第29卷第2期測(cè)繪科學(xué)Vol 29 No. 2204年4月Science of Surveying and MappingAprGPS和地球動(dòng)力學(xué)進(jìn)展黨亞民中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院,北京100039)【摘要】在2003年7月日本舉行的第23屆IUGG大會(huì)上,全球大地測(cè)量領(lǐng)域的專家和學(xué)者對(duì)GPS的技術(shù)改進(jìn)和應(yīng)用、GFS及其地球動(dòng)力學(xué)應(yīng)用方面等做了較為系統(tǒng)的交流。本文對(duì)這次會(huì)議中有關(guān)GPS及其地球動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域的最新研究成果及大地測(cè)量數(shù)據(jù)處理的最新進(jìn)展做簡(jiǎn)要介紹?！娟P(guān)鍵詞】GFS;形變;監(jiān)測(cè);地球動(dòng)力學(xué);數(shù)據(jù)處理【中圖分類號(hào)】P22【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A【文章編號(hào)】1009-2307(2004)02-0077-031GFS及其應(yīng)用研究行估計(jì),然后對(duì)利用Ll、12和偽距進(jìn)行測(cè)量定位的用戶提供相應(yīng)的誤差模型進(jìn)行改正。1.1精密衛(wèi)星定位的廣域模型1.1.2精化隨機(jī)模型對(duì)各種誤差模型化精密的衛(wèi)星定位需要利用載波相位并對(duì)與載波相位有關(guān)利用最小二乘法進(jìn)行參數(shù)估計(jì)最關(guān)鍵的是要選擇合適的的整周模糊度通過適當(dāng)?shù)姆椒ㄟM(jìn)行解算。由于用戶接收杋離函數(shù)模型和隨杋模型。隨杋模型應(yīng)該表征各種模型誤差的隨開參考站的距離從幾公里到幾百公里不等,當(dāng)距離增加時(shí),機(jī)特征。選擇不同的觀測(cè)值函數(shù)模型,則需要選擇相應(yīng)的隨和距離有關(guān)的偏差被引入,整周模糊度解算問題就成為高精杋模型。例如在函數(shù)模型里將電離層延遲看作是一個(gè)未知參度衛(wèi)星定位的一個(gè)難點(diǎn)問題。數(shù),則在模型誤差里不再包括電離層偏差的殘差,這時(shí)電離用于精密衛(wèi)星定位的”廣域模型”要求或者足夠長(zhǎng)的數(shù)層延遲殘差表現(xiàn)為隨機(jī)特性。過去幾年,對(duì)高F測(cè)量據(jù)觀測(cè)以估計(jì)函數(shù)模型中的各種偏差參數(shù),或通過多參考站的GⅣS信號(hào)誤差的隨機(jī)模型研究了一種 SIGMA-模型,在來實(shí)現(xiàn)。對(duì)于第一種方法,所有的誤差源,如衛(wèi)星軌道偏SλMA-模型中最常用的一個(gè)基本信息是觀測(cè)值的載波-噪差、大氣參數(shù)、接收機(jī)內(nèi)部頻道( Inter- channel)偏差,以聲(功率密度)比率C/O( carrier-to- noise power density及用戶的位置,都必須同時(shí)通過解算得到,這種方法主要用lio)利用C/№值和模板( template)技術(shù),則可以得到適于大地測(cè)量靜態(tài)定位(例如基于IGS的站坐標(biāo)確定,以及精當(dāng)?shù)南辔挥^測(cè)值協(xié)方差,從而自動(dòng)對(duì)觀測(cè)相位進(jìn)行質(zhì)量評(píng)密的衛(wèi)星軌道確定)第二種方法既可以先對(duì)各種偏差參數(shù)定,如果觀測(cè)值懷疑被“污染〃,則在后面的最小二乘估計(jì)進(jìn)行估計(jì),然后將內(nèi)插參數(shù)應(yīng)用到觀測(cè)值,也可以利用多個(gè)中做“降權(quán)”處理參考站數(shù)據(jù)產(chǎn)生所謂的″虛擬參考站″。