GPS连续站的环境变化对解算结果精度的影响定量研究

采用统一的参考框架和数据处理方案,对中国大陆构造环境监测网络GPS连续观测站自2010年6月正式运行以来所有观测数据进行解算,得到可靠的连续站坐标时间序列结果。在此基础上,对GPS连续观测时间序列出现的非线性、非周期性异常变化,开展现场调研核实与分析,梳理异常GPS观测站的环境变化情况并确定可能影响因素,针对树木等遮挡物对观测结果的影响,选取部分测站的已有数据通过人为设定环视角、屏蔽部分卫星信号等方式进行数据筛选实验,结果表明环视角提高对垂向的影响大于水平方向,当环视角提高到20°时可以有效地改善多路径效应引起的影响,对净化原始数据很有利,环视角增大到30°时坐标的精度下降比较明显;屏蔽部分卫星信号在一定程度上能够提高坐标的精度,但比较繁琐,不适合处理大规模的数据,对个别流动站不超过4天的数据进行检查和改正具有一定可行性。     

新疆地区现今地壳形变特征与地震活动分析

新疆地区GPS区域站1999—2007年、 2009—2011年观测资料分析结果表明, 该地区水平运动速率分区性明显; 2011年6月以来该地区中强地震增强. 该文在分析区域站水平运动速率特征的基础上, 对2011年1月—2012年3月20个GPS连续观测站基线变化时间序列进行了分析. 结果表明, 各观测站坐标变化量在2011年4月后整体上变大, 新疆地区地壳运动增强, 但具体到不同的山区和盆地, 基线变化趋势各异． 其中, 塔里木盆地和准噶尔盆地内部变形相对较小, 主要变化发生在天山中南部, 出现明显的南北向挤压缩短．      

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.     

GPS站坐标中的交点年周期误差研究

随着数据处理精度的不断提高,GPS交点年周期误差对定位精度的影响已不可忽略.本文采用Lomb-Scargle周期图法对IGS首次处理和两次重新处理的GPS站坐标时间序列进行了频谱分析,研究了IGS数据处理策略的改进对GPS交点年周期误差的影响,并初步分析了其产生机制.频谱分析表明:站坐标残差的NEU方向都存在明显的基频为1.04 cpy的GPS交点年周期误差,而误差改正模型精度的提高使得两次重处理的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交点年周期误差明显减弱,改进的原因可能与第二次重处理中加入了地球辐射压改正有关.同时,在基于GPS/GLONASS联合解算的站坐标残差序列(CODE与ESA)中还存在与GLONASS轨道重复周期相关的约8天的误差.     

2016年日本本州东岸近海MS7.2地震前后的地壳运动

2016年11月22日日本本州东岸近海发生东日本M_W9.0大地震的M_S7.2强余震。本文利用美国内华达大学内华达大地测量实验室网站获得此次大地震周围共30多个GPS连续观测站及其它台站的IGS08全球参考框架坐标时间序列,采用北京附近的GPS连续观测站BJSH作为区域位移参考框架的核心站,获取了此次M_S7.2强余震的同震水平位移和区域参考框架位移时间序列,得到了此次强余震前后的位移时空变化图像。结果显示:尽管本州东岸近海M_S7.2地震作为东日本M_W9.0地震的强余震,受其震后形变的影响强烈,但其地壳水平形变的前兆规律与已观测到的大地震一致;不同的是东日本M_W9.0地震前的垂直位移无积累,而本州东岸近海M_S7.2地震前后的垂直位移保持M_W9.0地震后均匀而缓慢的衰减变化;临震前震中附近的GPS连续观测站的东西分量明显减速,有的甚至减至零,是明显的短期前兆异常。此外,本文还进一步讨论了两种同震位移及其成因,并推断地壳水平运动挤压是此次地震的成因。      

利用地基GPS观测数据研究与地震有关的电离层异常

利用中国大陆GPS连续站观测数据, 根据电离层单层模型, 计算得到中国大陆上空电离层电子总含量TEC(Total Electron Content)值的时间序列。 选取2001—2008年发生在中国大陆地区的11个M_S≥6.0地震, 分析了这11个地震前后TEC值时间序列的变化特征。 分析结果显示, 地震活动期间距离震中700 km以外的GPS连续观测站上空TEC值的异常现象不明显, TEC值变化基本在0.5 TECU之内。 11个震例中有6个震例TEC值出现了负异常现象, 主要表现在震前1～5 d, 并且观测站距离震中越近, TEC值变化越明显, 少数震例在地震发生期间TEC值明显增加。 研究认为, 利用GPS连续观测数据研究与地震有关的电离层前兆是可能的。     

数学形态滤波法在GPS基线分析中的应用

通过GAMIT软件得到福建省连续观测GPS基准站基线时间序列,并引人数学形态滤波法,过滤基线中的白噪音和脉冲扰动.以福建省主要断裂带为研究背景,研究GPS基线时间序列、跨断层短水准观测资料与福建主要断层的相关性,分析了影响基线变化的因素,以及地壳水平运动与应力积累的关系.     

