热膨胀效应对GNSS基准站垂向位移非线性变化的影响

天线观测墩及基岩的热膨胀效应会造成GNSS基准站坐标时间序列高程方向的非线性变化。本文提出了一种计算热膨胀效应导致的基准站垂向位移的改进方法:首先利用基岩热膨胀模型和基准站地表温度数据,分别计算热膨胀效应对基准站天线观测墩和基岩的影响量;其次,利用最小二乘拟合方法,同时估计模型中周期项的周期、振幅、相位等信息,而已有方法仅估计振幅与相位信息;最后,基于改进的模型,分析了基准站垂向位移的周期性特征变化。本文利用该方法分析了有代表性的9个IGS基准站的数据。结果表明:基岩热膨胀和天线观测墩热效应能造成测站垂直方向位移变化;在分析的基准站中,最大影响分别可达0.57mm和1.85mm;热膨胀效应造成的GNSS基准站垂直方向位移时间序列具有周年和半周年周期特性,分别可以解释测站U方向坐标时间序列季节性变化的11.2%和3.3%,影响大小随测站纬度的增加而增加,且半周年影响明显小于周年影响;同时,部分测站发现了其他小周期的影响(约51d)。此外,基于该方法,选取了全球107个IGS站,计算了热膨胀造成的各测站垂向位移周年振幅及其相位,结果显示周年振幅最大可达3.3mm,其大小和测站纬度具有比较明显的相关性。     

GPS位置时间序列中温度变化驱动的非线性信号机制解释

GNSS连续运行基准站坐标时间序列(以下简称为时间序列)中由地球物理效应引起的非线性信号主要指由固体、海洋及大气潮汐、环境负载、热膨胀效应等造成的基准站周期性位移.由周期性温度变化驱动的基准站天线观测墩热效应(thermal expansion of the monument ,TEM )及其所在基岩的热弹性形变(thermal expansion of the bedrock ,TEB)统称为热膨胀效应,是时间序列非线性信号的潜在贡献源之一.通过构建或精化热膨胀效应模型,有效解释时间序列中由温度变化驱动的非线性信号形成的物理机制,量化、分析热膨胀效应的影响及其空间分布特性,并结合已有环境负载效应模型,对时间序列进行修正,有助于获得准确的测站位置、速度及其不确定度,构建并进一步完善基准站运动模型,为毫米级精度的地球坐标参考框架的建立与维持提供参考.     

基于功率谱和小波谱在GNSS时间序列信号探测分析中的应用

GNSS坐标在观测过程中受多方面因素影响,产生各种误差,存在一些波动变化,根据波动变化特征可以分析探测存在的信号。本文主要利用功率谱、小波谱和小波熵对GNSS原始、去趋势项、差分处理3种情况下时间序列进行分析,通过对比显示,小波谱和小波熵对于非平稳信号探测比功率谱分析能力强,GNSS时间序列存在一个趋势项和一个年周期信号。     

高频GNSS高楼结构振动动态监测试验

文章通过1HZ GNSS连续观测,设计了高楼结构振动动态监测试验方案:对连续多天观测数据进行了动态单历元解算;根据不同时段可视卫星的平均轨道周期,利用改进的恒星日滤波,减弱了多路径效应;在分析位移时间序列频谱的基础上,结合不同信号的时频特性,进行了高频滤波去噪;最后,成功提取了真实的高楼结构振动时间序列。研究结果表明,多天提取序列趋势一致,精度相当;每天位移时间序列变化较大的时段与地铁的运营时段相吻合;在有效消除多路径效应和随机噪声后,GNSS单历元监测高楼结构振动的精度为:水平方向±2mm,垂直方向±4mm。     

利用连续GPS观测数据分析水库长期变形

本文利用西龙池（位于山西省境内）上水库的GPS短基线连续观测数据,计算得到23个月的坐标时间序列,分析并评估了多路径效应对序列中线性项以及周年信号的影响,进而确定了西龙池上水库长期变形趋势。结果表明：自初次蓄水完成后,西龙池上水库整体稳定,主、副坝平面方向上存在微弱的线性变形。其中位于主坝上的测点L022运动速度为北偏东80°,2.2mm/yr,S071为主坝体北向断面上测站,其速度为北偏东109°,2.5mm/yr,副坝上测点L132为北偏西87°,0.7mm/yr。其余断面上的监测点平面运动速率小于0.3mm/yr;同时,水库各测站均存在不同程度的沉降,其中L022、L132沉降速率分别为3.8mm/yr,1.4mm/yr,其余测站沉降速率小于1mm/yr。部分测站N、E分量出现了周年运动,振幅为0.5~1 mm。分析认为L022、TN01测站的周年运动可能是由于其所处基岩的热膨胀导致,其余测站的周年信号中包括有基岩以及地表热膨胀的共同作用     

