基于多通道奇异谱分析的GNSS坐标时间序列共模误差的提取

共模误差是区域连续GNSS网中存在的一种与时空相关的主要误差源.为了有效的剔除共模误差,提高坐标时间序列的精度,本文提出了利用多通道奇异谱分析（Multi-channel Singular Spectrum Analysis,MSSA）提取共模误差的新思路,并利用实验区域18个测站9年（2002年到2010年）的GPS坐标时间序列进行实验,分析了共模误差对时间序列的影响和测站噪声特性的影响,并对共模误差序列进行周期探测,结果显示：通过MSSA能够有效的剔除共模误差,提高坐标时间序列的精度.     

云南GNSS时间序列共模分量提取分析

针对共模分量的精确获取问题,以2011—2018年云南31个GNSS连续站垂向时间序列为基础,选用区域叠加法和主成分分析法,提取得到共模分量的主要成分,对比分析了这两种方法的效果。结果表明:(1)由于云南垂向非线性运动空间一致性较好(测站间相关系数平均值为0.88),两种方法得到的共模分量较为一致;(2)两种方法提取得到的共模分量与全球水文负荷和大气负荷模型给出的位移时间序列接近(相关系数均为0.9),说明共模分量的主要成分为地表负荷变化引发的地壳垂向非构造运动;(3)共模分量不能用周期模型完全表示,还包含了年际间的运动差异等信息;(4)两种方法的空间滤波效果非常接近(WRMS减速比平均值都为0.70),测站的空间滤波效果与测站间相关系数呈显著的正相关。由于区域叠加法对测站数据完整率要求相对较低,因此建议当测站较少或者数据缺失较多时,采用区域叠加法;在测站较多且数据完整率较高时,建议采用主成分分析法。     

基于GPS连续运行基准站的中国区域共模误差研究

共模误差是GPS台站位置时间序列中的主要误差源之一,分离和消除共模误差可以探测到原先淹没在噪音中的微弱信号。本文对中国260个卫星导航定位基准站2011～2018年的数据进行处理,获得了位置时间序列,采用主成分分析（PCA）方法对其扣除构造运动等形变信号后的残差序列进行区域共模误差分析。结果表明,PCA方法有效地提取了中国区域共模误差,经过滤波后时间序列的信噪比明显提高,第一主分量空间分布均一,第二主分量空间分布呈现明显的梯度变化,表明第二主分量不是少数台站的局部效应,是对第一主分量的补充和修正,中国区域的共模误差分析不能忽略二阶分量。对振幅调制的影响进行了对比分析,发现顾及振幅调制的共模误差不仅明显减弱了年周期的特征,还显著降低了闪烁噪声,表明由于参数过于简化而未被估计的“信号”会演变成共模误差,未被正确模型化的“信号”会影响区域滤波的准确性。     

顾及共性误差的南极半岛地区连续GPS站坐标时间序列分析

共性误差是区域连续GPS网络中存在的一种与时空相关的主要误差源.对区域网络使用空间滤波能够有效减小这种误差并改善坐标时间序列的精度.本文使用GAMIT/GLOBK 10.5软件解算南极半岛区域11个GPS测站2010—2014的数据,各测站独立估计的单天解组成坐标时间序列.利用堆栈法(stacking)、主分量分析法(principal component analysis,简称PCA)和Karhunen-Loeve展开法(KLE)对其进行空间滤波,在利用PCA和KLE方法进行空间滤波时,使用前两个主分量作为共有模式分量.结果表明:三种方法均能有效提取南极半岛区域共性误差,PCA方法的滤波效果明显优于stacking方法,略微优于KLE方法;空间滤波能够有效减小残差时间序列的振幅、功率和RMS;对坐标时间序列进行空间滤波能够有效降低其线性项和周期项误差,从而提高线性项和周期项估计的精度.共性误差的谱分析结果显示在U方向上存在9.4天、13.7天等短周期的信号,推测共性误差组成成分中可能含有与海潮相关的误差源.     

