GNSS交点年周期误差的形成机制及削弱方法研究

Significant systematic errors (at mm level) with the period of about 351 days and its higher harmonics have been found in diverse GPS-derived geodetic products, which closely follow the GPS draconitic year. However, the origin and reduction methods of GNSS draconitic errors have not been confirmed until now. In this project, we first study the method to separate draconitic harmonics from annual variations by using surface deformation predicted from geophysical loading models. We analyze whether solar pressure model error, multipath effects and sub-daily ERP model error are the sources of GNSS draconitic year errors, study how draconitic errors propagate among GNSS-derived geodetic products and calculate the magnitude of draconitic errors. Then we study potential methods to reduce draconitic errors in multi-GNSS products, where we focus on the refinement of adjustable box-wing model. We finally provide some suggestions on GNSS high-precision data processing. With these strategies, more precise GNSS products with draconitic errors reduced can be derived, which can be used for geophysical studies in the future.

GNSS在地球科学中的高精度应用必须考虑微小系统误差，然而IGS发布的GPS精密产品中，存在基波周期约351天的毫米级交点年周期误差(draconitic year errors)，目前卫星导航领域对于其形成机制、削弱方法、以及不同GNSS系统的表现特征还未成定论。本项目拟采用地球物理模型消除由地表质量迁移引起的周年变化，分离坐标时间序列中与交点年周期接近的周年项，并提取交点年周期误差；然后通过缩短数据处理间隔和数据仿真等方法，对太阳光压模型、多路径效应和亚周日地球自转参数等可能的误差源进行比较和甄别，明确交点年误差的形成原因，并定量分析该误差在GNSS精密产品中的传播规律及影响量级；以此为依据，研究不同卫星导航系统交点年周期误差的削弱方法，并重点精化adjustable box-wing太阳光压模型。成果将完善GNSS高精度数据处理方法，进一步提高卫星轨道、站坐标和地心运动等产品的精度。

随着数据处理精度的不断提高，GNSS交点年误差对定位精度的影响已不可忽略。本课题对IGS首次处理和两次重处理的GNSS站坐标时间序列进行频谱分析，研究了IGS数据处理策略改进GNSS交点年误差的影响。采用实测数据，分析了模糊度固定、数据处理间隔、海潮负荷改正、卫星轨道等因素对GNSS交点年误差的影响。基于本课题研究，发表21篇学术论文（均标注），其中SCI论文16篇（均标注），培养博士研究生3名，硕士研究生2名。研究成果支撑项目负责人入选2018年教育部青年长江学者，并获得国家科技进步二等奖1项（排名2），省部级科技进步奖2项（排名2）。本课题获得的主要研究成果和重要数据成果如下：. （1）IGS两次重处理误差改正模型精度的提高使得站坐标残差中的虚假周期性误差更加明显。和第一次重处理相比，第二次重处理奇数频谱的GPS交点年误差明显减弱，改进的原因可能与第二次重处理加入了地球辐射压改正有关。. （2）固定模糊度可以显著减小GPS站坐标中的交点年误差，其中East方向减小比例超过50%。但随着数据处理间隔缩短，模糊度固定成功率下降，模糊度固定对East方向精度和GPS交点年信号的改善效果有所降低。. （3）亚周日解可有效削弱GPS站坐标中的交点年误差，证明亚周日信号混叠误差是GPS交点年误差的来源之一。在亚周日解中发现了新的亚周日信号族，周期约为11.73~12.28小时和22.96~25.14小时。这些亚周日信号可解释部分GPS交点年误差。此外，根据交点年误差减弱的纬度特征，一定程度上可以排除多路径误差的影响。. （4）GPS轨道产品包含大量的GPS交点年误差，并通过PPP解算传递到了站坐标中。PCA空间滤波后GPS交点年信号显著降低，表明GPS交点年信号具有空间相关性，进一步表明与测站相关的误差（如多路径效应）并不是产生GPS交点年误差的主要原因。此外，海潮负荷改正的错误模型化或不完善将引入微弱的低频交点年信号。. （5）精化adjustable box-wing太阳光压模型、天线推力、地球反照辐射等GNSS轨道动力学误差，有效降低了轨道产品中的尺度误差。. 本课题的研究成果可用于改进北斗/GNSS高精度数据处理方法，提高卫星轨道、站坐标和地心运动等相关产品的精度，进一步提升北斗/GNSS在地球科学领域中的应用潜力。