不同插值方法对GPS时间序列的影响分析

针对现有GPS时间序列研究中不同插值方法对比方面研究不足,文中选取ITRF2008框架下的7个IGS基准站坐标时间序列,按照其缺值情况分为6种方案,分别采用线性插值、三次样条插值、拉格朗日插值和建模插值等6种方法对不同缺值情况下的GPS时间序列进行插值,并对不同方法的插值效果进行对比分析．结果表明,三次样条插值和拉格朗日插值效果较差;当缺值数量较少时,最邻近插值、线性插值、三次多项式插值和建模插值效果相差不大;随着缺值数量的增加,建模插值效果最好．      

GNSS坐标时间序列噪声特征分析

为了研究我国目前建立的连续运行参考网络（CORS）GNSS基准站的坐标时间序列噪声特征是否与国际领域研究的成果相符合,对江苏CORS网连续3年24个分布均匀的GNSS基准站的数据进行处理,利用GAMIT软件获取了各基准站的坐标时间序列,并利用CATS软件采用最大似然估计法对坐标时间序列的噪声特征进行了分析,结果表明：GNSS基准站坐标时间序列不仅包含白噪声,还包含有色噪声;GNSS基准站坐标时间序列在N、E、U方向的噪声类型并不完全一致,其中N、E方向的最佳噪声模型为“WH＋FN＋RWN”,U方向的最佳噪声模型为“WH＋FN”.     

GNSS坐标时间序列分析理论与方法及展望

长期累积的全球卫星导航系统（Global Navigation Satellite System,GNSS）基准站坐标时间序列为大地测量学及地球动力学研究提供了基础数据。通过完善GNSS数据处理模型及策略,研究造成非线性运动的机制并进行有效建模,可以获得测站准确的位置和速度,不仅有助于合理解释板块构造运动,建立和维持动态地球参考框架,而且能更好地研究冰后回弹及海平面变化,反演冰雪质量变迁等地球动力学过程。首先从基准站坐标的精确获取、时间序列模型构建、时间序列信号分析等方面描述了GNSS坐标时间序列分析的理论与处理方法;其次,探讨了坐标时间序列噪声模型构建技术,给出了严密三维噪声模型构建方法;然后,疏理了坐标时间序列中非线性变化成因机制的研究进展;最后,总结了基于GNSS坐标时间序列的应用领域,并展望了其未来的发展方向。     

含缺值GNSS基准站坐标序列的非插值小波分析与信号提取

受多种因素影响,GNSS基准站坐标序列通常都含有缺值,传统小波分析需要对缺值数据进行内插或补零处理。本文基于小波系数与时间序列观测数据的重构关系,提出了一种非插值的二进小波变换的最小范数解法,导出了相应的计算式,并严格证明了传统的补零处理算法与本文的最小范数解法等价。最后利用中国地壳运动观测网络一期27个基准站实测数据以及模拟数据进行了验证分析。结果表明,本文的非插值算法与插值算法提取的信号差异较小,27个基准站坐标序列的平均残差中误差仅相差2.01%(North),0.54%(East)和1.26%(Up),两种算法提取的信号之差与信号平均方差比仅相差1.16%(North),0.54%(East)和1.62%(Up)。     

区域CORS网坐标时间序列周期特征分析

通过精密单点定位的方法获取了区域CORS网各基准站的坐标时间序列,并利用最大似然估计法和频谱分析法对其32个基准站坐标时间序列的周期特征进行了分析,获取了各基准站年周期、半年周期的振幅和相位值,以及各基准站的周期功率谱图。结果表明:GNSS基准站坐标时间序列不仅存在线性变化,还存在周期性变化,其中以U方向表征最为明显,与双差定位获得的坐标时间序列周期特性分析结果一致,说明以精密单点定位获取的GNSS基准站坐标时间序列是可靠的,可以用来分析基准站的变化特征。     

联合LMD与EMD的GNSS站坐标时间序列去噪方法

针对GNSS站坐标时间序列信噪不易分离的问题,在传统EMD去噪方法的基础上,本文提出了一种联合LMD与EMD的坐标时间序列去噪方法。该方法首先采用LMD分解原始坐标时间序列,基于连续均方误差（CMSE）原则分离高频噪声与低频信号,保持低频分量不变;然后对高频分量进行EMD去噪;最后以2次分解所得低频信号之和作为去噪后时间序列。以仿真数据与8个GNSS基准站实测数据进行试验,通过多种评价指标进行精度评估。结果表明,与传统EMD方法相比,联合LMD与EMD的方法能够更加精确地去除坐标时间序列中的噪声。     

