本书系统地阐述了毫米级地球参考架和EOP(地球定向参数)确定的现状、原理、所依赖的多种空间大地测量技术内混合方法和技术间综合方法及相应结果的分析，同时介绍了国际上最前沿的非线性地球参考架和EOP确定方法及野值和未标注的跳变探测等。为满足我国卫星导航、航空航天和地面实时监测应用及高精度时空基准的需要，又对EOP预报、区域地球参考架和EOP确定方法及结果进行了介绍和分析，形成了一套中国地球自转与参考系服务系统(CERS)产品。
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丛书序
前言
第1章绪论1
1.1地球参考架和EOP概念1
1.2地球参考架确定现状2
1.3EOP确定现状4
1.4多种空间大地测量综合的意义5
1.5本书结构8
第2章地球参考架的建立与维持10
2.1理想地球参考系11
2.2国际地球参考架ITRF的建立与维持.12
2.3利用空间大地测量技术建立地球参考架概况15
2.4地球参考架建立与维持可能发展方向17
第3章地球定向参数确定与综合19
3.1四种技术确定地球定向参数概况19
3.1.1VLBI测定EOP19
3.1.2SLR测定EOP20
3.1.3GNSS测定EOP22
3.1.4DORIS测定EOP23
3.2IERS地球定向参数产品24
3.3地球定向参数确定与综合研究进展26
3.4地球定向参数确定讨论及未来发展方向27
第4章空间大地测量技术内综合方法28
4.1技术内综合参考架基准约束的处理方法30
4.2SLR技术内综合31
4.3GNSS技术内综合34
4.4DORIS技术内综合36
4.5VLBI技术内综合37
4.6技术内综合解的精度和长期性分析38
4.7技术内综合必要性、步骤和发展趋势42
第5章综合多种技术建立线性地球参考架和EOP方法43
5.1最小二乘理论在综合中的应用45
5.1.1最小二乘基本概念45
5.1.2参数的线性变换46
5.1.3参数的严格消除方法47
5.1.4法方程叠加47
5.2综合多种技术建立地球参考架的模型48
5.3地球参考架的基准定义.54
5.4多种技术并置站的应用.57
5.5测站非连续性变化的探测58
5.6方差分量估计定权方法.60
5.7并行算法在求解大型法方程组中的应用64
5.8线形地球参考架和EOP确定方法讨论65
第6章多种空间大地测量技术综合建立地球参考架结果分析66
6.1综合地球参考架的基准实现67
6.2综合地球参考架的站坐标及速度结果分析70
6.3线形地球参考架精度和稳定性问题75
第7章多种空间大地测量技术综合监测EOP结果分析76
7.1多种技术综合EOP解算结果76
7.2多种技术综合EOP结果插值概述80
7.3利用LOD序列对UT1.UTC序列进行加密的方法81
7.4综合EOP的插值结果及精度评估88
7.5EOP确定与服务91
第8章野值和未标注跳变探测及其对地球参考架和EOP影响92
8.1粗差探测算法——GESD方法原理介绍92
8.2跳变探测算法——STARS方法原理介绍93
8.3未标注跳变的探测测试.95
8.4未标注跳变对地球参考架的影响96
8.5未标注跳变对EOP的影响及精度分析99
8.6未标注跳变探测意义和必要性.100
第9章测站非线性特征提取及结果分析101
9.1地球构造/非构造运动特征分析101
9.1.1地球构造影响因素分析101
9.1.2地球非构造影响因素分析102
9.1.3地球构造影响因素时变特征分析103
9.1.4地球非构造影响因素时变特征分析104
9.2坐标时间序列分析特点109
9.3非线性特征分析方法110
9.3.1傅里叶变换110
9.3.2小波变换112
9.3.3传统最小二乘拟合法113
9.3.4PCA方法114
9.3.5SSA方法117
9.4非线性特征分析结果119
9.4.1存在未标注跳变，以GNSS测站尤为突出119
9.4.2存在周期性信号，但各技术和测站表现周期性不全相同120
9.4.3存在时变振幅周期性信号121
9.4.4存在共模误差，欧美地区表现尤为突出122
9.5非线性特征建模122
9.5.1非线性特征建模调研122
9.5.2基于PCA的全球GNSS台站坐标残差时间序列非线性特征建模126
9.5.3基于奇异谱分析方法的非线性特征建模133