基于有色噪声模型的GPS速度场精度与时间序列长度相关性研究

利用2010—2015年陆态网络GPS连续观测站的三维站坐标时序资料, 在采用最大似然估计MLE方法计算得到云南地区GPS基准站三维站坐标分量最优噪声模型的基础上, 进一步定量对比分析了有色噪声和白噪声模型下陆态网络GPS连续站速度场稳定性与时间序列长度的关系。 结果表明: 在闪烁噪声模型下, 中国大陆大部分地区GPS连续站1 a时段的速度不确定度大。 而随着时间的逐年累积, 闪烁噪声模型下的速度不确定度与同时段白噪声模型下的差异逐步减小, 闪烁噪声模型下3～4 a时段的速度不确定度与同时段白噪声模型的差异小于0.2 mm。 研究说明在有色噪声模型下要获得高精度的速度场需要3～4 a的观测数据, 白噪声模型下GPS速度场精度可靠可信的前提是采用不少于3～4 a的数据。     

基于GPS观测的张渤带形变

收集整理了研究区内近年来5期的GPS区域观测站和27个GPS连续观测站数据,在解算站坐标的基础上,计算得到了GPS区域站水平形变和GPS连续站垂直形变。分析研究了张家口-渤海地震构造带(张渤带)近期形变状态,得出张渤带在2011—2013年时段内形变相对较大且区别于以前的形变形态。结果显示:张渤带近期受到明显挤压,呈应力应变能积累增强的趋势,表明张渤带地壳形变差异活动增强,具有地震孕育的形变背景。     

最小二乘配置方法在提取GPS时间序列信息中的应用

通过对最小二乘配置方法的研究,应用该方法对GPS观测值时间序列和GPS基线时间序列进行分析,完成滤波并提取出不同频段的信息。首先,对最小二乘配置的具体解法进行了讨论。其次,对GPS基线计算方法进行了论述。最后,讨论了利用最小二乘配置在时间域进行信息提取的优势和应该注意的问题。     

环境负载对云南地区基准站时间序列的噪声模型特性研究

以云南地区27个GPS基准站坐标时间序列为研究对象,使用赤池信息量和贝叶斯信息量估计准则（AIC/BIC）对其进行噪声分析,计算并扣除时间序列中大气负载、非潮汐海洋负载和水文负载3种环境负载引起的位移量,得到各基准站分量在环境负载改正前后的最优噪声模型。结果表明,部分基准站分量经过负载改正后最优噪声模型会发生变化,改正前后的大部分基准站噪声特性均体现为闪烁+白噪声和幂律噪声。环境负载对基准站的垂向位移影响比水平向更为显著,水文负载成为影响基准站的最大因素,最大位移量达到厘米级。分析环境负载改正前后噪声特性的变化表明,环境负载改正在U分量上的影响最大,N分量次之,E分量最小,噪声模型的变化在地域上并未呈现明显规律。     

2016年青海门源MS6.4地震震前应变积累及同震变形特征

2016年1月21日青海省门源县发生了M_S6.4地震, 发震断裂为冷龙岭北侧断裂, 震中位置与1986年门源6.4级地震相同。 本文收集了本次地震震中及其周边区域1999—2015年GPS观测资料, 解算了GPS速度场、 跨断裂连续观测站基线时间序列和应变率场。 结果显示, 祁连山断裂带为一条宽度约60 km的连续变形带。 在断裂带南侧地壳运动以顺时针旋转为主, 运动量值没有显著差异; 跨过断裂带到达其北部之后, 地壳运动量值明显减小, 显示出该断裂带的强烈活动特征。 冷龙岭断裂左旋走滑速率为6.17±0.41 mm/a, 挤压速率为1.83±0.38 mm/a, 断层闭锁深度为22.1±3.1 km。 利用GPS连续观测站数据解算的地震同震位移显示, 震中西南侧26.8 km处的青海门源(QHME)测站记录到了明显同震位移, 其水平运动方向为北东向, 与逆冲为主的震源机制解一致。     

GPS数据解算过程中相关问题研究

基于2011和2012年陆态网GPS连续观测数据,分析了GPS水平速度场数据解算过程中,不同对流层延迟参数个数与初始坐标偏差对解算精度的影响;利用重采样方法模拟生成多组不同时间间隔的流动数据,分析了不同时间间隔的流动观测模式下的解算精度。通过实验证实,为了得到高精度的GPS单日松弛解,必须进行对流层延迟估计,对流层参数个数设置为2,7,13时解算精度存在少量差别,表现为随着参数增多解算精度有所提高;初始坐标误差在10m时可以得到精度较高的时间序列结果,误差在30m及50m时不能得到可用的时间序列;当流动观测时间间隔大于1年时,可以获得较为可靠的水平速度场结果;时间间隔短于1年时,水平速度场解算精度较低。     

