的运动定义为相对于地球质心的运动,则利用空间测量技术建立的ITRF2005速度场与冰后地壳回弹的地球物理模型ICE-4G速度场之间存在系统差.则本文对它们之间的系统差进行了求解,从而得出如果以地球物理模型ICE-4G为地壳垂直运动基准,则ITRF2005框架就相对于地心存在沿北纬13°,东经241°方向,每年约0.12mm的平移运动。     

利用GPS数据反演地心运动

利用IGS提供的重新处理的周解,采用一阶形变法反演了2000～2009年的地心运动。结果表明,X、Y、Z方向的周年项振幅分别为3.72mm,3.06mm和8.95mm;Z方向的相位表明,2月份左右北半球的表面负载最大,8月份左右南半球的表面负载最大,南北半球存在明显的季节性质量交换。     

用Lageos卫星SLR资料解算地球定向参数及监测地球质心的运动

利用Lageos卫星(1993～2002期间)全球激光测距资料精确测定地球定向参数及地心的变化,并将EOP(SHA)序列的结果与同期的EOP(IERS)C04进行比较,符合程度:极移XP-O.39 mas,yP-0.41 mas,日长Dr在0.03 ms左右.地心在X,y方向大约有1 cm左右的变化,在Z方向有3～4 cm左右的变化.     

利用GOCE卫星轨道反演地球重力场模型

根据积分方程法反演地球重力场的数学模型,利用GOCE卫星2009-11-02～2010-01-02共61d的精密轨道数据反演了几组地球重力场模型。结果表明,GOCE卫星轨道能有效提取地球重力场的长波信息,弥补了GOCE卫星重力梯度带宽的限制,在106阶次的大地水准面误差为±9.6cm,该阶次精度优于EIGEN-CHAMP03S及GRACE卫星两个月轨道反演地球重力场的精度,但由于两极空白,反演的带谐位系数精度偏低。联合GOCE及GRACE卫星轨道反演的模型在106阶次的大地水准面误差为±6.9cm,弥补了GOCE卫星轨道的缺陷。     

超高阶全球地形球谐系数模型的构建方法与实现

针对10 800阶地形球谐系数模型构建的计算精度、计算稳定性及超大规模运算量等问题,本文首先通过比较分析矩形离散积分方法、Gauss-Legendre积分方法和Driscoll/Healy积分方法,验证了Driscoll/Healy积分方法具有更高的计算精度。然后,给出了改进的Belikov公式,将完全正常化缔和勒让德函数在全球范围内以优于10^-12精度高效、稳定递推至10 800阶;提出了联合FFT和基于OpenMP的多核并行方法求解超高阶球谐系数的优化策略,显著提高了球谐系数模型构建的计算效率。最后,利用Earth2014＿TBI与全球海底地形模型STO＿IEU2020格网数据建立了全球10 800阶地形球谐系数模型sph.10 800＿IEU,总体精度与Earth2014＿TBI2014.shc相当,在试验海域的相对精度略优于模型Earth2014＿TBI2014.shc。     

低阶地球引力场长期变化的确定

利用约11年的Lageos人卫激光测距（SLR）资料,反演了地球引力场系数J2和J3变化的时间序列,分析得到每年的2＝(-2.6±0.4)×10-11,3＝(-1.2±0.4)×10-11及18.6年固体潮Love数k2=0.3154±0.0070,相位滞后ε=3.1°±2.0°.由此可以对地幔滞弹和地球各圈层的动力学变化及相互作用提供高精度的天文观测约束。为了提供高精度的J2和J3变化的时间序列,可能的误差源必须考虑,如自转速率变化引起的极潮,引力场系数Jn的低阶和高阶项之间的弱的耦合等。     

使用能量守恒方法恢复CHAMP地球重力场

本文探讨了基于能量守恒方法利用CHAMP卫星精密星历和加速度数据恢复地球重力场模型的原理和方法。给出了地心惯性系下顾及地球自转和非保守力能量损耗的能量守恒方程,并且对日、月摄动位与引潮力附加位的计算方法作了相应的分析,同时介绍了加速度数据的处理方法。基于能量守恒方法,利用2002年1-2月、7-8月和11-12月三个不同时期共180天的CHAMP卫星精密星历和加速度数据恢复了三组50阶次的地球重力场模型GFM01、GFM02和GFM03,并将这些模型与EGM 96重力场模型和GFZ公布的EIGEN-CG01C重力场模型进行比较。结果表明:能量守恒方法恢复的GFM系列模型与EGM 96重力场模型及EIGEN-CG01C重力场模型在低阶位系数上均有较好的一致,但与EIGEN-CG01C模型有更好的一致。这说明了CHAMP卫星对地球中、长波重力场的敏感性,也说明了能量守恒方法恢复低阶地球重力场位系数的有效性。     

