【摘 要】
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世界时UT1-UTC是地球定向参数的重要组成部分,是国际天球参考架和国际地球参考架之间进行转换的关键参数之一,在深空探测、卫星导航等领域,高精度UT1-UTC预报具有重要的科学意义和工程应用价值。UT1-UTC的变化受到多种激发因素的影响,包括大气表面压力和大气风、海底压力和洋流、陆地水分布以及海平面变化。近年来,激发函数开始应用于UT1-UTC的预报。当前,利用地球流体有效角动量函数来提升地球定
【机 构】
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中国科学院大学(中国科学院国家授时中心)
【出 处】
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中国科学院大学(中国科学院国家授时中心)
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世界时UT1-UTC是地球定向参数的重要组成部分,是国际天球参考架和国际地球参考架之间进行转换的关键参数之一,在深空探测、卫星导航等领域,高精度UT1-UTC预报具有重要的科学意义和工程应用价值。UT1-UTC的变化受到多种激发因素的影响,包括大气表面压力和大气风、海底压力和洋流、陆地水分布以及海平面变化。近年来,激发函数开始应用于UT1-UTC的预报。当前,利用地球流体有效角动量函数来提升地球定向参数预报,在国内的研究还较少,预报水平与国际水平相比,存在一定的差距。为提高我国UT1-UTC自主预报精度,本文借鉴德国地学研究中心(Dill et al.,2019)的预报方法,将地球流体有效角动量函数融入UT1-UTC预报的基础上,对自回归模型外推方法尝试了有益的探索改进,显著提升了中短期15-90天,UT1-UTC的预报精度。论文研究内容主要包括以下几个方面。(1)论文首先概述了UT1-UTC预报的国内外研究情况,回顾了一些重要的UT1-UTC预报方法和测量方法,以及UT1-UTC在不同时间尺度上变化的激发机制。而后对地球流体有效角动量函数与UT1-UTC变化的地球物理与地球动力学的数学描述,刘维尔方程,给出较为详尽的公式与解释。从非刚体地球自转的欧拉方程入手,引出在非刚体地球的条件下,由相对运动和物质重分布引起角动量改变对地球自转影响的数学表达式,进一步推导出刘维尔方程,为预报程序的代码化做好了数学准备。(2)论文对所使用的地球流体有效角动量函数(包括大气、海洋、陆地水圈和海平面有效角动量函数)进行了详细的介绍和分析。在此基础上,完成了基于地球流体有效角动量的最小二乘结合自回归模型的UT1-UTC预报算法和代码编写,并尝试对UT1-UTC预报的方法做了改进与优化。本论文主要的创新点有:使用最小二乘与自回归模型组合的方法对UT1-UTC进行分段预报。论文将预报跨度1—90天分为多个预报阶段,针对不同的UT1-UTC预报阶段,选用不同的自回归模型阶数,以实现最优预报结果。论文进行了526次1至90天的UT1-UTC预报实验,并分别与IERS EOP C04、IERS Bulletin A、Dill和传统最小二乘结合自回归模型进行了比较。结果表明,在1至10天、11至40天的UT1-UTC预报结果中,分别有63.35%和61.43%优于IERS的预报,UT1-UTC预报在第1天、第6天的平均绝对误差与IERS相比分别降低了23.81%和36.84%。整体上,本文提出的预报方法更加适用于短期UT1-UTC预报,对于中长期预报,通过采取分段预报策略,也有很好的效果。(3)论文在UT1-UTC预报的评估方法上做了进一步的研究,除了通用的平均绝对误差外,还尝试使用均方根误差、绝对误差中位数、绝对误差最大值和预报误差绝对值差值,对不同的预报方法进行了比较与评估。结果表明,在所有上述评估指标下,论文的预报方法均能得到与IERS预报相当的结果。绝对误差最大值是多次同一预报跨度下,预报误差绝对值的最大,表明了预报方法最差的情况,反映了预报算法的鲁棒性。在预报跨度第6天、第30天、第90天,论文UT1-UTC预报绝对误差最大值分别为0.601ms、8.034ms、23.363ms,IERS UT1-UTC预报绝对误差最大值分别为1.550ms、9.251ms、29.179ms。结果表明,在预报最差情况下,论文预报UT1-UTC结果依旧优于IERS预报,预报方法稳定性也优于IERS。基于论文研究成果开发的python语言UT1-UTC预报程序,完成了Linux服务器环境的部署和常规运行,并在近期IERS举办的第二次EOPPCC竞赛中表现优异。
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