地球质心变化对大地测量的影响分析.pdf

2017年第2期(总第203期
江西建材
勘察与测绘
地球质心变化对大地测量的影响分析
■郝亮,章传银2
1.山东科技大学测绘科学与工程学院,山东青岛266590
2.中国测绘科学研究院大地测量与地球动力学研究所,北京100830
摘要:地球质心在大地测量学、全球导航定位、地球科学中貝有重要地位,地球
式中:r(1)为历元时刻地球内部流动点位置向量;2表示对地球
质心的变化会对大地测量结果引人误差。本文分析了地球质心的変化、整体积分。地球质心CM通常用作卫星动力学和星际动力学参考系的
介绍了3种地球参考系原点的选取方案,分析了地心运动的影响因素及
时变特点,重点介绍了地心运动对大地测量结果的影响,并给出了具体
(2)固体地球的质量中心( Center of Mass of the solid earth,CE)。不
的改正方法
关鍵词:地心运动地球质心大地测量改正
包括地球表层负荷形变,通常在地球物理和地球动力学中用于计算固
体地球形变,它在地球参考系中可表为
引言
ra()、「vr(t)dm、r(t)dm
地球表层的水循环,包括海平面变化、冰川消融、地表径流及地下
水变化和大气変化,是许多地球物理过程的激发。这些物理过程导致
式中:V表示对固体地球整体积分;M、为固体地球的总质量。
海洋和大气循环、全球气候变化、水文循环存在于一个很大范間的空间
(3)固体地球表面的形状中心( Center of Figure of the solid
和时间尺度。地球表层质量较大的变化多发生于季节性的时间尺度
earth surface,CF)。简称地売(地面)形状中心,理论上可定义为
质量迁移的最大空间波长为地球重力场位系数1阶项,包括南北半球对于CF,整个固体地球表面的速度场为零。CF与地球的质量分布
之间的质量交换,这种1阶项质量受固体地球形变影响,导致固体地球无自接的关系,通常用于地面的大地测量和形变测量,是地球物理和大
质心和几何中心间厘米级的运动。地心运动与固体地球内部机制有
地测量学常用的地球参考框架,它在地球参考系中可表为
关,监测地心运动可以验证地球内部动力学现象。许多现代大地测量
PGR(1)-4mlor(6, A)sin 8d]
观测系统可利用地面站和绕地球轨道上卫星之间的观测数据嗌测地心
式中:o为单位球面,表示对整个固体地球表而积分
运动。地心运动与 ITRF的实现密切相关,影响多个方的全球变化監
若直接采用(2)式实现瞬时地球质心CM,不仅需要知道地球内
地球质心( Center of Mass of the earth system,CM)指的是包括海洋
部、还需要知道表层负荷的质量分布及其变化,这儿乎是不可能的。虽
然CPS卫星轨道也遵守开普勒定律,轨道原点原则上是CM,但由于天
大气等的整个地球系统的质量重心,它也是地球卫星绕其旋转的动力
线相位中心等系统误差的影响,不能准确实现CM:VLBI缺少轨道动力
学中心。与地球自转变化一样,受地球质量分布変化、地球形変和地球学约東,不能直接实现CM;SIR卫星轨道可以准确实现CM原点,但不
内部动力学影响,地球质心在不断变化中。地球质心变化只有周期性
能对框架的定问等进行约東,还必须依靠地基约東来实现整个地球参
和非周期性同时,也貝有一定的长期性和随机性。
考框架。可见,当前的空间大地测量技术部难以借助卫星轨道来直接
地球质心在大地测量学、全球导航定位、卫星跟踪定轨以及天体力
实现瞬时地球质心CM。
学、地球科学、大气和海洋学中其有重要地位。天球参考框架以地球质
种可行的方法是:采用(4)式,由均匀分布在地面上地球参考框
心为中心,地心相对于国际地球参考框架的运动直接影响了地球定向架点的瞬时位置来实现CF。实际上,式(4)也不易直接实现,一般只能
参数、卫星轨道参数和地球重力场低阶位系数的确定以及高精度地心采用一定数目、分布合理的测站组成地面网,在满足地売形变无整网平
坐标系的建立
移的条件下近似实现CF,即要求地売形变在任意历元相对于参考历元
地球质心的变化
采用地球质心CM作为地球参考系原点有一三方面的考虑:(1)从卫
都为零。
星动力学角度,地球卫星轨道遵守开普勒定律,地球质心是卫星轨道的
地心运动的影向因素及时変特点
对于地球参考框架,更多关注的是年、季节性和更短周期的地心运
原点:2从天体力学角度,在研究地球受到其他天体的引力作用动动、这类地心运动主要受大气海洋、地表及地下水等表层负荷的1阶
时,地球质心运动代表地球的整体运动:(3)从地球系统本身来说,如果
不考虑外力作用,地球质心的运动是惯性的,它不因为地売、地表水、大
项激发,以及非潮沙地売均衡响应和海平面长周期变化的影响。若用
气、海洋等物质运动(不含密度分布变化)而受到影响。TFRS协议的地
地表面密度变化对这些因素引起的密度变化进行建模。
大气潮、海溯负荷対地心运动的影响是周期性的,频率分别与大气
球参考系原点约定为地球质心CM
潮、海潮频率相当。地下水变化、地面及地下径流、大气压变化对地心
地球质心运动可用地球重力场1阶位系数变化表示。设参考历元运动的影响主要表现为季节性和周年变化,并呈现一定的非线性;海平
b到目标历元的这段时间里,1阶规格化位系数变化值为、いS商变化具有丰富的时空尺度,对地心运动影响的频率从半目周期到长
△C1,△S1)由地球重力场基本理论可知,实际地球质心运动可表示期广泛分布
为
较大空间大尺度的质量调整具有季节性和长周期变化特性,对地
△x=3R△C1,△y=√3R△S1,△x=3R△C1
(1)心运动(振幅)的影响在2cm量级。海潮对地心运动的贡献约为1cm
采用1阶位系数变化表示的地心质心运动,反映的是地球物理因其中半日和周日海潮分潮对地心运动的贡献为亚耄米一儿毫米不等
素对地球质心运动的总贡献。注意到3HR≈107m,由(1)式可知,若要大气压主要受周日太阳照射和半日引潮力驱动,呈现周日和半日变化
求地心运动测定精度为毫米量级,1阶规格化位系数应精确到10-量引起地面负荷变化,赤道附近由于太阳辐射长而影响大,这种大气负荷
变化对地心运动的贡献可达到几毫米水平
地球参考系原点通常有如下三种选择方案
冰盖冰川消融和海平面长期变化在相当长时间内诱导地売均衡调
く2(1)理想的地球质心CM。由牛顿万有引力定律,理想的地球质心整,由于地球的粘濡性,这种均衡调整在时间尺度和空间尺度上都具有
M及其随时间t的变化在地球参考系中可表示为:
很大的范围,均衡调整幅度在空间上不均匀,由均衡理论可知,地売厚
rcv(t)!or(L)dm nr(1)dm
的地方均衡调整幅度比地売薄的地方调整幅度要小。这些因素对地心
(2)运动的影响表现为随时间变化,量级可达到1mmv/a,方向大致指向北
万方数据