用SLR数据导出的地心运动结果

在利用卫星激光测距(Satellite Laser Ranging，简称SLR)资料研究地心运动时，将抗差估计和方差分量估计引入列数据处理中，根据1996年1月至2000年12月的Lageos2观测数据，分别采用直接法和动力法，计算出了2组相对于ITRF2000参考框架原点的地心运动序列。对计算结果进行了分析，得出了地心运动的平均值、变化速率及其周年项、半年项的振幅和相位，并与其他采用SLR资料计算的结果进行了比较。通过比较和分析，发现地心运动存在着近周年和近半年的周期分量，但地心运动的长期变化并不明显。     

重力梯度张量的球谐分析

深入研究了利用卫星重力梯度数据确定地球重力场模型的球谐分析方法，导出了由重力梯度张量的球函数展开系数确定扰动位球谐系数的实用解算模型。模拟试算结果验证了本文算法的有效性和实用性。     

基于EMD方法的地心运动时间序列分析

针对时间序列混有的高频信息会影响地心运动规律分析的问题，采用网平移法对IGS提供的GNSS周解进行解算，得到2007-2017年地心运动时间序列，对其进行分解重构，剔除高频项，并利用重构时序对地心运动规律作进一步分析探讨。结果表明：本文解算的地心运动在T_x、T_y和T_z方向的精度均为毫米级。EMD方法重构的时序保留了原序列的基本信息，且抑制了高频项的影响，提高了周期贡献率，3个方向的贡献率分别提高了12.3%、16.7%及6.3%。通过分析重构后的时序发现，周年项振幅为各周期对应振幅的最大值，分别为2.32、1.89和2.07 mm；T_y和T_z方向长期变化趋势较T_x更为明显，分别为0.13和-0.27 mm/a；半年项较小，且在T_x和T_y方向上具有时变性。此外，还发现了一些其他较小的年际变化。     

多分析中心站坐标产品的综合方法研究

首先介绍了多分析中心产品融合处理的两种综合策略，然后基于解层面的综合策略，提出了站坐标和地球自转参数同时综合的方法。采用国际GNSS服务组织（International GNSS Service，IGS）9个分析中心1 a的数据进行试验，从站坐标、地球自转参数精度以及地心运动3个方面验证了该方法的正确性。结果表明，基于综合方法得到的综合解和IGS综合解处于同一精度水平。站坐标在平面和高程方向的一致性分别为0.5 mm和1.0 mm，极移和极移速率的一致性分别优于7.0×10-6"和40.0×10-6"/d，日长参数优于7.7×10-6 s/d。所提出的综合方法可用于全球连续监测评估系统（international GNSS monitoring and assessment system，iGMAS）的站坐标/地球自转参数产品综合。     

由SLR观测的地心周期性运动(1993-2006年)

地球质心(CM)是整个地球的质量中心,地心运动是由地球系统的质量重新分布激励的,特别是流体圈层.利用SLR对LAGEOS 1/2卫星的距离观测,解算1993-2006年期间的地心运动时间序列,然后分别利用小波变换和最小二乘法分析该序列,发现地心运动存在长期和周期性变化.地心的长期运动表明地壳形状在变化.季节性变化是地心运动的主项,主要是由地球流体圈层的质量分布造成的,如海洋、大气和陆地水等.地心运动还存在其他周期性和准周期性变化.地心运动存在2～5年的长周期变化.许多周期都存在渐变,这表明整个地球系统质量和环境存在不规则的变化.

Abstract：

The center of mass of Earth (CM) is the center of total Earth's mass. The geocenter motion may be excit-ed by the mass redistribution of Earth system, especially the fluid layer. A time series of geocenter motion meas-ured with SLR on LAGEOS 1/2 is estimated and then analyzed with the wavelet transformation and the least squaresmethod, respectively. The secular and periodic variations of geocenter motion are detected. The long-term move-ment indicates that the crustal figure is changing, the north hemisphere and 180-degree hemisphere are shrinking, and the south hemisphere and O-degree hemisphere are swelling. The seasonal variations are the main componentswhich may be caused from the mass distribution of Earth fluid layer, e.g. ocean, atmosphere and continental wa-ter, There are many other periodic or quasi-periodic variations. There are long periodic variations through 2 to 5 years, Many periods gradually change, which indicates that there exist nonregular fluxes for the environment and mass of the whole Earth system.     

地球质心的运动对卫星轨道的影响

由地心运动引起的引力位1次项系数不为零会对卫星轨道产生摄动.文中主要通过模拟计算来研究地心运动或坐标系统不自洽引起的地心偏离,从而对不同轨道根数的卫星轨道产生的摄动量级.实验表明地心运动对卫星轨道的影响,在高精度精密定轨和反演地球重力场中也是需要顾及的一项内容,特别是在坐标系统不自洽的情况下,影响更大.     

