GPS和地球动力学进展

第29卷第2期测绘科学Vol 29 No. 2204年4月Science of Surveying and MappingAprGPS和地球动力学进展党亚民中国测绘科学研究院,北京100039)【摘要】在2003年7月日本举行的第23届IUGG大会上,全球大地测量领域的专家和学者对GPS的技术改进和应用、GFS及其地球动力学应用方面等做了较为系统的交流。本文对这次会议中有关GPS及其地球动力学领域的最新研究成果及大地测量数据处理的最新进展做简要介绍。【关键词】GFS;形变;监测;地球动力学;数据处理【中图分类号】P22【文献标识码】A【文章编号】1009-2307(2004)02-0077-031GFS及其应用研究行估计,然后对利用Ll、12和伪距进行测量定位的用户提供相应的误差模型进行改正。1.1精密卫星定位的广域模型1.1.2精化随机模型对各种误差模型化精密的卫星定位需要利用载波相位并对与载波相位有关利用最小二乘法进行参数估计最关键的是要选择合适的的整周模糊度通过适当的方法进行解算。由于用户接收杋离函数模型和随杋模型。随杋模型应该表征各种模型误差的随开参考站的距离从几公里到几百公里不等,当距离增加时,机特征。选择不同的观测值函数模型,则需要选择相应的随和距离有关的偏差被引入,整周模糊度解算问题就成为高精杋模型。例如在函数模型里将电离层延迟看作是一个未知参度卫星定位的一个难点问题。数,则在模型误差里不再包括电离层偏差的残差,这时电离用于精密卫星定位的”广域模型”要求或者足够长的数层延迟残差表现为随机特性。过去几年,对高F测量据观測以估计函数模型中的各种偏差参数,或通过多参考站的GⅣS信号误差的随机模型研究了一种 SIGMA-模型,在来实现。对于第一种方法,所有的误差源,如卫星轨道偏SλMA-模型中最常用的一个基本信息是观测值的载波-噪差、大气参数、接收机内部频道( Inter- channel)偏差,以声(功率密度)比率C/O( carrier-to- noise power density及用户的位置,都必须同时通过解算得到,这种方法主要用lio)利用C/№值和模板( template)技术,则可以得到适于大地测量静态定位(例如基于IGS的站坐标确定,以及精当的相位观测值协方差,从而自动对观测相位进行质量评密的卫星轨道确定)第二种方法既可以先对各种偏差参数定,如果观测值怀疑被“污染〃,则在后面的最小二乘估计进行估计,然后将內插参数应用到观测值,也可以利用多个中做“降权”处理参考站数据产生所谓的″虛拟参考站″。该领域过去几年的1.1.3整周模糊度算法研究工作主要集中在以下三个方面整周模糊度解算(AR)技术已经开展了大量卓有成效1.1.1改进函数模型对各种误差模型化地研究,在过去10年里,整周模糊度搜索技术得到了极大开展了中距离(1050km)基于单参考站的实时动态的改进, LAMBDA方法是其中最为突出的。除此之外,还提〔RIK)GS定位系统的研究。和距离有关的误差如电离层和出了其它整周模糊度搜索方法,如反演整数 Cholesky去相关对流层引起的误差都被归到函数模型里。对多参考站中、长方法以及 Lenstra, Lenstra和 Lovasz(LLL)方法等距离RIK定位函数模型的改进的主要研究內容包括减弱多12GPS遥感大气参数路径效应、改进对流层模型和区域电离层模型、轨道偏差模GF作为遥感大气层的一种新工具,在过去几年的研究型等。这些偏差可以通过一些特殊旳方法,或在函数模型里和实际应用中已被证明是一种非常有效的大气探测手段。根对不同的误差设定不同的参数来解决据气象预报要求,GP网的气象参数已接近实时预报。