利用CEEMD分析中国沿海GNSS站高程时序变化

利用完备经验模态分解方法（CEEMD）对我国沿海地区6个GNSS基准站（2010—2018）的高程时序数据进行了处理分析。结果表明：CEEMD在高程时间序列分析中具有一定的优越性，可准确分解出各GNSS站高程时序中存在的周、月、季节、年等变化周期项，其中周年运动是主要贡献项，各站高程时间序列的短周期变化与潮汐变化周期具有密切关联性；沿海GNSS站的地面沉降既具有区域的一致性，又存在区域间差异性，其中D区DBJO、DZJJ站呈现先下降后上升的趋势，N区NZUH、NWZU站呈下降趋势，B区的BZMW呈上升趋势，而同海区的BLHT站则呈显著的下降趋势。     

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。     

利用GNSS数据分析大港验潮站地壳沉降

青岛大港验潮站的地壳沉降关系到该站平均海平面的绝对变化,因而也就关系到我国高程基准面的变化。本文利用青岛GNSS基准站约10年的观测数据对该站的地壳沉降变化进行分析。首先将青岛GNSS基准站纳入由50个国际IGS站和43个国内陆态网络基准站组成的全球网中,进行单日松弛解和单日约束解解算,获得该站坐标时间序列。然后对该站垂向坐标时间序列进行分析,利用粗差探测、偏差探测、趋势项分析、频谱分析等方法对粗差、偏差、趋势项和周期项进行探测、分析,并通过时间序列模型估计获得时间序列中的周期项振幅和偏差估值。分析表明青岛GNSS基准站垂直方向近一段时间未发现存在显著性的地壳沉降变化,但受到比较明显的周年和半周年周期变化影响。结合青岛大港验潮站验潮数据分析结果得出结论:青岛大港验潮站平均海平面的绝对上升速率是1.62mm/a。     

对流层投影函数选取对基准站坐标的影响分析

通过处理IGS基准站2000-2014年的观测数据,比较分析了VMF1(vienna mapping function 1)和GMF(global mapping function)两种投影函数的选择对基准站坐标的影响。结果表明,两种投影函数引起的坐标变化在高程方向的影响大于水平方向,造成高程方向的坐标变化达3 mm。两种投影函数的不同也会造成基准站周期振幅的变化,周年振幅变化显著于半周年振幅变化。     

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。     

GNSS高程时间序列周期项的经验模态分解提取

针对传统方法——常振幅常相位的周年+半周年谐波模型法不能准确提取GNSS高程时间序列中周期项问题,该文以中国区域10个IGS基准站在ITRF2008框架下2005—2015年高程时间序列为例,采用经验模态分解(EMD)提取各测站高程时间序列的周期项。对传统方法和EMD两种方法提取的周期项做Lomb_Scargle谱分析,用功率谱图分析了这两种方法提取序列周期项的能力。实验结果表明,EMD方法较传统方法更能准确、自适应地提取GNSS高程时间序列的周期项。     

陆态网基准站高程时间序列的环境负载效应分析

GPS坐标时间序列呈现显著的季节性变化,以中国大陆构造环境监测网络(CMONOC) 233个GPS测站的高程方向坐标时间序列为研究对象,通过计算环境负载效应改正前后的均方根(RMS)减少率,对比了德国波茨坦地学研究中心(GFZ)与法国斯特拉斯堡大学提供的EOST不同环境负载产品对CMONOC坐标时间序列数据的改善程度. 统计结果表明:经过GFZ环境负载产品和EOST环境负载产品改正后分别有90.2%和75.54%的测站RMS减小,说明GFZ的环境负载产品对CMONOC基准站坐标时间序列数据的改善效果更好. 同时发现环境负载效应不仅对GPS坐标时间序列中的季节项有明显的改正效果,对非季节项的改善效果也非常明显,经过GFZ提供的环境负载产品改正后有87.8%的GPS测站周年项振幅削弱,有82.4%的测站非季节项的RMS减小.      

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.     

CME对IGS基准站坐标序列噪声模型及速度估计影响分析

以50个IGS基准站坐标时间序列为研究对象,采用赤池信息量准则（BIC）模型估计准则对四种组合噪声特性进行估计分析,探讨共模噪声（CME）对IGS基准站坐标时间序列噪声模型及站速度影响. 结果表明CME会导致IGS基准站坐标序列噪声模型的有偏估计,并影响站速度的确定精度,准确估计基准站速度参数时应对CME进行修正;经CME修正后IGS基准站周年运动周年项振幅有所减小,高程方向更为明显,表明滤波后IGS基准站周年运动相对稳定.      