該領(lǐng)域過去幾年的1.1.3整周模糊度算法研究工作主要集中在以下三個(gè)方面整周模糊度解算(AR)技術(shù)已經(jīng)開展了大量卓有成效1.1.1改進(jìn)函數(shù)模型對(duì)各種誤差模型化地研究,在過去10年里,整周模糊度搜索技術(shù)得到了極大開展了中距離(1050km)基于單參考站的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的改進(jìn), LAMBDA方法是其中最為突出的。除此之外,還提〔RIK)GS定位系統(tǒng)的研究。和距離有關(guān)的誤差如電離層和出了其它整周模糊度搜索方法,如反演整數(shù) Cholesky去相關(guān)對(duì)流層引起的誤差都被歸到函數(shù)模型里。對(duì)多參考站中、長(zhǎng)方法以及 Lenstra, Lenstra和 Lovasz(LLL)方法等距離RIK定位函數(shù)模型的改進(jìn)的主要研究?jī)?nèi)容包括減弱多12GPS遙感大氣參數(shù)路徑效應(yīng)、改進(jìn)對(duì)流層模型和區(qū)域電離層模型、軌道偏差模GF作為遙感大氣層的一種新工具,在過去幾年的研究型等。這些偏差可以通過一些特殊旳方法,或在函數(shù)模型里和實(shí)際應(yīng)用中已被證明是一種非常有效的大氣探測(cè)手段。根對(duì)不同的誤差設(shè)定不同的參數(shù)來解決據(jù)氣象預(yù)報(bào)要求,GP網(wǎng)的氣象參數(shù)已接近實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)。而用深入研究了GFS數(shù)據(jù)處理中減弱系統(tǒng)誤差的″半?yún)?shù)最于氣象硏究的長(zhǎng)時(shí)間序列的G數(shù)據(jù)積累也成為科學(xué)家們小二乘法”。目前采用的方法是將所有系統(tǒng)誤差合在一起當(dāng)感興趣的一個(gè)課題。除此之外,由于最近幾年太陽(yáng)活動(dòng)頻作一個(gè)平滑函數(shù),在數(shù)據(jù)處理中進(jìn)行估計(jì)。初步結(jié)果顯示該繁,利用GS進(jìn)行電離層研究也是一個(gè)熱點(diǎn)課題。方法在30km的”短”基線上取得了令人鼓舞的結(jié)果。1.2.1大氣水汽含量的確定在多參考站 GPS/GLONASS測(cè)量和導(dǎo)航應(yīng)用中,提出了日前是地基GPS監(jiān)測(cè)網(wǎng)的主種新的方法,這種方法將和距離有關(guān)的誤差分成與頻率有要產(chǎn)中國(guó)煤化工網(wǎng)不斷加密,數(shù)據(jù)分析關(guān)(電離層誤差)及與頻率無關(guān)(對(duì)流層誤差和軌道偏差)質(zhì)量1CNMHG算的質(zhì)量和可用性都得的誤差,利用多參考站載波相位觀測(cè)可以對(duì)兩種誤差分別進(jìn)到了極大改善。同時(shí),氣象工作者也在利用GF得到的ZTD收稿日期:2003-09-26測(cè)繪科學(xué)第29卷在氣象應(yīng)用方面開展了大量的研究工作,尤其是如何將Zm度解算進(jìn)行研究,尤其是研究合適的電離層和對(duì)流層模型結(jié)果更好地應(yīng)用于數(shù)值天氣預(yù)報(bào)(NwP)方面更是該領(lǐng)域研以及這些模型對(duì)整周模糊度解算和天線相位中心變化的影究的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。對(duì)于ZI應(yīng)用,僅僅準(zhǔn)時(shí)提供ZI并不響。