而用深入研究了GFS数据处理中减弱系统误差的″半参数最于气象硏究的长时间序列的G数据积累也成为科学家们小二乘法”。目前采用的方法是将所有系统误差合在一起当感兴趣的一个课题。除此之外,由于最近几年太阳活动频作一个平滑函数,在数据处理中进行估计。初步结果显示该繁,利用GS进行电离层研究也是一个热点课题。方法在30km的”短”基线上取得了令人鼓舞的结果。1.2.1大气水汽含量的确定在多参考站 GPS/GLONASS测量和导航应用中,提出了日前是地基GPS监测网的主种新的方法,这种方法将和距离有关的误差分成与频率有要产中国煤化工网不断加密,数据分析关(电离层误差)及与频率无关(对流层误差和轨道偏差)质量1CNMHG算的质量和可用性都得的误差,利用多参考站载波相位观测可以对两种误差分别进到了极大改善。同时,气象工作者也在利用GF得到的ZTD收稿日期:2003-09-26测绘科学第29卷在气象应用方面开展了大量的研究工作,尤其是如何将Zm度解算进行研究,尤其是研究合适的电离层和对流层模型结果更好地应用于数值天气预报(NwP)方面更是该领域研以及这些模型对整周模糊度解算和天线相位中心变化的影究的一个关键点。对于ZI应用,仅仅准时提供ZI并不响。除此之外,对区域內适用于各种不同目的的卫星星历进能满足数值天气预报的要求,更重要的是要证明由GP导出行了研究,主要对以下三种卫星轨道进行了研究:(1)广播的ZI结果对数值天气预报有良性影响。星历;(2)IGS精密星历;(3) IGS Ultra快速轨道等。另外在过去几年,GS数据处理和分析取得了巨大进展,这还对虚拟参考站的理论和实现进行了较为系统的研究,并对些进展也使Iw和GFs站坐标估计的精度也取得了显著的区域性GS/ GLONASS组合定位的方法进行了较为系统的研提高。这些进展主要体现在对天线相位中心和多路径的改究。在GFS水位测量的应用研究中,主要是利用GPS浮标测进,以及利用无线电辐射仪〔 radiosonde)观测对映射函数开量海平面的连续变化,这一领域最初是想开展有关目前和未展的研究。来卫星雷达测高(RA)标定和监测方面的工作。除此之外,为了更好地将天顶距总延迟(ZI)应用于数值天气预还开展了利用GS进行河面、湖面的监测,同时将验潮站联报(NwP),这就要求ZI估计应该在1-2h内解算得到,这测到全球参考框架中。也是过去几年GPS气象学研究的一个热点,目前在全球范围到目前为止,G浮标技术仍然被看作是一项新技术建立了许多G观测网,例如欧洲、美国、亚洲、新西兰以不同的研究组利用不同类型的GⅣ浮标,其概念也不完全统及日本等监测网都开展了这方面的研究工作。尤其是日本GEONET网,以及欧洲和美国类似的监測网都取得了令人振2地壳形变监测和地球动力学奋的成果空间大地测量观测为监测全球、区域和局部地壳形变和利用地面GFS网可以观测地球大气层整体水汽含量运动提供了非常便利的条件。为全球地球动力学研究提供了〔Iw)和总电子含量〔TC)水汽是大气中一个极其重要非常好的约束条件,另外也为研究小范围的地球物理现象提的要素。为了在应用天气预报中发挥作用,首先需要GPs监供了丰富的资料。重力观测资料(绝对重力和相对重力)则测网能够提供近乎实时的(大约h的延迟)水汽分布,同提供了全球详实的陆地重力场及其随时间变化特征。超导重时GⅣS观测值能够很好地结合到数值天气预报〔NWP)模型力仪器更是将重力測量的精度提高到10-0的精度,这对于中环境扰动影响的监测以及每年毫米量级的地壳垂直运动的监1.2.2电子总含量(TEC)的估计测和模型化非常关键。所有这些大地测量观测数据,结合其双频GⅣS接收机能够给岀沿卫星—接收杋信号路径的他地球物理和地质资料,为亼类了解地球构造、演化以及动电子总含量(TEC)通过区域和全球GS网,可以估计出力特征提供了最基础的数据有关电子总含量时空分布的相关参数。