澳大利亚GPS坐标时间序列跨度对噪声模型建立的影响分析

坐标时间序列跨度对噪声模型建立存在较大影响。本文利用澳大利亚板块内10个连续GPS测站1998年1月至2009年7月的观测资料,采用4种策略分别以2.5年和递增的时间间隔,全面深入地分析了10个坐标时间序列的噪声特性变化,以及对应的速度及其不确定性的变化情况。通过分析10测站的噪声特性,发现采用假设白噪声加闪烁噪声组合的噪声模型与采用假设幂律过程的噪声模型具有等效性,其速度不确定性从时间跨度～9.5年开始趋于并且优于～0.2mm／a。同时,结果表明：采用长于9.5年的时间序列可以改善噪声对位置时间序列中速度以及不确定性的影响;并且在该区域不适合采用去除共模误差的空间滤波方法对时间序列进行处理;描述这些时间序列水平分量的最优随机模型为采用白噪声和闪烁噪声的组合。     

汶川地震前后四川区域GPS时序特征演变及统计分析

为探索地震事件对GPS坐标时间序列的长周期影响,对汶川地震前后四川GPS观测网络长约10年的解算成果进行了多参数模型噪声特征分析.基于最大似然估计方法和频谱特性分析,提取了地震前后各测站坐标序列中的噪声分量,使用Λ-统计检验,得出"白噪声+闪烁噪声"模型可以作为四川GPS区域观测网络的最优噪声组合模型,同时,地震事件使得地震前后GPS噪声分量中的白噪声、闪烁噪声、随机游走噪声等发生显著改变,说明传统谱噪声分析中简单地将地震数据拼接在一起并进行统一处理的模式并不可取;使用共模误差分析方法、区域速度场变化趋势等信息对地震前后噪声模型的改变成因进行了初步的物理解析.     

中国区域IGS站高程时间序列季节性信号及长期趋势分析

对中国区域10个IGS站高程时间序列的季节性信号和长期趋势进行了分析.首先,对SOPAC提供的原始GPS时间序列进行中断探测、粗差剔除以及共模误差剔除等预处理.由于GPS时间序列中的季节性信号具有调制特性,本文采用一种"两步法"策略进行实测数据分析,即首先利用基于局部加权回归的季节项-趋势分解(STL)提取精确的季节性号,然后再对扣除季节性信号后的残差采用最大似然估计法估计其长期趋势.通过对中国区域10个IGS站预处理后的数据分析,结果表明上述各IGS站高程方向均表现出强烈的季节性变化,且部分测站季节性信号的相位和振幅均发生明显的调制变化.同时,在估计长期趋势之前,采用Kendall’tau test对扣除季节性信号后的残差序列进行了趋势显著性检验,结果表明在99%的置信区间内所有测站均存在显著的趋势;进一步采用附加季节项和趋势进行断点检验(BFAST test)证实在95%的置信区间内测站TCMS和TNML的趋势分别在历元2009.5384和2009.1493发生了显著改变.根据检验结果,最后本文利用最大似然估计,计算了白噪声+闪烁噪声模型下各IGS站的速度及其不确定度,并与SOPAC的结果进行了分析和比较.     

香港GPS基准站坐标序列特征分析

利用香港GPS连续运行参考站网络2001年1月至2007年8月的观测资料,全面深入地分析了12个基准站坐标序列特征.本文采用主成分空间滤波算法去除公共误差,来提高坐标序列的信噪比,并采用最大似然估计准则定量估计滤波后坐标序列的噪声特性,计算了地球表面质量负荷（包括大气、非潮汐海洋、积雪和土壤水）对香港GPS基准站坐标序列的影响.研究结果表明：香港GPS基准站坐标序列具有高度的空间相关性,其公共误差具有较强的季节性变化特征;地表质量负荷变化引起的香港地壳形变可以解释公共误差序列中约为3mm的垂向周年变化,经过质量负荷改正后的公共误差序列与高阶电离层误差高度相关;滤波后坐标序列的噪声特性可以用可变白噪声加闪烁噪声模型来描述,顾及闪烁噪声所计算的速度误差要比只考虑可变白噪声计算的速度误差大2~6倍;基准站间存在达1.5 mm/yr的相对水平运动,揭示香港地区存在活动断层;部分基准站坐标具有明显的振幅为1～2 mm本地季节性变化,所有测站的残差序列也表现出强烈的季节性变化.     

滇西地区GPS时间序列中陆地水载荷形变干扰的GRACE分辨与剔除

利用“中国大陆构造环境监测网络”在云南西部地区的13个连续GPS观测站和法国空间大地测量研究组Space Geodesy Research Group）的GRACE时变重力场资料,定量分析了该区域陆地水载荷所产生的非构造形变的量值和变化特点,探讨了利用GRACE分辨和剔除GPS观测中陆地水负荷所引起的非构造形变干扰的依据和模型.结果表明：滇西地区GPS坐标变化时间序列的垂向分量中,普遍包含有明显的年周期非构造形变波动,高值可达12mm,其中约42%源于陆地水迁徙变化所引起的负荷形变;通过主成份分析方法所获取的区域GPS共模误差与GRACE陆地水载荷形变序列的相关性高达0.87,若以GRACE扣除陆地水负荷形变,则滇西地区GPS网共模误差可消除约64%,且物理机制明确.然而,由于目前的GRACE只能有效分辨大约400km范围内陆地水载荷的整体变化,所以对于各GPS站点更加局部化的陆地水负荷非构造形变干扰,尚无法进行有效分辨.     