除此之外,對(duì)區(qū)域內(nèi)適用于各種不同目的的衛(wèi)星星歷進(jìn)能滿足數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的要求,更重要的是要證明由GP導(dǎo)出行了研究,主要對(duì)以下三種衛(wèi)星軌道進(jìn)行了研究:(1)廣播的ZI結(jié)果對(duì)數(shù)值天氣預(yù)報(bào)有良性影響。星歷;(2)IGS精密星歷;(3) IGS Ultra快速軌道等。另外在過去幾年,GS數(shù)據(jù)處理和分析取得了巨大進(jìn)展,這還對(duì)虛擬參考站的理論和實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究,并對(duì)些進(jìn)展也使Iw和GFs站坐標(biāo)估計(jì)的精度也取得了顯著的區(qū)域性GS/ GLONASS組合定位的方法進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研提高。這些進(jìn)展主要體現(xiàn)在對(duì)天線相位中心和多路徑的改究。在GFS水位測(cè)量的應(yīng)用研究中,主要是利用GPS浮標(biāo)測(cè)進(jìn),以及利用無線電輻射儀〔 radiosonde)觀測(cè)對(duì)映射函數(shù)開量海平面的連續(xù)變化,這一領(lǐng)域最初是想開展有關(guān)目前和未展的研究。來衛(wèi)星雷達(dá)測(cè)高(RA)標(biāo)定和監(jiān)測(cè)方面的工作。除此之外,為了更好地將天頂距總延遲(ZI)應(yīng)用于數(shù)值天氣預(yù)還開展了利用GS進(jìn)行河面、湖面的監(jiān)測(cè),同時(shí)將驗(yàn)潮站聯(lián)報(bào)(NwP),這就要求ZI估計(jì)應(yīng)該在1-2h內(nèi)解算得到,這測(cè)到全球參考框架中。也是過去幾年GPS氣象學(xué)研究的一個(gè)熱點(diǎn),目前在全球范圍到目前為止,G浮標(biāo)技術(shù)仍然被看作是一項(xiàng)新技術(shù)建立了許多G觀測(cè)網(wǎng),例如歐洲、美國(guó)、亞洲、新西蘭以不同的研究組利用不同類型的GⅣ浮標(biāo),其概念也不完全統(tǒng)及日本等監(jiān)測(cè)網(wǎng)都開展了這方面的研究工作。尤其是日本GEONET網(wǎng),以及歐洲和美國(guó)類似的監(jiān)測(cè)網(wǎng)都取得了令人振2地殼形變監(jiān)測(cè)和地球動(dòng)力學(xué)奮的成果空間大地測(cè)量觀測(cè)為監(jiān)測(cè)全球、區(qū)域和局部地殼形變和利用地面GFS網(wǎng)可以觀測(cè)地球大氣層整體水汽含量運(yùn)動(dòng)提供了非常便利的條件。為全球地球動(dòng)力學(xué)研究提供了〔Iw)和總電子含量〔TC)水汽是大氣中一個(gè)極其重要非常好的約束條件,另外也為研究小范圍的地球物理現(xiàn)象提的要素。為了在應(yīng)用天氣預(yù)報(bào)中發(fā)揮作用,首先需要GPs監(jiān)供了豐富的資料。重力觀測(cè)資料(絕對(duì)重力和相對(duì)重力)則測(cè)網(wǎng)能夠提供近乎實(shí)時(shí)的(大約h的延遲)水汽分布,同提供了全球詳實(shí)的陸地重力場(chǎng)及其隨時(shí)間變化特征。超導(dǎo)重時(shí)GⅣS觀測(cè)值能夠很好地結(jié)合到數(shù)值天氣預(yù)報(bào)〔NWP)模型力儀器更是將重力測(cè)量的精度提高到10-0的精度,這對(duì)于中環(huán)境擾動(dòng)影響的監(jiān)測(cè)以及每年毫米量級(jí)的地殼垂直運(yùn)動(dòng)的監(jiān)1.2.2電子總含量(TEC)的估計(jì)測(cè)和模型化非常關(guān)鍵。