京津地区GNSS坐标时间序列噪声特性研究

针对地表质量负荷对京津地区GNSS坐标时间序列噪声特性的影响,选取中国大陆构造环境监测网络8个GNSS基准站2012—2014年的坐标时间序列,利用CATS软件计算大气压、非潮汐海洋、积雪和土壤湿度等质量负载改正前后GNSS坐标时间序列的谱指数、最优噪声模型、速度的变化。发现地表质量负载对GNSS坐标时间序列的噪声特性产生了明显影响。结果显示,京津地区GNSS坐标序列包含白噪声和有色噪声,且最优噪声模型具有多样性。扣除质量负载后N、U分量的噪声模型变化明显,主要表现为FN+WN和PL+WN,而N、E分量的谱指数分别趋近于FN和WN。质量负载改正后基准站U方向的线性速度变化较大,且北京地区变化量大于天津地区。研究结果为提高GNSS数据解算精度、精细分析地壳形变提供参考。     

Assessment of second- and third-order ionospheric effects on regional networks: case study in China with longer CMONOC GPS coordinate time series

Higher-order ionospheric (HOI) delays are one of the principal technique-specific error sources in precise global positioning system analysis and have been proposed to become a standard part of precise GPS data processing. In this research, we apply HOI delay corrections to the Crustal Movement Observation Network of China’s (CMONOC) data processing (from January 2000 to December 2013) and furnish quantitative results for the effects of HOI on CMONOC coordinate time series. The results for both a regional reference frame and global reference frame are analyzed and compared to clarify the HOI effects on the CMONOC network. We find that HOI corrections can effectively reduce the semi-annual signals in the northern and vertical components. For sites with lower semi-annual amplitudes, the average decrease in magnitude can reach 30 and 10 % for the northern and vertical components, respectively. The noise amplitudes with HOI corrections and those without HOI corrections are not significantly different. Generally, the HOI effects on CMONOC networks in a global reference frame are less obvious than the results in the regional reference frame, probably because the HOI-induced errors are smaller in comparison to the higher noise levels seen when using a global reference frame. Furthermore, we investigate the combined contributions of environmental loading and HOI effects on the CMONOC stations. The largest loading effects on the vertical displacement are found in the mid- to high-latitude areas. The weighted root mean square differences between the corrected and original weekly GPS height time series of the loading model indicate that the mass loading adequately reduced the scatter on the CMONOC height time series, whereas the results in the global reference frame showed better agreements between the GPS coordinate time series and the environmental loading. When combining the effects of environmental loading and HOI corrections, the results with the HOI corrections reduced the scatter on the observed GPS height coordinates better than the height when estimated without HOI corrections, and the combined solutions in the regional reference frame indicate more preferred improvements. Therefore, regional reference frames are recommended to investigate the HOI effects on regional networks.     

Impact of loading displacements on SLR-derived parameters and on the consistency between GNSS and SLR results

Displacements of the Earth’s surface caused by tidal and non-tidal loading forces are relevant in high-precision space geodesy. Some of the corrections are recommended by the international scientific community to be applied at the observation level, e.g., ocean tidal loading (OTL) and atmospheric tidal loading (ATL). Non-tidal displacement corrections are in general recommended not to be applied in the products of the International Earth Rotation and Reference Systems Service, in particular atmospheric non-tidal loading (ANTL), oceanic and hydrological non-tidal corrections. We assess and compare the impact of OTL, ATL and ANTL on SLR-derived parameters by reprocessing 12 years of SLR data considering and ignoring individual corrections. We show that loading displacements have an influence not only on station long-term stability, but also on geocenter coordinates, Earth Rotation Parameters, and satellite orbits. Applying the loading corrections reduces the amplitudes of annual signals in the time series of geocenter and station coordinates. The general improvement of the SLR station 3D coordinate repeatability when applying OTL, ATL and ANTL corrections are 19.5 %, 0.2 % and 3.3 % respectively, w.r.t. the solutions without loading corrections. ANTL corrections play a crucial role in the combination of optical (SLR) and microwave (GNSS, VLBI, DORIS) space geodetic observation techniques, because of the so-called Blue-Sky effect: SLR measurements can be carried out only under cloudless sky conditions—typically during high air pressure conditions, when the Earth’s crust is deformed, whereas microwave observations are weather-independent. Thus, applying the loading corrections at the observation level improves SLR-derived products as well as the consistency with microwave-based results. We assess the Blue-Sky effect on SLR stations and the consistency improvement between GNSS and SLR solutions when ANTL corrections are included. The omission of ANTL corrections may lead to inconsistencies between SLR and GNSS solutions of up to 2.5 mm for inland stations. As a result, the estimated GNSS–SLR coordinate differences correspond better to the local ties at the co-located stations when applying ANTL corrections.     