一种适用于CGCS2000坐标框架的多源数据融合方法

针对单一的GPS技术并不能准确地确定地球质心,无法真正地实现地心坐标参考框架,为了满足CGCS2000坐标框架对高精度地球质心和高精度尺度基准的需求,未来的CGCS2000坐标框架将是多源空间大地测量技术融合的组合框架,该文提出了一种适用于CGCS2000坐标框架,并基于GPS、VLBI、SLR等大地测量技术的数据融合方法,利用该方法进行多源大地测量观测数据融合得到组合坐标框架,将得到的结果与ITRF综合解进行比较。结果表明:GPS、VLBI、SLR测站各方向坐标平均误差值约20mm,速度场各方向平均误差约1mm/a,水平方向速度场误差小于垂直方向速度场误差,误差较大的测站多居于板块分界带及其边缘。基于实验结果表明,该方法可以满足CGCS2000坐标框架对多源数据融合的要求。     

应用Slepian局部谱方法解算中国大陆重力场球谐模型

根据经典的球谐函数方法,为满足正交化要求,观测数据需要覆盖整个球面,而对于地表局部测量数据,则无法应用球谐方法解算重力场模型。针对此问题,采用Slepian局部谱分析方法解算中国大陆范围内的实测重力场变化数据,并以GOCE卫星球谐函数解作为已知模型,评估由于实际陆地重力测点的非均匀分布对球谐函数解的误差影响。通过计算多个阶次中国大陆局部范围的Slepian基函数分布;采用GOCE卫星获得重力场模型的前72阶球谐系数作为已知结果,评价实际测点非均匀分布的解算有效性,并针对中国大陆地区采用Slepian基函数进行解算,通过模型对比选择最优截段项数;针对2005—2008年中国大陆地区流动重力测量获得的重力场变化信号进行解算,获得了72阶重力场变化模型。     

利用能量守恒法和GOCE卫星轨道数据反演地球重力场模型

利用傅立叶级数拟合GOCE卫星的耗散能,解决了基于能量守恒法恢复GOCE重力场模型时耗散能的计算问题。采用Helmert-Wolf参数估计法统一求解位系数、能量常数和耗散能的傅立叶级数拟合参数,并采用消局部参数的最小二乘法求解位系数。该方法不需要任何初始值或参考模型,不需要采用差分方法处理能量常数,也不需要进行迭代计算。利用GOCE卫星2009-11-01~2010-02-12共103d的精密轨道数据反演了三组100阶次的重力场模型GOCE-ECP01S、GOCE-ECP02S和GOCE-ECP03S,并与EIGEN-5C、EIGENCHAMP05S和GOCO03S模型进行比较。结果表明,采用一阶傅立叶级数拟合GOCE卫星的耗散能效果最好,反演的GOCE-ECP01S模型精度最高,整体精度优于EIGEN-CHAMP05S,但较GOCO03S模型的精度偏低;在100阶次的大地水准面误差为±3.2cm,但由于极空白的影响,恢复模型的带谐项位系数精度偏低。     

全球电离层TEC的轮胎调和分析与预报

将轮胎调和分析引入电离层TEC的模型化过程中,建立了基于轮胎调和分析的电离层TEC球谐系数模型,并对该模型进行详细的验证和分析。结果表明,本文模型计算精度高,系数截断为15阶时,恢复误差全年统计不超过4%,且除南、北极区外球谐模型具有很好的适用性。然后对该模型系数的时间序列特性进行了函数估计：引入逐级余差建模方法,使用趋势函数、功率谱分析、ARMA模型对球谐系数的时间序列进行分析,找出了模型系数时间序列变化的规律,构建了预报模型,实现了基于模型系数的预报,并对预报系数的精度变化问题和系数本身短期预报的数据积累时间进行分析,最终通过TEC的预报,验证了模型的精度。     

由GRACE RL05数据反演近10年中国大陆水储量及海水质量变化

利用CSR(Center for Space Research)提供的GRACE RL05数据反演2003—2012年中国大陆水储量及其周边海域海水质量变化趋势。采用改进去相关滤波算法,使拟合最高阶次位系数为55及数据系列两端球谐位系数无须作为滑动窗口中心可直接拟合,去条带效果相比传统方法更明显。结果表明,中国陆地水储量在华北平原、三峡地区及青海、新疆、西藏交界地区变化较大。十年间,华北平原地下水以4.1±1.3mm/a速度减少,陆地水和地表水变化主要集中在2004—2008年;三峡水库3次蓄水引起地区等效水高变化分别为52mm、18mm及7mm;青海、西藏、新疆3省区交界地区地表水变化引起陆地水、地下水分别以10.6±0.9mm/a及11.6±1.0mm/a的速度增加。扣除冰川均衡调整后,GRACE反演海水质量的变化结果显示,东海、南海、黄海海水质量分别以4.23±0.9mm/a、1.33±0.9mm/a及3.09±1.1mm/a的速度上升,东海海水质量在长江入口附近上升速度最快。