这些全球区域近乎实对于地壳形变监测的研究主要开展了以下几个方面的工时的TEC估计,对了解与空间天气相关的电离层信号非常作:(1)研究活动构造区域的三维构造运动,许多碰撞边界有用。例如,电离层风暴的形成过程可以通过全球TEC模和垂直构造运动相关的冰后回弹、海平面起伏和变化,以及型观测岀来。同时,实时精确确定TEC对DCFS和GF-环境变化对大地测量观测的影响;(2)开展与上述三个领域RIK应用是非常重要的。例如在加拿大,就建立了一个海岸相关的观测、数据分析和地球动力学解释方面的工作;(3)警卫队DCF电离层预警系统。相关地球动力学模型的研究永久性GPS监测网为监测电离层中的TEC提供了一个在全球范围,有关地壳形变和地球动力学的研究有很强理想的工具。1998年6月国际IGS服务中心启动了一个电离的地域特征,其中主要包括了欧洲的 WEGENER计划,启动层向导项目( ionosphere Pilot Project)包括CODE、EMR、了欧洲中部的大地测量和地球动力学项目,亚太地球动力学FSA、πPL等国际数据分析处理中心参与了该项目。目前,计划在过去4年取得了许多主要成果,同时增加了亚太重力用户可以获得有关电离层TEC估计的日解文件 IONEX。另方面的研究内容。此外在非洲,中、南美洲也都开展了区域外,针对2000年8月的日蚀和2001年的太阳活动高峰期,性地壳形变和地球动力学研究计划。还专门组织了相应的特殊会战。第23太阳活动周期在20002.1欧洲 WEGENER计划年4月达到高峰。2001年下半年观测到了第2次高峰。在此1999-2003年,欧洲 WEGENER主要开展了以下几项工期间,太阳流量( solar fl)值增大,地磁活动明显増加。作:(Ⅰ为了进一步了解非洲和欧洲板块边界及其相邻地区在第23太阳活动周期中,大约岀现了50次地磁暴〔最大的的地球动力学特征,在该地区开展了三维地壳形变和重力方两次发生在2000年7月15日一16日和2001年3月31日—4面的研究工作;(2)在芬诺斯堪迪亚( Fennoscandia)为中心的月1日期间)到2003年,在几年里只有原先预测一半的地周边地区开展三维地壳形变监测方面的研究工作,以确定该磁暴发生,这意味着在第23太阳活动周期剩下的时间里会地区现今冰后冋弹旳量级·从而揭示地球旳粘弹性特征有另外约45次地磁暴发生,这也和上一次的太阳活动周期(3)开中国煤化工的研究工作。类似,即大量的地磁暴是在太阳周期活动高峰以后的两三年2.2CNMHG里出现亚太地球动力学计划(APSG)是由我国著名科学家叶13GPS的其它应用进展淑华院士牵头负责的亚太地区一个重要的大地测量和地球动区域GPS永久阵列在过去四年里取得了巨大进展,这一力学研究计划,APSG的理事国有9个:澳大利亚、中国方面的研究工作主要是考虑如何将区域性GPS网联接到法国、德国、印度尼西亚、日本、南朝鲜、俄国和美国。在IIF框架上,并对几十公里范围内多参考站网的整周模糊过去几年中,该计划产生了许多令人鼓舞的成果,也得到了2党亚民和地球动力学进展79国际同行的广泛关注和好评。APSG最早在1995年的LAG会力模型研究地球质量密度分布;(7)变形和重力场的运动学议上获得通过,一开始成立了三个科学工作组:(1)印度理论;(8)大地测量数据分析中的非概率估计;(9)大地测欧亚板块碰撞地区的地球动力学和自然灾害研究;(2)西太量中的分形几何( Fractal Geometry)等。平洋地区的地球动力学和自然灾害研究;(3)亚太地区海面在反演问题理论方面,最突出的工作是重力位确定,有变化及其影响的研究。