利用小波分析IGS跟踪站的非线性运动特征

以中国大陆区域IGS站为例,利用小波变换提取GPS位置时间序列中的半周年、周年、两周年和长期项运动信息,对非线性运动特征的多分辨分析表明:对于周年和半周年运动,水平方向和高程方向的规律特征存在明显差异,两周年运动的周期性较弱且振幅不大,长期项中仍存在较大的波动起伏.对周期性最为明显的垂向季节性运动进行重点分析,从地球物理因素、测站环境和数据解算等方面探讨季节性运动的影响因素.     

大空间尺度GPS网共模误差提取方法研究

基于全球分布均匀且时间跨度大于10a的138个IGS基准站坐标时间序列,分析了大空间尺度GPS网基准站坐标时间序列之间的相关性,发现部分测站之间的距离超过5 000km时仍存在较显著的相关性。针对目前共模误差提取方法存在的不足,引入相关系数作为权重因子,改进了区域叠加滤波算法。并利用IGS基准站坐标时间序列验证了此方法。结果表明,改进后的相关系数加权叠加滤波算法能够有效地提取大空间尺度GPS网坐标时间序列中的共模误差。     

基于GPS测站坐标残差序列的小波工具应用与分析

利用小波工具剔除噪声的思想对全球部分GPS测站坐标残差序列进行应用试验。通过选取特定的阈值和小波基函数,成功提取出GPS测站坐标残差序列的一些非线性周期规律,对于进一步深入研究GPS测站坐标非线性变化规律有重要意义。     

陆态网络共模误差的提取研究

针对"中国大陆构造环境监测网络"中的共模误差问题,该文提出了一种新的提取共模误差的方法,该方法在区域叠加滤波中引入坐标时间序列相关系数作为权重因子。基于陆态网络中时间跨度大于4年的154个基准站坐标时间序列,利用相关系数加权叠加滤波方法提取其中的共模误差并分析其特征。结果显示,滤波后测站残差坐标时间序列之间的相关性明显减小,N、E、U 3个分量的相关系数分别平均减少30.33%、19.86%、23.24%。所有测站残差坐标时间序列滤波后的RM_S在N、E、U3个分量分别平均减少9.5%、9.1%、26.1%,与区域叠加滤波结果相比分别提高了2.1%、1.2%、4.5%。结果表明,相关系数加权叠加滤波方法比区域叠加滤波方法提取共模误差更有效。     

全球GPS测站垂向周年变化统计改正模型的建立

对GPS测站坐标进行非线性变化的研究和建模,是削弱测站非线性运动的有效途径。由于导致测站坐标非线性变化的机制具有多样性和复杂性,目前还未能建立一个包含多种机制影响的理论改正模型来削弱测站的非线性运动。本文基于全球近500个实测的GPS测站垂向坐标残差时间序列,研究发现了测站垂向坐标周年项的全球分布规律,并分别针对南北半球构建了两个基于实测数据的周年变化统计改正模型。试验表明,本文提出的统计改正模型能削弱全球大部分GPS测站30%~50%的垂向坐标残差。     

欧洲地区共模误差提取及分析

针对跨度较长时间序列共模误差噪声特征研究较少,选择空间滤波的方法对较长时间序列进行分析以满足参考框架建立的需要。选取欧洲地区58个IGS基准站2001—2011年的坐标时间序列,采用区域叠加滤波法、分区区域叠加滤波法和相关系数加权叠加滤波法求取共模误差,并以滤波后时间序列相关系数和残差时间序列标准差为标准对其进行对比分析;进而,利用极大似然估计的方法对每个区域共模误差及滤波前后坐标时间序列进行噪声分析。结果表明:分区区域叠加滤波法最适合欧洲地区共模误差的提取;共模误差主要成分是闪烁噪声,也包含白噪声、随机漫步噪声等;当时间序列长度较长时,N、E方向受共模误差影响较小,可忽略,U方向受共模误差影响较大,需要考虑。     

GPS技术周年系统性误差的检测与分析

当利用GPS测站坐标残差数据分析研究测站坐标周年非线性变化规律时,GPS技术本身的周年系统性误差是其中重要部分。本文针对GPS技术的周年变化特点利用并置站SLR残差数据对GPS测站残差数据中的部分周年系统性误差进行了检测分析,对于进一步量化GPS周年系统性误差对测站坐标精度以及测站坐标周年非线性变化的影响有一定的借鉴意义。     

山东CORS基准站坐标时间序列噪声分析

针对目前在分析GPS基准站噪声时对其坐标时间序列周期项提取不充分的现状,该文提出用小波谱探测坐标时间序列中的周期项,用小波分析方法提取周期项,得到不含明显周期项噪声序列。以山东CORS中26个基准站两年的坐标时间序列为例,去除了坐标时间序列中阶跃项,确定了长期趋势项,对周期项进行了探测、分离和提取,得到了各测站的噪声序列;用谱指数法分析了噪声的类型,用最大似然估计获取了各种噪声的分量,进而建立了噪声组合模型。实验结果表明,山东CORS基准站噪声模型可以用白噪声加闪烁噪声的形式来描述,其白噪声的平均值为1.25mm,闪烁噪声的平均值为5.46mm。     