SHAtrop:基于陆态网GNSS数据的中国大陆区域ZTD模型

对陆态网223个全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System，GNSS）测站6 a实测对流层天顶延迟（zenith total delay，ZTD）的时空特性进行了分析，结果表明，各测站ZTD平均值随大地高指数递减，衰减因子与纬度近似线性关系，其时域变化呈现年周期和半年周期，周期、振幅、初相位与地域分布有关。综合采用周期函数及格网函数，建立了中国大陆区域ZTD经验模型SHAtrop。模型提供区域内分辨率为2.5°×2.0°的格网，用户使用时，先在相应格网内插得到对应参数，再利用三角函数得到椭球面ZTD，最后利用指数函数计算ZTD。实测ZTD的数据验证结果表明，SHAtrop的均方根误差（root mean square，RMS）为3.4 cm，优于常见经验模型。SHAtrop采用较多测站，对高程改正更精细；使用时只需要输入经纬度与时间，使用方便，能满足中国区域GNSS用户实时定位导航的ZTD改正需求。     

华北地区季节性垂直位移信号提取及物理机制分析

华北地区地表垂直位移呈现显著的季节性波动。为探究其驱动源信号,利用独立分量分析方法对全球导航定位系统20个基准站的垂直位移时间序列进行时空分解,获取前6个独立分量,并与环境负载造成的垂直位移进行比较分析。结果表明,第一个独立分量呈现显著周年变化和相对均匀的空间响应,与大气负载位移时间序列的平均相关系数为0.60,两者吻合良好。第二和第三个独立分量均是周年和年内信号的组合,其空间响应反映出局部集聚特征,与华北地区水资源的分布状况相类似,合并这两个独立分量后与水文负载位移时间序列的平均相关系数为0.50。由此表明大气和水文负载是驱动华北地区季节性垂直位移的主要源信号。     

一种可用于估计全球水汽标高的经验模型

水汽标高是一个反映水汽垂直分布特征的参数,也是全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)对流层天顶湿延迟改正和GNSS水汽层析中的一个辅助参数。本文对2006—2012年水汽标高的时间序列进行频谱分析,发现水汽标高在时间上呈现出年周期和半年周期变化,因此利用包含年周期和半年周期的三角函数来表达水汽的时变规律,然后利用欧洲中尺度天气预报中心(European Centre for Medium-range Weather Forecasting,ECMWF)的数据在全球1°×1°的格网点上分别拟合了三角函数的系数。通过上述方法首次构建了一个全球适用的水汽标高模型GSH,该模型既体现了水汽标高的时变特性又考虑了其地理差异。以无线电探空数据为参考,GSH具有-0.19km的偏差(bias)和1.81km的均方根误差(root mean square error,RMSE);以ECMWF数据为参考,GSH具有0.04km的bias和1.52km的RMSE。GSH整体上表现出了比较稳定的精度,可服务于GNSS气象学研究,也可为其他相关气象研究提供水汽标高参考。     

基于IGS连续跟踪站的GPS高程时间序列分析

对全球分布的IGS连续跟踪站GPS高程分量时间序列,进行了小波多分辨率分析,发现各台站高程时间序列大都存在着季节性变化,这种以半周年项和周年项为主的季节性变化是由多种地球物理现象引起的,我们从多个方面分析了原因,并着重分析了大气压强的影响。利用分析的结果讨论了地壳垂直变化的规律,得出地球存在以半年和周年为周期的整体性扩张与收缩振荡运动,同时南北半球的变化规律存在差异的结论。