所有這些大地測(cè)量觀測(cè)數(shù)據(jù),結(jié)合其雙頻GⅣS接收機(jī)能夠給岀沿衛(wèi)星—接收杋信號(hào)路徑的他地球物理和地質(zhì)資料,為亼類了解地球構(gòu)造、演化以及動(dòng)電子總含量(TEC)通過區(qū)域和全球GS網(wǎng),可以估計(jì)出力特征提供了最基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)有關(guān)電子總含量時(shí)空分布的相關(guān)參數(shù)。這些全球區(qū)域近乎實(shí)對(duì)于地殼形變監(jiān)測(cè)的研究主要開展了以下幾個(gè)方面的工時(shí)的TEC估計(jì),對(duì)了解與空間天氣相關(guān)的電離層信號(hào)非常作:(1)研究活動(dòng)構(gòu)造區(qū)域的三維構(gòu)造運(yùn)動(dòng),許多碰撞邊界有用。例如,電離層風(fēng)暴的形成過程可以通過全球TEC模和垂直構(gòu)造運(yùn)動(dòng)相關(guān)的冰后回彈、海平面起伏和變化,以及型觀測(cè)岀來。同時(shí),實(shí)時(shí)精確確定TEC對(duì)DCFS和GF-環(huán)境變化對(duì)大地測(cè)量觀測(cè)的影響;(2)開展與上述三個(gè)領(lǐng)域RIK應(yīng)用是非常重要的。例如在加拿大,就建立了一個(gè)海岸相關(guān)的觀測(cè)、數(shù)據(jù)分析和地球動(dòng)力學(xué)解釋方面的工作;(3)警衛(wèi)隊(duì)DCF電離層預(yù)警系統(tǒng)。相關(guān)地球動(dòng)力學(xué)模型的研究永久性GPS監(jiān)測(cè)網(wǎng)為監(jiān)測(cè)電離層中的TEC提供了一個(gè)在全球范圍,有關(guān)地殼形變和地球動(dòng)力學(xué)的研究有很強(qiáng)理想的工具。1998年6月國(guó)際IGS服務(wù)中心啟動(dòng)了一個(gè)電離的地域特征,其中主要包括了歐洲的 WEGENER計(jì)劃,啟動(dòng)層向?qū)ы?xiàng)目( ionosphere Pilot Project)包括CODE、EMR、了歐洲中部的大地測(cè)量和地球動(dòng)力學(xué)項(xiàng)目,亞太地球動(dòng)力學(xué)FSA、πPL等國(guó)際數(shù)據(jù)分析處理中心參與了該項(xiàng)目。目前,計(jì)劃在過去4年取得了許多主要成果,同時(shí)增加了亞太重力用戶可以獲得有關(guān)電離層TEC估計(jì)的日解文件 IONEX。另方面的研究?jī)?nèi)容。此外在非洲,中、南美洲也都開展了區(qū)域外,針對(duì)2000年8月的日蝕和2001年的太陽(yáng)活動(dòng)高峰期,性地殼形變和地球動(dòng)力學(xué)研究計(jì)劃。還專門組織了相應(yīng)的特殊會(huì)戰(zhàn)。第23太陽(yáng)活動(dòng)周期在20002.1歐洲 WEGENER計(jì)劃年4月達(dá)到高峰。2001年下半年觀測(cè)到了第2次高峰。在此1999-2003年,歐洲 WEGENER主要開展了以下幾項(xiàng)工期間,太陽(yáng)流量( solar fl)值增大,地磁活動(dòng)明顯増加。作:(Ⅰ為了進(jìn)一步了解非洲和歐洲板塊邊界及其相鄰地區(qū)在第23太陽(yáng)活動(dòng)周期中,大約岀現(xiàn)了50次地磁暴〔最大的的地球動(dòng)力學(xué)特征,在該地區(qū)開展了三維地殼形變和重力方兩次發(fā)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)在芬諾斯堪迪亞( Fennoscandia)為中心的月1日期間)到2003年,在幾年里只有原先預(yù)測(cè)一半的地周邊地區(qū)開展三維地殼形變監(jiān)測(cè)方面的研究工作,以確定該磁暴發(fā)生,這意味著在第23太陽(yáng)活動(dòng)周期剩下的時(shí)間里會(huì)地區(qū)現(xiàn)今冰后冋彈旳量級(jí)·從而揭示地球旳粘彈性特征有另外約45次地磁暴發(fā)生,這也和上一次的太陽(yáng)活動(dòng)周期(3)開中國(guó)煤化工的研究工作。