小尺度区域GNSS网三种时空滤波方法研究

针对时空滤波提取GNSS连续坐标时间序列中的共模误差对探测地壳微形变信息至关重要的问题,该文探索了小尺度区域内叠加滤波、主成分分析、独立分量分析等时空滤波方法的特性,基于华北地区13个GNSS测站连续3年的坐标时间序列进行时空滤波,并对比分析不同方法的滤波效果。结果显示,3种方法滤波后均不同程度地降低了坐标时间序列的离散度;区域叠加滤波与主成分分析提取的共模误差空间响应一致,滤波后的标准差基本相同,表明提取共模误差的性质相同,都以二阶统计量为主要信息;独立分量分析滤波后坐标时间序列的标准差较高,这与区域叠加滤波和主成分分析过度滤波有关。     

一种改进的GPS区域叠加滤波算法

GPS时间序列的空间滤波可以提高观测数据的信噪比，有利于获取更高精度的地壳形变信息。区域叠加滤波算法的空间滤波结果随着测站数和空间尺度不同而不同，不利于研究GPS时间序列中的形变信息。为了削弱区域叠加滤波受空间尺度的影响，提出一种不以空间尺度作为约束条件，同时引入相关系数和距离因子的区域叠加滤波算法。采用2010—2017年中国区域260个GPS连续观测站的时间序列展开空间滤波方法的研究，计算结果表明，对比相关性区域叠加滤波算法，考虑GPS时间序列之间的相关系数和距离因子更有利于提取GPS时间序列中的共模误差，且受空间尺度的影响较小。对比3种不同距离因子的区域叠加滤波算法，可知引入距离反比的空间滤波算法可实现更优的空间滤波。采用该方法空间滤波后可使GPS时间序列残差降低30%~40%，GPS速度场精度提高30%~40%。此算法实现了更优的GPS形变场估计，为研究中国区域的地壳运动和其动力学机制提供了可靠的数据基础。     

基于小波变换的CORS高程坐标时序周期性分析与降噪方法研究

以香港连续运行参考站（CORS）网中的6个CORS的高程坐标时间序列数据为研究对象,利用小波多分辨分析从时频的角度来探测坐标时序中存在的周期性变化与非线性运动趋势,并采用小波变换阈值的方法对坐标时序进行降噪处理,根据不同的降噪质量评价指标来对比降噪效果．结果表明:高程坐标时序中存在极为明显的年周期与半年周期变化的特征,通过小波降噪可以有效地减弱或消除原始时序中的噪声信息,获得更接近理论分析的坐标时间序列．      

地震对GPS站坐标时序共模误差的影响分析

通过选取日本7个IGS基准站在东日本大地震前后各3a的坐标时间序列,提取并分析此区域的共模误差的特点和地震对其的影响,以及共模误差对基准站噪声时序的影响。结果表明:滤波后测站各方向坐标时序平均均方根相较于过滤前明显减少,测站坐标可靠性和精确性得到明显提高;地震的发生导致其N、U方向均值分别增大2.1倍和1.5倍;共模误差在N、E、U方向均表现出明显的周期特性,其周期特性在地震前后几乎截然相反,地震对其周期特性的影响必须充分考虑。     

顾及共模误差的大区域GPS网坐标时间序列噪声分析

噪声分析对GPS时间序列分析有着重要影响,然而针对时间跨度较长的大尺度GPS网的共模误差相关研究较少。本文选取了平均基线长度大于2000 km的欧洲地区9个GPS台站2006-2014年的数据,使用主成分分析法剔除坐标时间序列的共模误差,同时利用极大似然估计的方法对滤波前后的时间序列进行了噪声分析。结果表明,欧洲地区广域GPS网的噪声模型存在多样性,各个分量具有不同的噪声特性,主要表现为白噪声+闪烁噪声、白噪声+幂率噪声,少部分台站N、E两个方向含有随机漫步噪声。经过空间滤波后,部分台站最优噪声模型发生改变,但仍以白噪声+闪烁噪声、白噪声+幂率噪声为主。滤波对N、E方向速度场影响为0.2 mm/a,U方向速度场影响为0.5 mm/a。     

顾及MLE的IGS坐标时间序列噪声模型特性分析

以30个GPS基准站坐标序列为对象,提出分别采用赤池信息量准则（AIC）与贝叶斯信息准则（BIC）噪声模型估计准则判定GPS时间序列噪声特性,对比分析GPS时间序列噪声模型特性,探讨不同噪声模型对GPS站速度及其不确定度的影响. 结果表明GPS站坐标序列噪声模型主要表现为FN+WN、PL及FN+RW+WN噪声模型特性;FN+WN噪声模型对GPS站速度估计值的影响相对较小,但在U分量影响最为明显;此外,RW对站速度不确定度的影响不可忽略, 正确获取模型参数估计的实际不确定度及改正噪声分量对于合理应用GPS坐标时间序列数据具有重要的意义.      

