楊 強(qiáng)，杜 彬，2，黨亞民，章傳銀

（1.中國測繪科學(xué)研究院，北京 100830；2.山東科技大學(xué)，山東 青島 266590）

1 引言

根據(jù)IERS技術(shù)規(guī)范，地球參考系的原點(diǎn)定義在地球質(zhì)心上，如果不考慮外力作用，地球質(zhì)心運(yùn)動將是慣性的，它不因?yàn)榈乇硭?、大氣、海洋和地幔對流等質(zhì)量遷移而受影響［1］。但實(shí)際情況是，由于大地測量的全球觀測網(wǎng)（SLR、VLBI、GNSS等）建立在地球表面，因而觀測到的地心總是受到地表水、大氣、海平面變化、地幔對流和液核振蕩等質(zhì)量遷移等得影響，從而產(chǎn)生變化，這種變化稱為地心運(yùn)動。為進(jìn)一步改善地心框架的進(jìn)度，需要對地心運(yùn)動進(jìn)行研究。

目前采用SLR計(jì)算地心運(yùn)動主要有3種方法：①參數(shù)轉(zhuǎn)換法；②直接估計(jì)法；③動力法。參數(shù)轉(zhuǎn)換是按照一定的時間間隔求解一組站坐標(biāo)序列，然后利用Helmert參數(shù)轉(zhuǎn)換模型，計(jì)算測站坐標(biāo)到某一參考框架間的轉(zhuǎn)換參數(shù)。直接估計(jì)法就是在衛(wèi)星精密定軌過程中將地心運(yùn)動作為待估參數(shù)，在測量模型中加地心運(yùn)動改正項(xiàng)，通過循環(huán)迭代得出地心的位移量。動力法則是通過解算地球引力位一階系數(shù)變化達(dá)到計(jì)算地球質(zhì)心位置變化的目的［2］。

國內(nèi)外許多學(xué)者對SLR反演低階球諧系數(shù)及地心運(yùn)動等進(jìn)行了大量的研究。文獻(xiàn)［3－4］通過多種方法研究了SLR反演J2項(xiàng)等低階球諧系數(shù)，并分析其時變特征及影響因素；文獻(xiàn)［5］利用SLR等多種空間大地測量數(shù)據(jù)研究了地心、參考框架原點(diǎn)定義以及地表負(fù)荷的影響；文獻(xiàn)［6］研究了大氣、海洋以及地表水對地心運(yùn)動的影響；文獻(xiàn)［7］通過地球質(zhì)心與框架原點(diǎn)坐標(biāo)赫爾默特轉(zhuǎn)換估計(jì)了地心運(yùn)動，并探討了大氣負(fù)荷對地心運(yùn)動的影響。

在上述研究的基礎(chǔ)上，本文主要利用SLR觀測數(shù)據(jù)反演1階球諧系數(shù)并計(jì)算地球質(zhì)心。

2 SLR反演1階球諧系數(shù)

SLR數(shù)據(jù)對重力信號是敏感的，因此可以使用SLR反演球諧系數(shù)建立地球重力場模型。SLR觀測方程可以表示為

式中，XP、YP、ZP表示地面站P點(diǎn)的地心坐標(biāo)，Xs、Ys、Zs表示衛(wèi)星的坐標(biāo)。

SLR觀測距離與地球重力場位系數(shù)關(guān)系公式可以簡略表示為

實(shí)際計(jì)算過程中，地面站坐標(biāo)XP、YP、ZP，衛(wèi)星坐標(biāo)均為已知值，直接代入公式求解1階球諧系數(shù)。

全球SLR觀測站分布如圖1所示。

圖1 SLR地面觀測站分布

目前SLR衛(wèi)星中，Lageos衛(wèi)星數(shù)據(jù)精度較高，因此本文主要采用Lageos1及Lageos2衛(wèi)星數(shù)據(jù)。由于這兩顆衛(wèi)星的軌道有差別，Lageos1的軌道傾角為110°，為逆行軌道；而Lageos2的軌道傾角為52°，是順行軌道。它們聯(lián)合解算可以在空間幾何結(jié)構(gòu)上起到互補(bǔ)作用，同時可消除資料的空間分布的影響。以2003年Lageos1及Lageos2衛(wèi)星數(shù)據(jù)求解1階球諧系數(shù)，結(jié)果如圖2所示。

3 地球質(zhì)心

得到1階球諧系數(shù)后，利用式（3）計(jì)算球質(zhì)心

圖2 1993年－2006年球諧系數(shù)變化（周解）

這里，α＝6 378 136.3m。計(jì)算得到地球質(zhì)心運(yùn)動的時間序列如圖3所示

圖3 1993年－2006年地心變化

計(jì)算結(jié)果表明，地球質(zhì)心X方向振幅為25.5mm±3.2mm；Y方向變化在28.6mm±2.3mm；Z方向較大，為35.0mm±4.3mm。

4 結(jié)論

本文利用Lageos1及Lageos2衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)反演了1階引力位球諧系數(shù)，進(jìn)而得到了地球質(zhì)心變化，結(jié)論如下。

（1）SLR衛(wèi)星對于低階重力場信號敏感，適用于用于低階球諧系數(shù)的反演。1階球諧系數(shù)多年反演結(jié)果顯示，C10、C11及S11的量級為10－8。

（2）1階球諧系數(shù)的物理意義，反映的是地球質(zhì)心，因此可以直接用于地球質(zhì)心的計(jì)算。本文計(jì)算結(jié)果顯示，1993年－2006年，地球質(zhì)心變化X方向振幅為25.5mm±3.2mm；Y方向變化在28.6mm±2.3mm；Z 方 向 較 大， 為 35.0mm±4.3mm。

［1］ DONG D，DICKEY J O，CHAO Y，etal.Geocenter Variations Caused by Mass Redistribution of Surface Geophysical Processes［EB／OL］.［2012－12－10］.http：／／trs－new.jpl.nasa.gov／dspace／bitstream／2014／20209／1／98－1093.pdf.

［2］ 秦顯平，楊元喜.用SLR數(shù)據(jù)導(dǎo)出的地心運(yùn)動結(jié)果［J］.測繪學(xué)報(bào)，2003，32（2）：120－124.

［3］ CHENG M K，TAPLEY B D.Seasonal Variations in Low Degree Zonal Harmonics of the Earth’s Gravity Field from Satellite Laser Ranging Observations［J］.Journal of Geophysical Research，1999，104（B2）：2667－2681.

［4］ CHENG M K，TAPLEY B D.Temporal Variations in J2from Analysis of SLR Data［EB／OL］.［2012－12－10］.http：／／cddis.gsfc.nasa.gov／lw12／docs／cheng＿et＿al＿SLR2000.pdf.

［5］ GEOFFREY B.Self－consistency in Reference Frames，Geocenter Definition，and Surface Loading of the Solid Earth［J］.Journal of Geophysical Research，2003，108（B2）：2103.

［6］ DONG D，DICKEY J O，CHAO Y，etal.Geocenter Variations Caused by Atmosphere，Ocean and Surface Ground Water［J］.Geophysical Research Letters，1997，24（15）：1867－1870.

［7］ TREGONING P.Effects of Atmospheric Pressure Loading and Seven－parameter Transformations on Estimates of Geocenter Motion and Station Heights from Space Geodetic Observations［J］.Journal of Geophysical Research，2005，110（B03408）：1－12.