南极半岛地区GPS坐标时间序列噪声分析及形变模式初探

有色噪声广泛存在于各种连续GPS站坐标时间序列,对GPS时间序列分析有重要影响.利用GAMIT/GLOBK软件解算了南极半岛地区8个GPS测站2010—2014年的实测数据,对坐标时间序列使用主分量分析法(PCA)进行了空间滤波,利用CATS软件估计了不同噪声模型下和空间滤波前后的噪声量级、站坐标时间序列参数及其不确定度,最后对南极半岛地区水平和垂向的形变模式进行了分析和讨论.结果表明,南极半岛地区GPS时间序列不仅存在白噪声,还存在较大量级的闪烁噪声,部分测站E方向在滤波前可能存在随机游走噪声;空间滤波能够有效降低这三种噪声的量级,从而有效减小线性项和周期项估计的不确定度;南极半岛地区在水平方向主要表现为板块运动,还可能存在局部性构造运动;在垂直方向上由冰川均衡调整(Glacial Isostatic Adjustment,GIA)因素引起的抬升较小,主要表现为现今冰雪质量损失引起的弹性抬升运动.     

新疆4次MS≥6.0地震基线时间序列异常变化特征研究

根据“中国大陆构造环境监测网络”基准站2011～2020年的连续观测资料,对新疆境内天山中段、南天山西段和西昆仑的47条GPS基线时间序列变化进行分析,讨论这些基线的趋势性变化运动特征,总结2016年11月25日阿克陶M_S6.7地震、2016年12月8日呼图壁M_S6.2地震、2017年8月9日精河M_S6.6地震和2020年1月19日伽师M_S6.4地震震中300 km范围内不同方向的GPS基线时间序列的异常变化特征和周边构造活动情况,通过对GPS基线异常特征变化的差异性分析,初步得出结论：地震前后基线变化的幅度和趋势跟地震的破裂方向有一定的关系。或许可为新疆未来M_S≥6.0强震可能发生地点提供一定的依据。     

北京天津地区垂直形变剖面复测结果的GPS检验

利用北京和天津地区的28个GPS连续观测站资料（资料截至2008年8月）计算得到的垂直向时序结果,分析各个GPS连续观测站垂向分量的变化特征,计算得到2007～2008年北京天津地区GPS站垂直运动速率,并与水准测量计算得到的2007～2008首都圈地区垂直形变速率进行比较;通过寻找水准测量路线附近的GPS站点,相应于水准的初测和复测时段,计算得到GPS路线剖面图,将GPS与水准2个时段的剖面结果进行对比分析。通过水准和GPS结果的这种“由面到线”的综合比较分析,得出初步的结论：从趋势上看,GPS与水准的结果是相似的,GPS结果同样反映了2008年北京东南附近区域有隆升的迹象,但量值比水准结果小,水准结果所反映的“南升北降”的特征在GPS结果中得到一定程度的验证和体现。     

利用GNSS连续观测资料获取高精度动态速度场的研究

基于计算获取的ITRF2005下中国地壳运动观测网络工程GNSS连续观测站1999~2013年的站坐标时间序列结果,采用小波分析方法和加权最小二乘法评定顾及周期性非构造运动和不同噪声影响的GNSS连续观测站的月时段、半年时段、年时段速度估值和精度,探讨利用GNSS连续观测时间序列获取稳定速度场与时间序列时段长度的关系。研究结果表明:剔除年周期和半年周期运动后可得到更稳定且精度更高的年时段和半年时段速度场,但月时段速度场结果离散度大;采用小波滤波方法可提高GNSS连续观测结果的可靠性,通过小波滤波分析逐步剔除白噪声、闪烁噪声和随机漫步噪声后计算得到的月时段速度的精度和离散度改进显著,可得到较稳定的月时段速度场。     

连续观测站的噪声分析

分析了中国地壳运动观测网络在全国布设的27个GPS连续站开始运行以来至2005年11月的站坐标时间序列. 在对数据进行清理的基础上， 分析了各站坐标分量噪声的功率谱密度， 计算了表征各分量的噪声特性的谱指数. 谱指数显示， 大部分站的各坐标分量时间序列的噪声可以用白噪声+闪烁噪声的模型来描述， 少部分则可用白噪声+闪烁噪声+随机漫步噪声的模型来描述. 采用最大似然估计准则， 定量估计了模型中的各噪声分量. 结果表明， GPS站坐标时间序列中白噪声甚至不是噪声的主要成分. 因此， 仅顾及白噪声得到的测站运动参数的误差估计， 实际上是过高的， 或者说是过于乐观的. 相应地， 对这些运动参数作出解释时， 如果不充分考虑这一因素， 有可能会对读者产生误导.      

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。     

单站GPS测速在实时地震监测中的应用

本文提出一种利用单站GPS载波相位或多普勒观测数据,基于单站GPS测速法实时确定地震监测台站运动状态(速度)的新方法.针对2010年4月4日发生于墨西哥Baja California(32.259°N,115.287°W)北部的M_w7.2级EI-Mayor-Cucapah地震事件,选取震中邻近区域(200 km内)若干采样率为5 Hz的高频GPS观测站数据进行实验.结果表明:基于新方法所得测站速度结果能够很好地反映出地震期间监测台站的瞬时运动状态,测站P496和P744计算的速度结果与其并置强震仪观测结果具有很好的一致性.