GNSS 监测数据预处理在变形预测中的应用

GNSS监测技术被广泛应用于变形监测工作中,但GNSS监测数据中会有缺失值、噪声等误差的存在,对预测结果造成影响。引入改进的小波神经网络模型进行变形预测,并考虑该模型的自适应性和容错性,分别采用三次样条插值法、小波滤波法和拉依达准则对原始监测数据进行缺失值填补、去噪和粗差剔除等预处理。并利用实际监测数据进行短期预报分析,对比原始监测数据和预处理后的监测数据的预测结果,结果表明预处理后的监测数据的预测效果更好。     

MSSA在GPS坐标序列分析中的应用

本文选取CMONOC位于云南省域的4个测站坐标序列作为试验对象,利用多通道奇异谱分析（MSSA）对序列进行缺失数据的插补及季节性信号的提取。试验结果表明,MSSA迭代插补精度在水平方向优于1.5 mm,在垂直方向上优于4 mm,表现均好于三次样条插值,而且当序列的缺失率升高、连续性减弱时依然不失其优越性;对比MSSA及最小二乘拟合两种方法提取季节性信号的效果并对其残差序列及功率谱进行分析,发现MSSA能够有效提取不同周期信号且更加适用于振幅不恒定的时变季节信号。     

不同插值方法对CORS高程时间序列的影响分析

在CORS站高程时间序列的研究中,当连续缺失较多数据时,插值显得尤为重要。为了较好地解决这个问题,本文尝试采用正交多项式拟合的方法,分别利用正交多项式拟合、拉格朗日和三次样条等插值方法对高程时间序列进行插值,并对不同方法的插值结果进行了分析比较,验证了正交多项式拟合的可行性及有效性。结果表明:在高程时间序列插值中,三次样条插值结果较差;连续缺失3个点及以下时,正交多项式拟合、拉格朗日插值结果均较好,插值效果相当;随着缺失点数量的增加,正交多项式拟合结果要优于另2种方法。     

Detecting discontinuities in GNSS coordinate time series with STARS: case study,the Bologna and Medicina GPS sites

Global navigation satellite systems (GNSS) data are a fundamental source of information for achieving a better understanding of geophysical and climate-related phenomena. However, discontinuities in the coordinate time series might be a severe limiting factor for the reliable estimate of long-term trends. A methodological approach has been adapted from Rodionov (Geophys Res Lett 31:L09204, 2004; Geophys Res Lett 31:L12707, 2006) and from Rodionov and Overland (J Marine Sci 62:328–332, 2005) to identify both the epoch of occurrence and the magnitude of jumps corrupting GNSS data sets without any a priori information on these quantities. The procedure is based on the Sequential t test Analysis of Regime Shifts (STARS) (Rodionov in Geophys Res Lett 31:L09204, 2004). The method has been tested against a synthetic data set characterized by typical features exhibited by real GNSS time series, such as linear trend, seasonal cycle, jumps, missing epochs and a combination of white and flicker noise. The results show that the offsets identified by the algorithm are split into 48 % of true-positive, 28 % of false-positive and 24 % of false-negative events. The procedure has then been applied to GPS coordinate time series of stations located in the southeastern Po Plain, in Italy. The series span more than 15 years and are affected by offsets of different nature. The methodology proves to be effective, as confirmed by the comparison between the corrected GPS time series and those obtained by other observation techniques.     