华北区域GNSS基准站高程时间序列的非线性变化分析

基于陆态网络全球卫星导航系统（GNSS）观测成果,采用功率谱分析法和最小二乘方法,以华北地区为例,研究了区域基准站高程时间序列的非线性变化特征,并分析了不同环境负载的影响.结果表明,GNSS基准站高程方向存在显著的周年和半年周期特征,且周年特征要显著于半周年特征.位于不同地区的基准站的振幅和相位存在差异,华北平原南部地区的周年振幅要大于北部地区,整体上华北地区周年变化在秋季时节振幅达到最大.不同环境负载效应对华北GNSS高程位移的影响不一致,利用三种环境负载修正GNSS序列后,水文负载的修正效果最好,非潮汐大气负载次之,非潮汐海洋负载修正结果不理想.      

EMD在GNSS时间序列周期项处理中的应用

全球导航卫星系统（global navigation satellite system,GNSS）位置时间序列蕴含有丰富的构造和非构造变形信息,具有成分复杂、建模困难、非构造信息难以有效分离等特点,利用自适应的经验模态分解（empirical mode decomposition,EMD）方法对川滇地区24个GNSS连续站时间序列作周期项修正。结果表明,周期项的修正十分必要,EMD方法能够根据每个台站信号的自身特性,自适应地提取不同频率、振幅的周期成分,这也更符合实际情况;相较于谐波模型,EMD方法对原始时间序列在N、E、U方向的改正均更加精确有效。使用修正后的连续站时间序列模拟流动观测,发现经过5～6 a/期观测即可得到相对可靠的台站运动速度,并通过距离较近的实际连续观测站对流动观测站周期项改正,验证了EMD方法的稳定性和可靠性,这也为流动GNSS观测实施、周期修正和资料使用提供了参考意见和理论依据。     

厦门地区地表形变季节性波动规律分析

利用厦门市连续运行基准站(Xiamen continuously operating reference station,XMCORS)系统站点2013-2015年的观测资料,结合重力恢复与气候实验(gravity recovery and climate experiment,GRACE)卫星的同时期观测数据,反演得到的该区域水文荷载变化引起的地表位移,发现该地区利用全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)和GRACE卫星获取的地表位移时间序列均存在明显的季节性波动,且存在一致性.定量计算周期项振幅发现GNSS观测的XMCORS测站水平方向上的振幅比垂直方向的小,东、北方向振幅平均值分别为1.13 mm和0.78 mm,垂直方向振幅约为水平方向振幅的3倍,达到3.05 mm.GRACE卫星获取的振幅小于GNSS获取的振幅,这说明GNSS时间序列中可能存在一些未模型化的误差引起周期性变化,具体原因仍然需要进一步分析.     

基于 EEMD 和 Husrt 指数的 GNSS 基准站的垂向速率估计

连续的全球卫星导航系统(GNSS)基准站的坐标时间序列中包含了复杂的噪声信号、非构造形变及其它因素的影响,尤其在垂直方向,对GNSS基准站在国际地球参考框架(ITRF)下的运动速率估计产生了较大的干扰。为进一步提高速率精度,文中采用整体模态分解(EEMD)方法对GNSS基准站的垂向观测时间序列进行分解,并根据各种信号的Hurst值进行分类及重构为噪声信号、季节性信号和长期趋势信号,采用最小二乘方法拟合长期趋势信号得到垂向速率。通过对中国大陆构造环境监测网络(CMONOC)的GNSS台站从2001—2013年近13a的垂向坐标时间序列的实例分析,采用基于EEMD和Husrt指数的最小二乘法能够准确地估计GNSS基准站的垂向速率。     

中国大陆导航连续站周期信号空间规律研究

为了进一步分析我国GNSS周期信号的空间分布规律,文章基于我国大陆及周边IGS站与中国地壳运动观测网络基准站的坐标时间序列,给出定量标准剔除质量差的测站;采用分段线性拟合法提取并扣除时间序列的趋势项;采用"拉依达准则"剔除时间序列中的奇异值;采用4参数三角函数拟合出时间序列的周期与幅度;分析东向、北向、垂向3个方向的年周期、半年周期的振幅与最大值出现月份在我国的空间分布情况。分析结果表明:3方向年周期的振幅都是半年周期振幅的两倍以上,3个方向不同周期振幅的空间分布规律差异明显。     

