第1章 绪论
1.1 地球参考架和EOP概念
地球参考架(terrestrial reference frame，TRF)是地球参考系的一种实现方法，通过一定的数据处理方法，采用一组有关的模型和常数求得参考点的坐标值和速度场集，是需要不断维持和精化的。地球参考架不仅在测绘学领域内为**大地测量和现代卫星导航与定位等工作提供重要的点位参考基准，同时也在天体测量、板块运动、地壳形变、地震、地球动力学研究、全球平均和区域海平面变化、陆地水或冰川变化、海啸与自然灾害、救援与安全、国土资源管理、精准农业、智能交通、地理信息、地图、遥感、数字地球等研究和应用中起着非常重要的基准作用。地球参考架基准的不准确会导致结果误差大，甚至结论错误（Mitchum et al.，1998; Blewitt，2003; Blewitt et al.，2010; Morel et al.，2005; Altamimi et al.，2007; Altamimi et al.，2011; Altamimi et al.，2012; Collilieux et al.，2011; Wu et al.，2011; Seitz et al.，2012; Heflin et al.，2013)。
地球定向参数（earth orientation parameter，EOP)是用于地球坐标系与天球坐标系之间转换的地球空间指向参数，反映地球自转轴在空间的位置和运动情况以及在地球本体内的位置和运动情况，它包括岁差章动、天极偏差、极移、世界时与协调世界时之差（UT1.UTC)和日长（LOD)。其中，岁差和章动反映了地轴在空间的运动，可以采用理论模型进行较精确的描述；地球自转参数（earth rotation parameter，ERP)包括极移、UT1.UTC和LOD变化，极移反映了地球自转轴在地球本体内的移动，UT1.UTC反映了地球自转的快慢，LOD主要用来描述地球绕瞬时轴自转速率的变化，ERP变化是不十分规则的，由于地球不同圈层之间角动量的交换和突发事件如地震的影响，难于理论模拟，因此，需要进行实测确定（Gambis，2004)。EOP是研究地球自转的关键参数，不仅对研究自转变化机制、板块运动、固体潮、地球内部结构、地球表面物质运动以及时间系统维持等天文地球动力学问题具有重要的意义，同时也在卫星导航与应用、深空探测以及军事领域中有着重要的应用（许雪晴等，2010)。任何需要联系这两个参考架的用户（如卫星导航)都需要精确的EOP信息，无论是地球上的导航用户还是空间的导航用户都是如此，EOP是卫星导航应用中不可缺少的关键因素，其精度和时效性将影响航天器轨道和导航定位的精度。实时导航还需要EOP的精确预报，而EOP在较广的时间尺度上变化，一些影响EOP的因素是可以很好地模拟和预报的，而另一些影响是不可以预报的，甚至在未来也是不可预报的，如由于地球不同圈层之间角动量的交换和突发事件（如地震）的影响，就需要随时监测EOP及其变化。目前这个工作是由四大空间大地测量技术，即甚长基线干涉测量（very long baseline interferometry，VLBI)、卫星激光测距（satellite laser ranging，SLR)、全球卫星导航系统（global navigation satellite system，GNSS)和卫星多普勒定轨定位（Doppler orbitography by radiopositioning integrated on satellite，DORIS)等共同完成的，为了提高EOP的精度和同参考架之间的自洽性，EOP和地球参考架一起估计。
由于地球参考架和EOP的重要性及其高精度近实时监测和预报的需要，有必要对其高精度的确定进行详细描述，让读者深入细致地了解其具体过程，以便更进一步发展和提高其精度，推广其应用。为此，下面介绍国际上地球参考架和EOP确定的现状，以及多种空间大地测量综合的意义。
1.2 地球参考架确定现状
地球参考架确定*具权威和常用的是由国际地球自转和参考系统服务（In-ternational Earth Rotation and Reference Systems Service，IERS)提供的国际地球参考框架（international terrestrial reference frame，ITRF)系列产品。ITRF系列产品是由法国国家测绘局（Institut Geographique National，IGN)负责解算的，是根据一定要求，利用分布全球的VLBI/SLR/GNSS/DORIS地面观测台站测量数据，通过国际VLBI服务（International VLBI Service，IVS)/国际激光测距服务（International Laser Ranging Service，ILRS)/国际GNSS服务（Inter-national GNSS Service，IGS)/国际DORIS服务（International DORIS Service，IDS)分析中心处理获得的*立交换文件格式（solution independent exchange for-mat，SINEX)解，进行综合处理分析得到地面观测站的站坐标和速度场以及相应EOP，由于章动和极移影响，ITRF框架每年都在变化，需持续更新。ITRF从1988年建立起已有14个版本，它们是ITRF88、ITRF89、ITRF90、TRF91、ITRF92、ITRF93、ITRF94、ITRF96、ITRF97、ITRF2000、ITRF2005、ITRF2008、ITRF2014和ITRF2020。除ITRF外，还有另外两家机构——德国大地测量研究所-慕尼黑工业大学（Deutsches Geod.tisches Forschungsinstitut der Technischen Universit.t München，DGFI-TUM)和美国喷气推进实验室（Jet Propulsion Lab-oratory，JPL)，也是分别综合VLBI/SLR/GNSS/DORIS四种空间大地测量技术来实现地球参考系的，它们的产品分别命名为DTRFyyyy和JTRFyyyy（yyyy为年份）（Altamimi et al.，2016)。不同地球参考架结果的交叉比较有利于分析目前地球参考架真实精度和影响因素，继而找到提高地球参考架精度和稳定性的方法（Seitz et al.，2013)。