Assessment of local GNSS baselines at co-location sites

As one of the major contributors to the realisation of the International Terrestrial Reference System (ITRS), the Global Navigation Satellite Systems (GNSS) are prone to suffer from irregularities and discontinuities in time series. While often associated with hardware/software changes and the influence of the local environment, these discrepancies constitute a major threat for ITRS realisations. Co-located GNSS at fundamental sites, with two or more available instruments, provide the opportunity to mitigate their influence while improving the accuracy of estimated positions by examining data breaks, local biases, deformations, time-dependent variations and the comparison of GNSS baselines with existing local tie measurements. With the use of co-located GNSS data from a subset sites of the International GNSS Service network, this paper discusses a global multi-year analysis with the aim of delivering homogeneous time series of coordinates to analyse system-specific error sources in the local baselines. Results based on the comparison of different GNSS-based solutions with the local survey ties show discrepancies of up to 10 mm despite GNSS coordinate repeatabilities at the sub-mm level. The discrepancies are especially large for the solutions using the ionosphere-free linear combination and estimating tropospheric zenith delays, thus corresponding to the processing strategy used for global solutions. Snow on the antennas causes further problems and seasonal variations of the station coordinates. These demonstrate the need for a permanent high-quality monitoring of the effects present in the short GNSS baselines at fundamental sites.     

基于独立分量法的新疆GNSS时间序列共模误差分析CSCD

共模误差(CME)是区域连续全球卫星导航系统(GNSS)网中的主要误差来源之一.针对GNSS时间序列具有非高斯分布特征,基于二阶统计量的主成分分析(PCA)难以准确提取出CME分量问题,采用具有高阶统计量的独立分量分析(ICA)对CME进行提取.以2011—2018年新疆区域GNSS坐标时间序列为例,将PCA滤波效果进行对比验证,分析了CME对GNSS坐标时间序列的影响,并对CME序列进行周期分析.结果表明:前6个独立分量包含CME分量,这可能与卫星轨道、地表质量负荷和时钟误差有关,ICA滤波后东(N)、北(E)、天顶(U)三个方向的均方根(RMS)值分别降低31.83%、32.29%、35.49%,速度不确定度分别降低44.14%、38.49%、43.32%,各测站的周期项振幅较滤波前更一致,有效地剔除了CME,提高了坐标时间序列的精度.     

联合EMD-HD和小波分解的GNSS坐标时间序列降噪分析EI北大核心CSCD

针对经验模态分解(empirical mode decomposition,EMD)在GNSS坐标时间序列的降噪过程中存在筛选准则的选取和模态混叠效应等问题,本文引入Hausdorff距离(Hausdorff distance,HD)筛选准则并结合小波分解(wavelet decomposition,WD),提出EMD-HD&WD算法。通过对我国大陆构造环境监测网络149个GNSS测站的垂向坐标时间序列降噪处理,分别利用复合指标T值、测站的速度不确定度和闪烁噪声振幅验证算法的可靠性和普适性。结果显示:HD优于现有的筛选准则;EMD-HD&WD算法对测站的速度不确定度和闪烁噪声振幅的平均改正率均为88.4%。分析表明,本文算法能够有效识别和剔除噪声并且改善EMD的模态混叠效应,提高GNSS垂向坐标时间序列的模型精度。     

三种GNSS高程时序降噪方法的效果对比分析

为了探究经验模态分解(EMD)、整体经验模态分解(EEMD)和小波降噪三种方法的降噪性能,以中国区6个国际GNSS服务(IGS)站高程分量的5?a、10?a和20?a时序数据为例,对它们的降噪结果进行比较分析.?首先利用线性拟合分离趋势项,并采用3σ准则剔除异常值,得到满足符合降噪要求的样本序列;然后分别用这三种方法分...     

基于ICEEMDAN与环境负载的GNSS坐标时序非线性形变去除

非线性形变影响全球卫星导航系统(GNSS)坐标时序精度. 采用改进的自适应噪声总体集合经验模态分解(ICEEMDAN)和环境负载改正相结合的方法开展GNSS测站非线性形变去除研究. 首先使用GMIS软件将GNSS坐标时序补充完整并去除粗差,然后使用ICEEMDAN方法对GNSS坐标时序进行分解,使用排列熵算法选取包含噪声和非线性形变的高频分量,最后使用环境负载对高频分量进行去除,利用经验模态分解(EMD)方法和环境负载结合的方法进行去除效果对比. 研究结果表明:非线性形变去除后的GNSS坐标时序均方根(RMS)变化各有区别,垂向(U)方向最为明显,最大值达6.715 mm,东(E)方向次之,北(N)方向最小;ICEEMDAN方法和环境负载改正结合后N方向的非线性形变全部得到了削弱,E方向的非线性形变有75％得到了削弱,U方向的非线性形变有62.5％得到了削弱,其改正效果优于EMD方法和环境负载结合的改正效果.      