Investigating the propagation mechanism of unmodelled systematic errors on coordinate time series estimated using least squares

The propagation of unmodelled systematic errors into coordinate time series computed using least squares is investigated, to improve the understanding of unexplained signals and apparent noise in geodetic (especially GPS) coordinate time series. Such coordinate time series are invariably based on a functional model linearised using only zero and first-order terms of a (Taylor) series expansion about the approximate coordinates of the unknown point. The effect of such truncation errors is investigated through the derivation of a generalised systematic error model for the simple case of range observations from a single known reference point to a point which is assumed to be at rest by the least squares model but is in fact in motion. The systematic error function for a one pseudo-satellite two-dimensional case, designed to be as simple but as analogous to GPS positioning as possible, is quantified. It is shown that the combination of a moving reference point and unmodelled periodic displacement at the unknown point of interest, due to ocean tide loading, for example, results in an output coordinate time series containing many periodic terms when only zero and first-order expansion terms are used in the linearisation of the functional model. The amplitude, phase and period of these terms is dependent on the input amplitude, the locations of the unknown point and reference point, and the period of the reference point's motion. The dominant output signals that arise due to truncation errors match those found in coordinate time series obtained from both simulated data and real three-dimensional GPS data.     

地表质量负载对格陵兰岛区域GPS站点坐标时序特征的影响

选取ITRF2008框架下格陵兰岛区域12个GPS站2013年1月-2016年12月期间的日解坐标时间序列作为研究对象，并利用极大似然估计分析地表质量负载改正前后各站点的噪声特性、速度场及周期项振幅。结果表明：站点最优噪声模型主要为白噪声+幂律噪声与白噪声+闪烁噪声，地表质量负载形变修正GPS坐标时序后，明显增加U方向闪烁噪声的成分，平均降低其速度约0.36 mm/a，对水平方向影响较小；同时分别降低高程方向44.1%、14.2%的1 a项、0.5 a项振幅，相反，却增加了水平方向的周期项振幅。     

Wavelet packets based denoising method for measurement domain repeat-time multipath filtering in GPS static high-precision positioning

Repeatable satellite orbits can be used for multipath mitigation in GPS-based deformation monitoring and other high-precision GPS applications that involve continuous observation with static antennas. Multipath signals at a static station repeat when the GPS constellation repeats given the same site environment. Repeat-time multipath filtering techniques need noise reduction methods to remove the white noise in carrier phase measurement residuals in order to retrieve the carrier phase multipath corrections for the next day. We propose a generic and robust three-level wavelet packets based denoising method for repeat-time-based carrier phase multipath filtering in relative positioning; the method does not need tuning to work with different data sets. The proposed denoising method is tested rigorously and compared with two other denoising methods. Three rooftop data sets collected at the University of Nottingham Ningbo China and two data sets collected at three Southern California Integrated GPS Network high-rate stations are used in the performance assessment. Test results of the wavelet packets denoising method are compared with the results of the resistor–capacitor (RC) low-pass filter and the single-level discrete wavelet transform (DWT) denoising method. Multipath mitigation efficiency in carrier phase measurement domain is shown by spectrum analysis of two selected satellites in two data sets. The positioning performance of the repeat-time-based multipath filtering techniques is assessed. The results show that the performance of the three noise reduction techniques is about 1–46 % improvement on positioning accuracy when compared with no multipath filtering. The statistical results show that the wavelet packets based denoising method is always better than the RC filter by 2–4 %, and better than the DWT method by 6–15 %. These results suggest that the proposed wavelet packets based denoising method is better than both the DWT method and the relatively simple RC low-pass filter for noise reduction in multipath filtering. However, the wavelet packets based denoising method is not significantly better than the RC filter.     

基于小波技术的GPS单历元形变信号降噪研究

基于小波变换多分率分析原理,本文阐述了阈值降噪、中值滤波小波降噪原理,在中值滤波基础上通过改进,提出加权中值滤波小波降噪方法。通过仿真实验分别与软硬阈值降噪,中值滤波降噪方法作比较。实验表明,对小波高频系数采用加权中值滤波,然后重构信号,不仅可以最大限度地保留有效信号、有效降噪,保持信号的光滑性,而且具有良好的抗粗差性。     

山东CORS坐标时间序列周期与噪声特征分析

针对不同区域的周期和噪声特性存在差异,以27个山东连续运行参考站（CORS）2015—2018年的坐标时间序列为研究对象,进行周期和噪声特征分析. 结果表明:坐标时间序列并没有严格的周期信号,U方向的周期运动较为规律;坐标分量的谱指数显示大部分站点可用白噪声（WN）+闪烁噪声（FN）的噪声模型进行描述;采用最大似然估计法（MLE）确定山东CORS站坐标时间序列N方向的最佳噪声模型为WN+FN,E、U方向的最佳噪声模型为WN+FN+随机漫步噪声（RWN）.