類似,即大量的地磁暴是在太陽(yáng)周期活動(dòng)高峰以后的兩三年2.2CNMHG里出現(xiàn)亞太地球動(dòng)力學(xué)計(jì)劃(APSG)是由我國(guó)著名科學(xué)家葉13GPS的其它應(yīng)用進(jìn)展淑華院士牽頭負(fù)責(zé)的亞太地區(qū)一個(gè)重要的大地測(cè)量和地球動(dòng)區(qū)域GPS永久陣列在過去四年里取得了巨大進(jìn)展,這一力學(xué)研究計(jì)劃,APSG的理事國(guó)有9個(gè):澳大利亞、中國(guó)方面的研究工作主要是考慮如何將區(qū)域性GPS網(wǎng)聯(lián)接到法國(guó)、德國(guó)、印度尼西亞、日本、南朝鮮、俄國(guó)和美國(guó)。在IIF框架上,并對(duì)幾十公里范圍內(nèi)多參考站網(wǎng)的整周模糊過去幾年中,該計(jì)劃產(chǎn)生了許多令人鼓舞的成果,也得到了2黨亞民和地球動(dòng)力學(xué)進(jìn)展79國(guó)際同行的廣泛關(guān)注和好評(píng)。APSG最早在1995年的LAG會(huì)力模型研究地球質(zhì)量密度分布;(7)變形和重力場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)議上獲得通過,一開始成立了三個(gè)科學(xué)工作組:(1)印度理論;(8)大地測(cè)量數(shù)據(jù)分析中的非概率估計(jì);(9)大地測(cè)歐亞板塊碰撞地區(qū)的地球動(dòng)力學(xué)和自然災(zāi)害研究;(2)西太量中的分形幾何( Fractal Geometry)等。平洋地區(qū)的地球動(dòng)力學(xué)和自然災(zāi)害研究;(3)亞太地區(qū)海面在反演問題理論方面,最突出的工作是重力位確定,有變化及其影響的研究。200年的上海ABSG會(huì)議上,又成立學(xué)者從質(zhì)量控制的角度研究了L-曲線方法,對(duì)反演解算中了第4個(gè)科學(xué)工作組,即”亞太地區(qū)重力學(xué)研究”工作組。的各種正則化方法進(jìn)行了比較,并研究了處理有色噪聲和統(tǒng)從1997年起,由亞太地區(qū)6個(gè)ⅥB站組成的ⅥB網(wǎng)支持每計(jì)模型的一些方法年的 APRGP(亞太區(qū)域大地測(cè)量觀測(cè)項(xiàng)目)會(huì)戰(zhàn)。而新成立空間新技術(shù)的廣泛應(yīng)用,使許多新的數(shù)學(xué)物理方法被廣的有關(guān)重力測(cè)量和重力場(chǎng)研究的科學(xué)工作組旨在東亞地區(qū)泛引入到大地測(cè)量數(shù)據(jù)處理中。無論是從大地測(cè)量還是數(shù)學(xué)中國(guó)、日本和印度尼西亞)利用精密的超導(dǎo)和絕對(duì)重力測(cè)理論發(fā)展看,該領(lǐng)域都取得了許多重要成果。尤其是對(duì)乘法量?jī)x器(FG-5)在2003—2005年之間開展重力聯(lián)測(cè)噪聲模型和混合整數(shù)線性模型的硏究,對(duì)于乘法噪聲模型2.3非洲、中(南)美洲、南極洲地球動(dòng)力學(xué)研究有學(xué)者利用有偏改正最小二乘方法和貝葉斯方法處理類似在中美洲地區(qū),主要工作集中在啟動(dòng)位于中美洲地區(qū)in-SAR的乘法模型(尼加拉瓜、洪都拉斯等4國(guó))的 RONMAC項(xiàng)目。該項(xiàng)目由眾所周知,幾何和物理模型只能是對(duì)現(xiàn)實(shí)的一種近似美國(guó)政府設(shè)計(jì),主要是為了研究Mich颶鳳的影響。