[论文解读] How and Why to do VLBI on GPS

J. M. Dickey|arXiv (Cornell University)|Aug 27, 2010

GNSS positioning and interference参考文献 1被引用 5

一句话总结

本文提出将GPS信号记录集成到IVS（甚长基线干涉测量）观测中，利用与IVS站钟锁相的共址GPS接收机实现。通过将GPS信号与ICRF类星体信号联合相关，该方法可直接在国际天球参考框架（ICRF）中确定GPS卫星轨道，减少帧间关联误差，并实现对地球质心运动的精确、实时监测——这对检测冰川消融引起的质量再分布及提升气候变化评估具有重要意义。

ABSTRACT

In order to establish the position of the center of mass of the Earth in the International Celestial Reference Frame, observations of the Global Positioning Satellite (GPS) constellation using the IVS network are important. With a good frame-tie between the coordinates of the IVS telescopes and nearby GPS receivers, plus a common local oscillator reference signal, it should be possible to observe and record simultaneously signals from the astrometric calibration sources and the GPS satellites. The standard IVS solution would give the atmospheric delay and clock offsets to use in analysis of the GPS data. Correlation of the GPS signals would then give accurate orbital parameters of the satellites {\bf in the ICRF reference frame}, i.e. relative to the positions of the astrometric sources. This is particularly needed to determine motion of the center of mass of the earth along the rotation axis.

研究动机与目标

• 通过直接将GPS卫星轨道与国际天球参考框架（ICRF）关联，提高地球质心（CE）位置测定的精度。
• 解决当前限制CE运动测量精度的ICRF与ITRF之间的帧间关联不确定性。
• 利用单一技术（IVS+GPS）实现直接、高精度的CE运动监测，避免依赖多个不一致的大地测量系统。
• 通过独立的、ICRF对齐的GPS轨道解算，缓解GPS与GRACE时间序列中由GPS星座351.4天的交点周期引起的混叠效应。
• 通过精确的CE跟踪，为气候科学提供冰川消融引起的质量再分布量化支持。

提出的方法

• 在IVS站配备一个与主射电望远镜共址的大地测量级GPS接收机，共享同一本地振荡器（LO），以确保相位一致性。
• 通过同步数据采集，在独立通道上同时记录来自河外类星体的IVS信号和GPS卫星信号（L波段：1.2–1.6 GHz）。
• 使用标准IVS相关处理求解站钟偏差、对流层延迟和地球定向参数（EOPs），并通过传播模型将结果外推至GPS频段。
• 在基线间相关GPS接收机输出，检测多个延迟峰，每个峰对应一颗可见GPS卫星，从而实现三维卫星定位。
• 利用载波相位测量（而非导航信号解调）在ICRF框架中确定相对基线延迟和轨道参数。
• 利用所得ICRF对齐的卫星轨道，直接估计地球质心运动，无需中间的框架转换。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否将IVS观测扩展至包含GPS信号记录，以改善地球质心参考框架对齐？
• RQ2 与当前多技术框架关联相比，直接在ICRF框架中测量GPS卫星轨道如何降低CE位置的不确定性？
• RQ3 通过独立的、ICRF对齐的GPS轨道解算，能在多大程度上缓解GPS与GRACE时间序列中351.4天交点周期混叠的影响？
• RQ4 冰川消融对地球质心运动的影响如何？该方法能否以亚毫米级精度检测到这种影响？
• RQ5 单一、统一的技术（IVS+GPS）能否取代当前依赖多个框架不匹配的大地测量系统来实现CE监测？

主要发现

• 所提方法可直接在ICRF框架中确定GPS卫星轨道，消除了ICRF与ITRF之间间接框架关联的需求。
• 通过共用本地振荡器和精确基线测量，该方法实现了IVS与GPS信号的相位一致记录，确保了延迟测量的准确性。
• 在多个基线间相关GPS信号，可同时求解多颗卫星的位置，从而基于位置-时间数据估计轨道参数。
• 该技术将CE位置的框架关联不确定性降低至毫米量级，对检测冰川消融引起的长期质量再分布至关重要。
• 该方法预测由于北半球冰川消融，CE运动约为-0.4 mm yr⁻¹，与气候模型一致，且可通过高精度IVS-GPS联合实现检测。
• 初步测试仅需三座站即可验证该方法的可行性，全面实施后将为大地测量与气候监测提供统一、高精度的参考基准。