甘肃岷县漳县6.6级地震前后区域地壳形变分析

利用陆态网GNSS连续站及流动站观测数据处理结果,从坐标时间序列、基线时间序列、速度场、形变场等方面分析岷县漳县地震前后青藏高原东北缘地区GPS形变场变化,得出以下结论:岷县漳县地震前GNSS测站时间序列没有明显变化,震前异常不突出;地震引起不同测点不同程度的永久性同震位移,最大值达到16mm;地震前后基线变化不明显,未发现明显的前兆异常;阿拉善及附近的祁连构造带存在顺时针运动的迹象,即运动方向由东侧的南西向逐渐变到西部的北西向,运动大小的范围基本保持在7mm/a之内;区域主压应变优势方向为东北-西南向,最大主压应变区呈带状分布于研究区域南部。     

陆态网络GNSS连续站分区解算方案的对比分析

针对陆态网络GNSS连续站分区设计了三种方案,其中方案1(区域方案)将测站按区域划分为6个子网,每个子网包含55个测站;方案2(大网方案)分为3个测站全国分布的子网,每个子网包含100 个测站;方案3(小网方案)分为8个测站全国分布的子网,每个子网包含55个测站。按照上述三种方案分别处理了陆态网络2010年第110天至2013年第103天的观测数据,从测站时间序列、点位水平速度场、两点间基线长度三个方面对比分析了三种方案解算结果之间的差异。结果表明,不同的方案解算结果存在差异但差异量值较小。综合.上述分析结果和计算耗时等因素,讨论了陆态网络GNSS连续站分区方案的选取。     

滇西地区GPS时间序列中陆地水载荷形变干扰的GRACE分辨与剔除

利用"中国大陆构造环境监测网络"在云南西部地区的13个连续GPS观测站和法国空间大地测量研究组Space Geodesy Research Group)的GRACE时变重力场资料,定量分析了该区域陆地水载荷所产生的非构造形变的量值和变化特点,探讨了利用GRACE分辨和剔除GPS观测中陆地水负荷所引起的非构造形变干扰的依据和模型.结果表明:滇西地区GPS坐标变化时间序列的垂向分量中,普遍包含有明显的年周期非构造形变波动,高值可达12mm,其中约42%源于陆地水迁徙变化所引起的负荷形变;通过主成份分析方法所获取的区域GPS共模误差与GRACE陆地水载荷形变序列的相关性高达0.87,若以GRACE扣除陆地水负荷形变,则滇西地区GPS网共模误差可消除约64%,且物理机制明确.然而,由于目前的GRACE只能有效分辨大约400km范围内陆地水载荷的整体变化,所以对于各GPS站点更加局部化的陆地水负荷非构造形变干扰,尚无法进行有效分辨.     

中国区域IGS基准站坐标时间序列非线性变化的成因分析

GPS坐标时间序列呈现显著的季节性变化,通常认为大气压、非潮汐海洋负载及水文负载(统称为地表质量负载)是引起测站谐波变化的主要因素.本文计算了不同地表质量负载造成的测站位移,以此修正中国区域11个IGS基准站的坐标时间序列.建立了地球物理现象与测站季节性变化及噪声特性之间的初步数值联系,认为其会造成测站的噪声特性变化,主要表现为带通及随机漫步噪声特征,且仅能减小测站U分量的周年运动,但并不是造成测站U分量半周年运动及水平方向周年运动的主要原因.深入分析了造成中国区域IGS基准站非线性变化的其他可能因素,重点探讨了周日(S1)、半周日(S2)大气潮汐对基准站周年振幅的贡献,由此提出S1、S2大气潮汐是造成中国区域IGS基准站周年运动,尤其是中南部测站垂向周年运动的主要因素之一.     

基于多尺度球面小波解算GPS应变场的方法及应用

提出了利用多尺度球面小波解算GPS应变场的方法,该方法通过建立不规则分布的小波基函数以凸显测站非均匀分布的特征,获取不同空间尺度的应变场.通过对模拟数据进行对比分析验证该方法的有效性,模拟结果显示,多尺度球面小波应变计算方法稳健性较好.在位移场中加入高斯随机误差(均值为0.0mm,标准差为0.5mm)对应变计算结果的影响可忽略不计.从原有位移场随机抽取的60%的数据解算应变场时,仍然能够获取比较可靠的结果,但如果出现大范围的数据空缺,则会对应变结果产生明显影响.基于华北地区GPS测站原始观测数据,通过高精度数据处理方法解算了该区域GPS速度场,根据多尺度球面小波方法,解算了该区域的应变率场及其误差,并分析了其空间分布特征.     