9.6测站非线形特征提取和建模精度讨论135
第10章毫米级非线性地球参考架构建与EOP结果分析.136
10.1非线性地球参考架构建基本理论136
10.2非线性地球参考架构建测试及结果分析139
10.2.1地球参考架基准结果分析139
10.2.2站坐标与速度结果及精度分析141
10.3综合EOP结果及精度评估145
10.4非线形地球参考架和EOP确定方法发展讨论147
第11章高精度EOP预报算法及精度分析149
11.1高精度EOP快速预报需求分析149
11.2EOP预报现状150
11.3EOP短期预报算法及精度分析152
11.4EOP中长期快速预报算法及精度分析154
11.4.1“WLS+AR”EOP预报算法及精度分析154
11.4.2“LS+AR+Kalman”组合EOP预报算法精度158
11.4.3极移差分预报模式精度158
11.5EOP预报算法和精度讨论160
第12章区域地球参考架和EOP确定161
12.1区域地球参考架简介和研究现状161
12.2区域地球参考架实现方法163
12.3全球和区域垂直参考系统164
12.4区域EOP确定及精度分析165
12.4.1区域VLBI网EOP确定、解算策略及精度分析166
12.4.2区域SLR网EOP确定、解算策略及精度分析168
12.4.3区域GNSS网EOP确定、解算策略及精度分析168
12.5中国地球自转与参考系服务系统(CERS).170
12.6ERS期待持续支持和发展172
参考文献173
表目录
表1.1IERS与各技术国际分析中心EOP监测精度比较5
表1.2四种测量技术对地球参考架和EOP贡献相对大小的比较6
表1.3四种测量技术的比较7
表2.1IERS实现的国际地球参考架ITRF的演化13
表3.1IERS各EOP产品概况和主要差异24
表4.1IGS、IVS、ILRS及IDS提供的技术内综合周(日)解的主要特点(以ITRF2014为例)29
表4.2各分析中心在1983～2009年的平均加权因子及其标准差(Pavlis et al.,2010)33
表4.3SLR技术内综合解的核心站列表33
表5.1四种技术建立观测方程和法方程组的输入和待估参数的数量统计情况52
表5.2方差分量估计的两种算法比较64
表5.3四种技术的方差分量估值初步结果64
表5.4程序运行时间成本对比65
表6.1两组TRF综合解的输入数据覆盖时间范围67
表6.2SOL-1和SOL-2与ITRF2008，ITRF2014，DTRF2008之间转换的14参数结果比较67
表6.3SLR技术TRF周解相对于SOL-1和SOL-2综合解的平移参数时间序列的周年信号拟合结果69
表7.1EOP综合参数个数统计77
表7.2综合解SOL-1和SOL-2中的EOP综合解与IERS08C04比较的外部精度78
表7.3单技术长期解EOP结果与IERS08C04较差WRMS统计结果同DGFI的对比78
表8.1基于t-分布的时间序列粗差识别结果95
表8.2SOL-A和SOL-B中EOP的WRMS情况100
表9.1水平和垂直方向估计的周期运动幅度和垂直方向长期运动速率统计(周期运动单位为mm，长期运动速率单位为mm/a)102
表9.2欧洲区域36个站点GPS与GRACE序列(恢复改正前后分别)的比较106
表9.3基于冰盖融化模型正演所得的格陵兰岛南部4个站点形变线性速率(加以GPS观测与GRACE质量变化恢复结果约束)109
表9.4三个方向主要分量的贡献率和累计贡献率130
表9.5测站周期信号及幅度133
表10.1STRF线性解和非线性解的平移参数和尺度因子WRMS值的变化情况141
表10.2非线性综合地球参考架(STRF)中GNSS技术测站坐标和速度(与ITRF2014结果比较)精度结果统计142
表10.3非线性综合地球参考架(STRF)中VLBI技术测站坐标和速度(与ITRF2014结果比较)精度结果统计142
表10.4非线性综合地球参考架(STRF)中SLR技术测站坐标和速度(与ITRF2014结果比较)精度结果统计142
表10.5非线性综合地球参考架(STRF)中DORIS技术测站坐标和速度(与ITRF2014结果比较)精度结果统计143
表10.6STRF综合线性/非线性EOP产品分别与IERS14C04进行比较的WRMS变化情况146
