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作者：

孙张振

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摘要：

地球自转参数(Earth Rotation Parameters,ERP)是地球观测的重要组成部分,表征着地球自转运动的整体变化,是地球各圈层地核,地幔,地壳,海洋和大气等综合作用的直接反映.ERP包含极移运动(Polar Motion,PM),世界时(UT1-UTC)和日长变化(LengthofDay,LOD),对卫星精密定轨,深空探测等具有重要意义,同时也是地球参考框架和天球参考框架相互转换的必要参数,特别在空间基准长期维持方面,具有至关重要的作用.由于现代大地测量技术数据处理的复杂性和各技术间参考基准的不一致性,高精度ERP数据的获取具有几天至几周的滞后,这给人造卫星定轨及深空探测带来了不小的挑战.随着现代大地测量,空间飞行器跟踪等技术的不断发展,未来对ERP长期预报数据和高精度的需求越来越迫切,也使得现有ERP预报算法亟待改进.地球自转与地球环境的变化联系紧密,探索地球自转运动的时变性和内部形成机理对ERP建模具有一定的促进作用.研究周期时变性特征有助于改善ERP建模和外推精度,进而提高ERP的预报精度.为了进一步改进ERP的预报理论与方法,论文从探测ERP固有周期项特性入手,深入分析ERP各分量固有周期项,趋势项等变化特性,提出了一系列ERP预报新算法.主要的研究工作如下:(1)分析了 EOP 08C04与EOP 14C04序列之间的区别与联系,揭示了 2011年3月两序列在极移Y分量上存在较大跳变的具体原因,并评估了两序列对ERP预报结果的影响.2017年2月1日,IERS发布了最新的地球定向参数序列EOP 14C04,同时EOP 08C04序列仍在继续更新,两者之间的区别与联系是一个值得深入研究的问题.本文首先对两序列之间的一致性进行了评估,揭示了两序列在极移分量上存在一定速率的趋势项偏差,该偏差是由ITRF2014与ITRF2008之间在Z方向上存在-0.1 mm/年的平移速率差异引起的.其次,通过EOP 14C04和EOP 08C04一致性分析,发现极移Y分量在2011年3月至2015年存在较大的跳变现象,这是由2011年日本大地震所致,地震引起日本区域近乎所有地面参考站产生了不同程度的偏离,且在之后数年间一直存在地壳形变回弹现象.最后,利用国际上认可的LS+AR模型对两序列ERP进行预报,发现EOP 14C04包含有更多的高频信息,这是因为该序列在解算时,使用的监测站数量更多,监测网更密.(2)基于ERP观测数据对地球自转固有特性进行了深入分析,发现了在极移中存在逆向半周年项,并对其振幅和周期大小进行了确定.地球自转运动并非恒定不变的,它会随着外界环境的变化而产生缓慢变化.本文利用Fourier变换带通滤波(FTBPF)对ERP中的主要周期项进行提取和重构,分析了各周期项对ERP的贡献,发现极移中不仅存在较为显著的逆向周年摆动,还存在着逆向半周年项,并计算给出了其振幅和周期大小.然后,分析了Chandler摆动时变性特征,探测到其在2016年前后衰减至最低状态,这也是自2010年起,其固有极移速率周期性变化不显著的主要因素.此外,在Chandler摆动周期确定时,若基础序列长度不足的情况下,会表现为双频或多频现象,进一步解释了国内外一些学者认为的Chandler摆动具有双频震荡现象.最后,分析了 UT1-UTC/LOD周年项和半周年项的时变性特征,发现UT1-UTC/LOD除了主要含有周年和半周年项外,还含有频带较宽,周期为870天的分量.UT1-UTC/LOD周年项和半周年项振幅变化不大,较为稳定.