該網(wǎng)的因此,被選模型和觀測(cè)值之間的差異是不確定的。在大地測(cè)建成也使中美洲地區(qū)的大地測(cè)量框架得到了極大改善,同時(shí)量里,這種差異要么保持沒有分類的狀態(tài),要么被認(rèn)為是完該網(wǎng)可以為相關(guān)部門提供基礎(chǔ)氣象數(shù)據(jù),并可以開展海平面全隨機(jī)的。對(duì)于第一種情況可以通過穩(wěn)健估計(jì),而第二情形監(jiān)測(cè)方面的研究工作,則可以通過基于概率理論的隨機(jī)方法解決。與此相反,隨機(jī)非洲的 Hartebeesthoek天文臺(tái)( HartRAO)在過去四年里理論并不是一種可以解決所有具有不確定特征問題的方法成為全球一個(gè)重要空間大地測(cè)量觀測(cè)基地。該觀測(cè)站包括三例如在動(dòng)態(tài)差分GPS中,由于末知系統(tǒng)誤差的影響產(chǎn)生不精個(gè)空間大地測(cè)量觀測(cè)手段(GSSR、ⅥB),同時(shí)還配置確是一種相對(duì)的不確定性。在GIS中,空間目標(biāo)之間模糊或了DORS系統(tǒng)不清楚的遷移也屬于此范疇。因此,大地測(cè)量數(shù)據(jù)分析中的南極洲開展的地球動(dòng)力學(xué)研究主要由澳大利亞的有關(guān)研非概率估計(jì)在過去幾年里也取得了一些重要進(jìn)展。究機(jī)構(gòu)牽頭,通過全球廣泛的合作取得了許多重要成果,其中最主要的有:(1)2001、2002、2003年開展了周期性的地參考文獻(xiàn)殼形變監(jiān)測(cè)會(huì)戰(zhàn)(包括GPS野外會(huì)戰(zhàn)和永久站觀測(cè));(2)[1]黨亞民,陳俊勇.全球大地測(cè)量地心坐標(biāo)參考框架最積極組織了永久性大地測(cè)量觀測(cè)(GPS、 DORISⅥB、驗(yàn)新進(jìn)J]測(cè)繪科學(xué),2004,29(1)潮站、絕對(duì)和低溫重力測(cè)量)工作;(3)開展了局部和區(qū)域[2]陳俊勇,黨亞民.國(guó)際大地測(cè)量和地球動(dòng)物理聯(lián)合會(huì)的大地測(cè)量數(shù)據(jù)聯(lián)合處理,積極促成這些數(shù)據(jù)參與到國(guó)際參2003年日本大會(huì)札試J].測(cè)繪科學(xué),2003,28(3)考框架的定義。[3]胡明城.地球參考框架和動(dòng)態(tài)地瑓J]測(cè)繪科學(xué)3大地測(cè)量數(shù)據(jù)處理2003,28(2)大地測(cè)量數(shù)據(jù)處理是大地測(cè)量研究工作中一項(xiàng)令人著迷但又充滿挑戰(zhàn)的工作,在過去四年里,伴隨著許多新的大地作者簡(jiǎn)介:黨亞民(1965-)男,博士,測(cè)量學(xué)科增長(zhǎng)點(diǎn)的岀現(xiàn),新的數(shù)據(jù)處理的理論和方法也不斷研究員,主要從事GIS和地球動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域涌現(xiàn)。實(shí)際上,傳統(tǒng)的大地測(cè)量數(shù)據(jù)處理方法在大地測(cè)量科的研究學(xué)家們的共同努力下躍上了一個(gè)新臺(tái)階。概括地說,大地測(cè)量基本理論和方法的研究可歸納成以下幾個(gè)方面:(1)統(tǒng)計(jì)和優(yōu)化問題;(2)數(shù)值和近似方法;(3)物理大地測(cè)量邊值問題;(4)均衡地球參考模型研究;(5)小波分析的大地測(cè)量和地球動(dòng)力學(xué)應(yīng)用;(6)聯(lián)合反演重中國(guó)煤化工名人名言CNMHG拘泥于一種見解,常使人完全堅(jiān)信其正確;它掩蓋了缺陷,并使找們個(gè)能授堂與它相反的證參瑞典]化學(xué)家貝來里烏斯