动态GNSS监测瞬态无震蠕滑信号提取

断层的瞬态无震蠕滑常诱发震级高、破坏性强的地震。针对其滑动速度缓慢,难以探测的问题,本文基于GNSS连续坐标时间序列的异常波动提出一种断层瞬态无震蠕滑信息的自动探测方法。首先利用独立成分分析进行时空滤波,提高坐标时间序列的信噪比;然后计算坐标时间序列波动的相对强度指数及峰度值;最后通过累积分布函数将其转换为蠕滑信号概率,进而探测断层蠕滑事件。本文模拟500 d GNSS地表位移时间序列进行仿真试验,其中包含25 d瞬态蠕滑信号。试验结果表明,当信号强度至少与噪声水平相当时可有效探测出断层的蠕滑信息。计算Akutan地区连续3年的GNSS数据后探测到一个蠕滑信号,推断其可能为火山岩强烈运动引起的无震蠕滑。通过对四川省陆态网18个测站7年的GNSS数据处理后发现了4个异常信号。     

顾及时空异质性的缺失数据时空插值方法

时空插值方法被广泛应用于缺失时空数据集的插值与估计。时空插值是时空建模与分析的一个重要内容,当前该研究关注的热点之一是异质条件下的时空插值与估计问题。因此,本文从时空数据的异质性出发,提出了一种顾及时空异质性的缺失数据时空插值方法。该方法首先对数据集进行时空分区,然后分别在时间和空间按照异质协方差模型计算缺失数据的估计值,进而利用相关系数确定时空权重、融合时间和空间估计值得到缺失数据的最终估计结果。最后通过两组气象数据集进行交叉验证对比分析试验。试验结果表明本文方法对比其他插值方法具有更高的精度和适用性。     

内蒙古陆态网络坐标时间序列噪声分析及速度场修正

利用中国地震局全球卫星导航系统(GNSS)数据产品服务平台获取内蒙古自治区境内15个陆态网络连续站2010-06—2021-06的观测数据,通过GAMIT/GLOBK软件、HECTOR软件解算得到去奇异值后的坐标时间序列,最后结合贝叶斯信息量准则(BIC)数值分析确定最优噪声模型:内蒙古自治区坐标时间序列在东(E)方向的最优模型为白噪声+闪烁噪声 (WN+FN),在北(N)和天顶(U)方向的最优噪声模型为白噪声+幂律噪声(WN+PL). 采用最佳噪声模型对速度场进行修正,在ITRF14框架下,内蒙古地区陆态网络连续站的平均运动速率为30.653 mm/a,运动方向为26°57′51″SEE;垂直方向上平均运动速率为0.792 mm/a.      

大规模GNSS基准站网快速同步处理方法研究

目前我国GNSS连续运行基准站网已基本建设完毕,全国范围内建设完成约2000个GNSS连续运行基准站。随着站点规模的加大,数据计算的效率也迫切需要提高,采用传统的高精度数据处理软件已适应不了大规模GNSS网的数据解算要求。本文基于BERNESE5.2软件研究了我国“陆态网络工程”260个基准站的大规模GNSS网同步数据处理方法,通过修改源程序及利用并行计算技术,成功实现了陆态网络基准站快速、高效、高精度的数据计算能力。实例验证表明,陆态网络单天260个站的数据在无需分区的情况下,可在1 h内获得全球框架下的约束解,解算的框架点坐标精度在毫米量级,大大提高了国家数据中心的大规模GNSS网数据处理能力。     

热膨胀效应对GNSS短基线坐标时间序列影响研究

天线观测墩及基岩的热膨胀效应会造成全球卫星导航系统(GNSS)基准站坐标时间序列非线性变化,本文利用长期观测数据评估了热膨胀效应对GNSS短基线时间序列周期特性的影响. 结果表明:热膨胀效应在高程上可以引起约1 mm的季节性周年信号,可以很好地解释GNSS短基线时间序列中的周期信号,而对平面方向的贡献不大,但是观测墩因日光照射受热不均产生的热弯曲对平面方向上的影响应予以考虑.