200年的上海ABSG会议上,又成立学者从质量控制的角度研究了L-曲线方法,对反演解算中了第4个科学工作组,即”亚太地区重力学研究”工作组。的各种正则化方法进行了比较,并研究了处理有色噪声和统从1997年起,由亚太地区6个ⅥB站组成的ⅥB网支持每计模型的一些方法年的 APRGP(亚太区域大地测量观测项目)会战。而新成立空间新技术的广泛应用,使许多新的数学物理方法被广的有关重力测量和重力场研究的科学工作组旨在东亚地区泛引入到大地测量数据处理中。无论是从大地测量还是数学中国、日本和印度尼西亚)利用精密的超导和绝对重力测理论发展看,该领域都取得了许多重要成果。尤其是对乘法量仪器(FG-5)在2003—2005年之间开展重力联测噪声模型和混合整数线性模型的硏究,对于乘法噪声模型2.3非洲、中(南)美洲、南极洲地球动力学研究有学者利用有偏改正最小二乘方法和贝叶斯方法处理类似在中美洲地区,主要工作集中在启动位于中美洲地区in-SAR的乘法模型(尼加拉瓜、洪都拉斯等4国)的 RONMAC项目。该项目由众所周知,几何和物理模型只能是对现实的一种近似美国政府设计,主要是为了研究Mich颶凤的影响。该网的因此,被选模型和观测值之间的差异是不确定的。在大地测建成也使中美洲地区的大地测量框架得到了极大改善,同时量里,这种差异要么保持没有分类的状态,要么被认为是完该网可以为相关部门提供基础气象数据,并可以开展海平面全随机的。对于第一种情况可以通过稳健估计,而第二情形监测方面的研究工作,则可以通过基于概率理论的随机方法解决。与此相反,随机非洲的 Hartebeesthoek天文台( HartRAO)在过去四年里理论并不是一种可以解决所有具有不确定特征问题的方法成为全球一个重要空间大地测量观测基地。该观测站包括三例如在动态差分GPS中,由于末知系统误差的影响产生不精个空间大地测量观测手段(GSSR、ⅥB),同时还配置确是一种相对的不确定性。在GIS中,空间目标之间模糊或了DORS系统不清楚的迁移也属于此范畴。因此,大地测量数据分析中的南极洲开展的地球动力学研究主要由澳大利亚的有关研非概率估计在过去几年里也取得了一些重要进展。究机构牵头,通过全球广泛的合作取得了许多重要成果,其中最主要的有:(1)2001、2002、2003年开展了周期性的地参考文献壳形变监测会战(包括GPS野外会战和永久站观测);(2)[1]党亚民,陈俊勇.全球大地测量地心坐标参考框架最积极组织了永久性大地测量观测(GPS、 DORISⅥB、验新进J]测绘科学,2004,29(1)潮站、绝对和低温重力测量)工作;(3)开展了局部和区域[2]陈俊勇,党亚民.国际大地测量和地球动物理联合会的大地測量数据联合处理,积极促成这些数据参与到国际参2003年日本大会札试J].测绘科学,2003,28(3)考框架的定义。[3]胡明城.地球参考框架和动态地瑓J]测绘科学3大地测量数据处理2003,28(2)大地测量数据处理是大地测量研究工作中一项令人着迷但又充满挑战的工作,在过去四年里,伴随着许多新的大地作者简介:党亚民(1965-)男,博士,测量学科增长点的岀现,新的数据处理的理论和方法也不断研究员,主要从事GIS和地球动力学领域涌现。实际上,传统的大地测量数据处理方法在大地测量科的研究学家们的共同努力下跃上了一个新台阶。概括地说,大地测量基本理论和方法的研究可归纳成以下几个方面:(1)统计和优化问题;(2)数值和近似方法;(3)物理大地测量边值问题;(4)均衡地球参考模型研究;(5)小波分析的大地测量和地球动力学应用;(6)联合反演重中国煤化工名人名言CNMHG拘泥于一种见解,常使人完全坚信其正确;它掩盖了缺陷,并使找们个能授堂与它相反的证参瑞典]化学家贝来里乌斯