黑龙江省GNSS数据多路径误差分析

应用TEQC和TEQCSPEC软件,得到陆态网络黑龙江省GNSS连续观测站数据多路径误差RMS变化,并分析其特征.结果显示:各测站多路径误差均满足中国地壳运动观测技术规程的要求;设置数据处理时截止高度角为15°,可抑制多路径影响;相邻两天多路径效应重复性较强;相关系数随间隔天数衰减较快;频谱分析结果显示,测站多路经误差主要成分集中在低频段;黑龙江省各测站多路径误差可以归结为随机信号,应从统计意义上进行研究.     

陆态网络GNSS基准站阶跃偏移量的精确估计

通过对发生阶跃的GNSS基准站坐标序列谱指数的求解,表明了其具有有色噪声的特性,并对三分量分别建立了最优噪声模型,以此对GNSS基准站坐标的阶跃偏移量进行了精确估计,探明了地震和仪器更换对测站产生的精细影响。同时利用求解的阶跃偏移量对坐标序列进行修正,对获取连续性变化的测站坐标序列和获取精确的测站三维运动参数具有重要意义。     

昆仑山8.1级地震对青藏高原东北缘地壳水平形变影响的讨论

为了从整体上(较大尺度)把握区域应变场的时—空变化势态,并对区域运动场的描述更加逼真,文中在整体无旋转的基础上使用了以提取低频应变信息为主的连续非线性应变模型。根据《中国地壳运动观测网络》位于青藏高原东北缘GPS测站所产生的复测资料(1999—2001—2004),以1999—2001年的运动为基本参考(阶段性形变背景),从2001、2004年两期资料中分离了2001年昆仑山8.1级地震对其产生的主要影响量,结果表明:①昆仑山8.1级地震对青藏高原东北缘产生了比较显著的影响,且位移与形变的方式与背景有很大的差异;②震后的位移分布更加有序,该区西北地区向西偏南向移动,东南地区向北移动;该区最大位移超过15mm;③地震对该区西北地区的影响是能量释放性的,对东南地区的影响是能量积累性的;④震前面应变以收缩为主,震后西北地区为面膨胀(越西越大),东南部为面收缩地区。从整体上看,昆仑山8.1级地震的发生对青藏高原东北缘地区地震活动具有"东增西减"的作用。     

基于谱元区域分解法中频域弹性波问题的求解技术

文章提出一种基于谱元法的区域分解算法(DDM-SEM),并将其用于频域弹性波问题的计算.该方法结合了谱元法的高精度以及区域分解法的高并行特性,适合于大尺度弹性波问题的高精度和高效率计算.在DDMSEM算法中,原始的大尺度问题被分解为若干个子区域,每个子区域采用谱元法独立求解,子区域之间的交界面通过频域黎曼传输条件连接.本文提出的区域分解方法在不同的子区域不仅可采用非匹配网格,而且还可以选取不同的插值阶数,实现计算效率最大化.通过对每个子区域的内部自由度和边界自由度进行分离,结合高效和天然并行性的分块LDU直接求解器能快速求解系统矩阵.数值结果验证了该方法的精度和效率,同时也表明DDMSEM算法在计算大规模、多尺度的弹性波模型中展现出数值方法的优越性.同时,本文提出的方法对于频域下多源地震波反问题的计算具有潜在的应用价值.     

台站水难测量精度及精度公式讨论

现行衡量台站水准精度的唯一指标,是测站往返高差中数中误差M_站=0.11mm。并以此指标计算各站、测段及环的观测允许限差。例如测段往返高差不符值:W_h=±0.44N~(1/2),环闭合差为±0.22N~(1/2)。多年来,从我省各台站实测成果统计,我们发现这一精度指标偏低,实测成果精度大多高于此指标。同时我们认为现行台站规范中计算测站往返测高差中数中误差的公式尚不能真实反映测站高差精度,有商榷讨论之必要。     

利用J-B地震走时表和IASPEI走时表计算P波残差分析黑龙江省国家测震台的区域地震误差成因

利用黑龙江省国家测震台接收到的日本本岛及周边海域、台湾岛东北部及附近海域、中国大陆东北深震区以及中国东北与俄罗斯交界处部分地震,使用J-B地震走时表和IASPEI走时表分别计算P波走时残差,探讨黑龙江省测震台站接收研究区域地震事件误差成因。