GNSS时间序列中随机漫步消噪的改进半软阈值算法及其评估

全球导航卫星定位系统在卫星定轨和信号质量等方面存在的差异性,造成GNSS时间序列中的随机漫步噪声十分复杂,已经成为制约GNSS技术在高精度变形监测行业领域深入应用的瓶颈。本文针对具有量级小、频率低、敏感性差等复杂特征的随机漫步噪声,提出了一种改进的半软阈值算法,通过引入可变因子形成了统一的半软阈值函数体系,提高了常规半软阈值对随机漫步噪声的适应性。为了验证和评估改进半软阈值算法的效果,利用MATLAB平台仿真生成有线性趋势项、年周期项和随机漫步噪声的GNSS时间序列,共1700个历元。结果表明,改进的半软阈值法较经典方法在信噪比和均方根误差上表现出更加优良的性能。自相关分析的评估结果表明,改进方法所消除的噪声与随机漫步噪声在形态特征上具有高度的一致性。谱指数分析评估结果,进一步从定量角度验证了改进方法对随机漫步噪声的特有适用性。     

Efficient spoofing identification using baseline vector information of multiple receivers

In a spoofing environment, a Global Navigation Satellite System (GNSS) receiver must employ anti-spoofing techniques for obtaining a normal navigation solution from the GNSS signal. We propose a new method for identifying spoofing signals using the norm of the difference of baseline vectors (NDB) obtained from multiple receivers. The main focuses of this research are to reduce the initial time required to identify the spoofing signal and to mitigate the physical constraints on multiple antennas placement. First, the multi-correlators of each receiver track both GNSS and spoofing signals simultaneously and classify them into two signal groups. Then, the baseline vectors are generated from the double-differenced carrier phase measurements of the classified signal groups, and the NDB is calculated. If the target positions of the spoofing signal groups are almost the same, the NDB has a fairly small value when the base position of the selected baseline vectors is calculated from one of the GNSS groups and the rover positions of the baseline vectors are calculated from each spoofing group of the multiple receivers. Using the NDB, a hypothesis is established, and a hypothesis test is conducted for identifying the spoofing signal. The performance of the proposed test statistics is analyzed with respect to the distance between the GPS antennas and the tuning parameter. Our experimental results show that the proposed method effectively performs spoofing identification with a short baseline. Additionally, the method exhibits a very low probability of fault detection and fast response time. This means that the immediate anti-spoofing can work properly in spoofing environments.     

基于GNSS多径信号的反射面参数估计算法

全球卫星导航系统(GNSS)多径信号广泛存在于城市峡谷等复杂导航定位场景中.多径信号在干扰GNSS接收机并造成系统定位精度下降的同时,也为接收机提供了周边反射面环境信息.在码相位延迟幅度联合跟踪算法(CADLL)实现GNSS多径信号感知和特征参数提取的基础上,设计实现了基于粒子滤波的反射面参数估计算法.该算法可以在GN...     

GNSS多路径和信噪比相关性分析

在全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)接收机附近的反射、衍射、干扰信号等所造成的多路径效应是影响定位的主要误差来源。信噪比(Signal-Noise Ratio,SNR)的振荡是由多路径信号叠加在直接信号上引起的,基于此原理学者们提出了很多检测和缓解多路径误差的方法。本文通过谱分析的方法对多路径时间序列进行了分析,并研究多路径与信噪比之间的相关性,对基于信噪比检测和缓解多路径误差的方法的适用性进行了说明。实验表明:多路径和信噪比振荡值的时间序列具有显著的相关性,能够利用信噪比观测值削弱多路径影响。     

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。     

基于GNSS精密单点定位的高精度云平台授时

采用GNSS精密单点定位(PPP)技术和时钟驯服技术,构建了基于PPP的云平台高精度授时方案,研制了搭载多系统GNSS接收机板卡、恒温晶振(OCXO)和数字信号处理器(DSP)的授时原理样机。利用协同精密定位平台分析中心(武汉)提供的5 s间隔卫星轨道和钟差产品,采用PPP技术实时解算授时终端坐标和钟差,通过驯服恒温晶振输出亚纳秒精度的1 PPS,实现了长时间高精度的授时能力。本文通过短基线比较和与UTC绝对时间基准比较,验证了精密单点授时精度(RMS)优于1 ns。