DGFI-TUM综合多种技术建立地球参考架的核心策略是对各技术建立的无约束法方程进行综合（Seitz et al.，2012; Angermann et al.，2009; Seitz et al.，2015)。这里的无约束不仅表示对法方程中包含的站坐标和EOP不引入约束条件，也不对某些参考架基准参数进行固定，而一些引入过约束的关于轨道和大气模型的参数则已预先从法方程中消去。与ITRF2008比较，其所实现的DTRF2008的基准参数外符精度根据不同技术达到2～5mm和0.1～0.8mm/a，而基准网的几何结构达到了3.2mm和1.0mm/a外符精度。其DTRF2014与ITRF2014的地球参考架基准参数比较，GNSS精度优于1.5mm，VLBI和SLR精度优于3.5mm，DORIS精度优于7.5mm（Seitz et al.，2015)。
为了解决地壳形变的复杂时变特性和长期线性地球参考架之间的不匹配，JPL的Wu等利用卡尔曼滤波和Rauch-Tung-Strebel(RTS)向后平滑方法，综合VLBI/SLR/GNSS/DORIS四种技术的站坐标时间序列，实现了一种新的地球参考架（Wu et al.，2015)。在这种地球参考架下，其原点定义为由SLR技术确定的准瞬时地球质心（center mass，CM)，尺度由SLR和VLBI技术准瞬时尺度经加权平均确定。
德国地学研究中心（Deutsches Geo Forschungs Zentrum，GFZ)的Thaller（2008)利用SLR、GPS和VLBI三种技术在2002年第290～304天的原始观测数据上实现了一种基于无基准约束的法方程严格综合的地球参考架，重点讨论了如何选取先验模型生成各技术的无约束法方程、各个技术共有参数的参数化方法以及对流层参数的综合等。.tefka等（2010)提出利用GPS、SLR、VLBI技术解算的测站坐标和EOP结果，建立以测站在天球参考坐标系下的坐标值为观测值的间接观测方程，引入坐标转换参数极小化和EOP时间连续性等约束，给予不同技术以适当的权重，解出了自主的测站坐标和EOP序列。其测站速度与ITRF2005的差异在2.7mm/a量级。Gambis等（2005)利用GINS/DYNAMO软件在法方程层面实现了综合TRF和EOP，虽然结果仍然未达到单技术*高精度水平，但是综合解的RMS有了较大的改进。此外，Gambis等（2006)还提出了进一步基于观测层面的地球参考框架综合确定方法，从*严格的角度同时综合TRF和EOP，但是此方法对软件水平的要求极高，实现起来存在较大困难。Blo.feld等（2014)研究了一种基于每周综合GPS/SLR/VLBI法方程的方法，生成一系列历元参考架时间序列，并且剖析了与长期地球参考架相比的优势和劣势。目前，武汉大学卫星导航定位技术研究中心所开发的PowerADJ科研软件初步实现了多种空间技术综合地球参考框架的功能，与ITRF大致处于同一量级上，但是在尺度上的差异比较明显，且并没有考虑EOP序列和地球参考架之间的一致性。
综上所述，目前的地球参考架综合方法可以粗略分为三种：基于参数层面的综合，基于法方程层面的综合，以及基于观测层面的综合（Thaller，2008)。基于参数层面的综合，是对各个技术的或者不同机构单*求解出来的在各自定义的地球参考架下的站坐标（有时包含EOP)进行综合，评估各技术的系统差、偏差和特性等，给出相对权重，结合单*解算时求出的协方差阵，给出综合时的协方差阵，通过平差或者拟合，得出一个统一地球参考架下的各测站的站坐标（和EOP)。这种综合方式可能会因为其中某种技术或者某家机构的解中引入的不合理约束而导致整个综合地球参考架台站网的变形（Angermann et al.，2006; 2003)。
基于法方程的综合，大体上可以分为两步：**步是利用相同的或者不同的软件分别对各个技术的直接观测值进行处理，生成法方程系统；第二步是利用不同技术都包含的参数进行多种技术的综合。与基于参数层面方法类似，基于法方程层面综合有可能在**步先验模型中或者参数化过程中引入误差，继而通过综合的过程传播到其他技术中。
基于观测层面的综合，该方法中*难实现的关键点同时也是该方法*大的优势在于：对所有参与综合的技术（GNSS、SLR、VLBI、DORIS)的原始观测数据，采用统一的一套软件、同样的模型和标准去处理，并生成无约束自由法方程，再综合法方程，加入适当的约束和权重得到*优综合地球参考架和EOP解（Gambis et al.，2006)。在观测层面的EOP综合可以更加有效地探测不同技术的系统效应，并且避免这种“系统差”对综合EOP的影响。
1.3 EOP确定现状
目前国际上EOP服务包括两类：一是立足于国际合作的公益性服务，以IERS为代表，总部设在巴黎天文台，已经有70多年的历史；二是大国为了满足军事、航天、经济、科技等本国战略需求建立的*立服务。目前美国、俄罗斯已经*立开展相关业务，日本和欧洲自2006年开始了*立于IERS的EOP实时监测试验，特别是VLBI2010的开展，通过单基线观测得到滞后仅5min，精度为20～30μs的UT1变化DUT1。目前在一些大国，EOP解算主要由军事测绘航天部门和
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