表10.7STRF非线性综合EOP和JPLEOP分别与IERS14C04做差统计的WRMS.147
表11.1几种极移预报算法精度情况汇总153
表11.2几种UT1.UTC预报算法精度情况汇总154
表11.3LOD预报算法精度汇总154
表11.4EOP预报不同弧长精度情况155
表11.5EOP预报不同弧长结果与IERSC04最大最小差值情况157
表11.6“LS+AR”和“LS+AR+Kalman”算法短期EOP预报精度(MAE)对比158
表11.7极移预报均方误差(RMSE)统计159
表12.1上海—乌鲁木齐单基线UT1解算精度166
表12.2多基线ERP解算精度167
表12.3 2001年9月1日～10月30日SLR区域网测定地球定向参数精度比较(5天一组)168
表12.4 2012年20～26天各天陆态网数据确定地球自转参数精度结果169
表12.5CERSEOP精度情况172
图目录
图1.1各空间技术测站网分布情况6
图1.2各技术综合极移结果精度随时间变化情况8
图2.1地球参考系与地球参考架的关系10
图4.1SLR技术内综合周解(蓝)及引入最小约束解(红)相对于ITRF2014的旋转参数时间序列29
图4.2SLR技术内综合周解(蓝)及引入最小约束解(红)相对于ITRF2014的平移参数时间序列30
图4.3SLR技术各个测站参与的技术内综合SINEX解的次数统计34
图4.4GNSS全球测站网的分类和相互关系35
图4.5GNSS技术各个测站参与技术内综合SINEX解的次数统计36
图4.6DORIS技术各个测站参与技术内综合SINEX解的次数统计37
图4.7VLBI技术内综合时多家分析中心的加权因子序列图：(a)IAA和AUS两家机构也参与；(b)排除IAA和AUS两家机构后的正式解算结果(B.ckmann et al.,2010b)38
图4.8SLR/GNSS/DORIS三种技术内综合周解相对于ITRF2014的x方向平移参数时间序列39
图4.9SLR/GNSS/DORIS三种技术内的综合周解相对于ITRF2014的y方向平移参数时间序列40
图4.10SLR/GNSS/DORIS三种技术内的综合周解相对于ITRF2014的z方向平移参数时间序列40
图4.11四种空间大地测量技术内综合周(日)解相对于ITRF2014的尺度参数时间序列41
图4.12(a)SLR、(b)GNSS、(c)VLBI及(d)DORIS四种技术的技术内综合周(日)解相对于ITRF2014的残差RMS统计时间序列(红：周解内所有测站统计RMS；蓝：仅统计核心站RMS)41
图5.1多种技术综合地球参考架及EOP的主要功能模块和综合流程图44
图5.2(a)SLR、(b)GNSS和(c)DORIS三种技术的技术内综合周解中参与当次周解解算的测站数量统计时间序列53
图5.3AZCN站残差序列图(未引入跳变出现分段线性项)59
图5.4AZCN站引入跳变后的残差序列图60
图6.1GNSS、SLR、VLBI及DORIS测站全球分布图66
图6.2SLR技术TRF周解相对于SOL-2综合解的平移参数时间序列68
图6.3SLR周解和VLBI24小时观测日解相对于SOL-2综合解的尺度因子的时间序列69
图6.4上海天文台利用GNSS、SLR、VLBI、DORIS四种技术确定的地球参考架综合解SOL-2中的站坐标和速度与ITRF2014的较差分布图71
图6.5形式精度优于0.3mm/a的测站水平方向速度场72
图6.6形式精度优于0.3mm/a的测站高程方向速度场72
图6.7综合解SOL-1中SLR、GNSS、VLBI、DORIS四种技术的测站坐标相对于ITRF2008的三维残差与测站参与的年平均周(日)解数的关系73
图6.87825、ALBH、7242、ADEA等测站的残差时间序列图74
图7.1四种技术参与EOP综合解算的时间节点76
图7.2综合解SOL-1和SOL-2中的极移x和y分量、LOD、UT1UTC与IERS08C04的较差时间序列77
图7.3SLR、VLBI、GNSS、DORIS四种单技术地球参考架长期解下的极移x分量与IERSEOPC04较差时间序列79
图7.4SLR、VLBI、GNSS、DORIS四种单技术地球参考架长期解下的极移y分量与IERSEOPC04较差时间序列79