在UT1-UTC半周年项长期维持在8 ms,周年项长期维持在12 ms;LOD半周年项长期维持在0.12 ms,周年项长期维持在0.2 ms.瞬时周期值随着时间的不同而变化,半周年项变化范围为180-185天,周年项为361-369天.(3)针对极移运动中周期项变化特征,分析了逆向周年项和逆向半周年项对极移预报的影响;同时,进一步分析了不同周期项对UT1-UTC/LOD预报的影响.极移周期项变化较大,且周期项还含有逆向部分,这给极移运动的建模和预报带来了较大难度.本文基于LS+AR模型,探讨了极移中不同周期项对极移预报的影响.结果表明,极移建模中当顾及逆向周年项时,可有效改善极移X和Y分量的预报精度,再顾及逆向半周年项时,可进一步改进极移X分量中期及中长期预报精度.在UT1-UTC/LOD分量,扣除主要的趋势性信息的情况下,其主要包含周年项,半周年项,振幅较小的1/3周年项和频带较宽的870天周期项.系统分析了上述周期项对UT1-UTC/LOD预报的影响,结果表明1/3周年项和870天周年项对UT1-UTC/LOD预报影响较小,这是因为1/3周年项振幅较小,对UT1-UTC/LOD的贡献不大.870天周年项频带较宽,在进行建模时该周期项对其预报结果的影响不大.故在进行UT1-UTC/LOD预报时,可忽略870天周年项和1/3周年项,在不影响预报精度前提下,可显著提高建模效率.(4)顾及ERP近期数据的强相关性和观测数据精度影响,提出一种改进的加权最小二乘与自回归组合预报模型,并分析了 ERP各周期项的时变性对预报精度的影响.LS+AR模型在进行ERP预报时,具有边界拟合精度不高,外推误差偏大的特点,本文基于ERP数据中近期数据对未来趋势具有强相关性的特点,结合ERP观测数据精度,提出了一种顾及观测精度和近期数据强相关性的改进WLS+AR方法.预报结果表明,本文提出的加权方法有效提高了极移分量的预报精度;在UT1-UTC/LOD预报上,改进了中长期的预报精度.同时,鉴于ERP周期项具有时变性,进一步分析了周期时变性对预报精度的影响,即:在进行预报之前首先确定基础序列固有周期的均衡周期,进而更好的模拟ERP的运动特点,以获得更优的外推精度.预报结果表明,当顾及固有周期项的时变性时,大大改善了极移分量的预报精度,尤其是对极移X分量的预报,在中长期预报上其精度提高近 40%.(5)提出了一种附加约束的多项式曲线拟合,加权最小二乘和自回归联合预报方法(PCF+WLS+AR),大大提高了 UT1-UTC预报的精度和可靠性.多项式曲线拟合(PCF)可以较为精确描述UT1-UTC趋势项,但在PCF外推时具有发散特性,需要优选适合外推的PCF阶数.本文根据UT1-UTC周年变化特点,设计了周年约束和区间约束的方法来优选PCF阶数.结果表明,附加约束的PCF+WLS+AR组合预报模型可获得更好的UT1-UTC预报精度,尤其是在中长期预报上,其精度改善近30%.(6)将IGS极移速率观测值加入到极移预报,大大提高了极移的近实时预报精度;同时将LOD和AAM观测值加入到UT1-UTC分量建模和预报,有效改进了 UT1-UTC近期预报精度.极移速率是IGS提供的一种ERP产品,该产品根据GNSS技术测定,包含极移和极移速率,精度较高.极移运动与IGS极移速率具有较强的相关性,本文尝试将IGS速率加入到极移预报中,在此基础上提出了顾及IGS极移速率的WLS+MAR极移预报模型.预报结果表明,极移速率的加入大大提高了极移的近实时预报精度(1-5天).类似的,对于UT1-UTC分量,LOD可认为是UT1-UTC的速率,同时AAM与UT1-UTC之间也具有强相关性,本文将LOD和AAM引入到UT1-UTC的建模和预报中.结果表明,LOD和AAM的加入,有效改善了UT1-UTC的近期预报精度.

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年份：

2020