图7.5SLR、VLBI、GNSS三种单技术地球参考架长期解下的LOD参数与IERS08C04较差时间序列80
图7.6(a)某参数及(b)其一阶导数时间序列图82
图7.7等间隔的极移x分量综合解标准产品与IERSEOP08C04较差序列及标准差序列89
图7.8等间隔的极移y分量综合解标准产品与IERSEOP08C04较差序列及标准差序列89
图7.9等间隔的UT1.UTC综合解标准产品与EOP08C04较差序列及标准差序列90
图7.10等间隔的LOD综合解标准产品与EOP08C04较差序列及标准差序列90
图8.1测站7124(SLR)坐标时间序列粗差探测结果96
图8.2引入未标注跳变前后的STRF地球参考架中NSSS测站坐标残差时间序列97
图8.3引入未标注跳变前后的STRF地球参考架中IENG测站坐标残差时间序列98
图8.4引入未标注跳变前后的STRF地球参考架中KATZ测站坐标残差时间序列98
图8.5两组解SOL-A和SOL-B中未标注跳变测站的站坐标残差RMS值比较99
图8.6SOL-A和SOL-B中EOP极移x分量和y分量、LOD、UT1UTC与IERS08C04做差时间序列比较100
图9.1所选取的欧洲区域8个代表性站点的GPS序列和经过网格因子恢复后的GRACE形变反演序列的比较105
图9.2欧洲区域GRACE卫星时变重力观测反演的地表负荷形变分别在信号恢复改正前后与GPS站点形变观测的比较分析(共36个站点)107
图9.3格陵兰岛4个站点地表形变时间序列与卫星重力反演结果在年际变化及长期趋势信号方面的比较分析108
图9.4KATZ测站坐标残差时间序列(竖实线为未被标注的跳变时刻)120
图9.5KUNM测站坐标时间序列及其频谱分析结果120
图9.6奇异谱分析和最小二乘拟合两种方法对CHUM测站坐标时间序列周期项的拟合结果比较121
图9.7AZCN站坐标残差序列图(去除跳变和趋势项前后的分段线性项)128
图9.8CHPI去除趋势项前后测站序列128
图9.9BJFS去除跳变前后测站序列图129
图9.10E、N、U三个方向主成分累积贡献率130
图9.11测站时间序列主成分分析后E方向的主要分量131
图9.12测站时间序列主成分分析后N方向的主要分量132
图9.13测站时间序列主成分分析后U方向的主要分量133
图9.14最小二乘方法拟合周期项134
图9.15奇异谱分析方法变振幅拟合周期项135
图10.1(a)BJFS站和(b)CHUM站U方向周期项拟合结果138
图10.2SLR技术地球参考架周解相比于线性/非线性综合解的平移参数时间序列140
图10.3SLR周解和VLBI(日)解相比于STRF线性/非线性综合解的尺度因子时间序列141
图10.4线性/非线性综合地球参考架(STRF)中GNSS技术测站坐标和速度(与ITRF2014结果比较)精度比较分布图143
图10.5线性/非线性综合地球参考架(STRF)中VLBI技术测站坐标和速度(与ITRF2014结果比较)精度比较分布图144
图10.6线性/非线性综合地球参考架(STRF)中SLR技术测站坐标和速度(与ITRF2014结果比较)精度比较分布图144
图10.7线性/非线性综合地球参考架(STRF)中DORIS技术测站坐标和速度(与ITRF2014结果比较)精度比较分布图145
图10.8STRF综合线性/非线性EOP产品分别与IERS14C04做差比较的时间序列146
图10.9STRF非线性EOP与JPLEOP分别与IERS14C04做差比较的时间序列147
图11.1EOP激发机制多样复杂150
图11.2“LS+AR”模型极移预测流程图152
图11.3预报5天误差分布图156
图11.4预报30天误差分布图156
图11.5预报60天误差分布图157
图11.6直接预报模式与差分预报模式短期预报精度RMSE对比159
图12.1选取的27个基准网点169
图12.22012年20～26天陆态网数据确定的(a)极移和(b)LOD精度结果169
图12.3中国EOP服务原型系统总体方案设计170
图12.4数据采集系统方案设计与技术途径171
图12.5数据分析系统方案设计与技术途径171
图12.6结果发布系统方案设计与技术途径172
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