热膨胀效应对GNSS短基线坐标时间序列影响研究

天线观测墩及基岩的热膨胀效应会造成全球卫星导航系统(GNSS)基准站坐标时间序列非线性变化,本文利用长期观测数据评估了热膨胀效应对GNSS短基线时间序列周期特性的影响. 结果表明:热膨胀效应在高程上可以引起约1 mm的季节性周年信号,可以很好地解释GNSS短基线时间序列中的周期信号,而对平面方向的贡献不大,但是观测墩因日光照射受热不均产生的热弯曲对平面方向上的影响应予以考虑.      

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.     

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.      

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。     

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。     

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.     

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。     

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。     

测站坐标阶跃对参考框架稳定性的影响分析

针对全球卫星导航系统(GNSS)测站坐标阶跃对参考框架稳定性的影响量级尚不明确的问题,该文选取了 340个全球分布的国际GNSS服务(IGS)测站建立长期GNSS参考框架.其中,测站运动模型包含线性速度、周年信号以及震后形变改正.通过迭代增加阶跃的数量,定量分析了测站坐标阶跃对建立的GNSS参考框架稳定性、测站速度及周年振幅的影响.结果表明,340个IGS测站坐标时间序列中存在的阶跃对建立的GNSS参考框架稳定性、测站水平方向速度以及测站周年振幅的影响量级均小于其精度,但是对测站垂直方向速度的影响较为显著.     

天线相位中心偏差对GPS周年性系统误差的影响分析

通过设立分组实验,利用GAMIT软件重新处理了全球75个并置站2003~2008年的GPS数据,初步得出了GPS周年性系统误差随纬度的分布规律,量化了天线相位中心偏差对GPS周年性系统误差的贡献,并分析了天线相位中心偏差对测站N、E、U方向时间序列中非线性变化的影响。研究结果表明,GPS周年性系统误差随着纬度减小而呈现增大的趋势;天线相位中心偏差对测站N、E、U方向周年性系统误差的贡献为20%、27%、23%;天线相位中心偏差改正能够显著削弱N、E、U方向纬度介于40°~50°、45°~60°、0°~30°测站的GPS周年性系统误差;天线相位中心偏差可能是造成全球GPS测站N、E、U方向周年、U方向半周年、与中低纬度GPS测站N方向半周年运动的原因之一。     

“陆态网”GPS与GRACE的中国大陆地表垂直形变对比分析

基于中国大陆构造环境监测网络的连续GPS观测数据,比较分析了中国大陆234个GPS台站和GRACE得到的地表垂直形变。GPS和GRACE垂直形变具有较好的一致性,反映了地表质量变化是引起GPS垂直形变非线性变化的重要因素之一,但二者也存在着一定的差异。为定量分析GPS和GRACE垂直形变的差异,探讨了热膨胀效应对GPS垂直位移的影响及区域地壳结构对GRACE估算地表垂直负荷形变的影响。结果表明,中国大陆50%以上的GPS台站热膨胀垂直形变周年振幅不小于1 mm;对GPS进行热膨胀效应改正后,中国大陆GPS与GRACE垂直形变具有更好的一致性;GPS与GRACE垂直形变周年振幅比值由1.07±0.06变为1.01±0.05;热膨胀效应可以解释6.2%的GPS与GRACE垂直形变的差异,热膨胀效应改正可使GPS和GRACE垂直形变的一致性相对增加11.2%。是否顾及区域地壳结构引起的GRACE估算中国大陆垂直负荷形变的相对差异为2.5%。     

Quality assessment of GPS reprocessed terrestrial reference frame

The International GNSS Service (IGS) contributes to the construction of the International Terrestrial Reference Frame (ITRF) by submitting time series of station positions and Earth Rotation Parameters (ERP). For the first time, its submission to the ITRF2008 construction is based on a combination of entirely reprocessed GPS solutions delivered by 11 Analysis Centers (ACs). We analyze the IGS submission and four of the individual AC contributions in terms of the GNSS frame origin and scale, station position repeatability and time series seasonal variations. We show here that the GPS Terrestrial Reference Frame (TRF) origin is consistent with Satellite laser Ranging (SLR) at the centimeter level with a drift lower than 1 mm/year. Although the scale drift compared to Very Long baseline Interferometry (VLBI) and SLR mean scale is smaller than 0.4 mm/year, we think that it would be premature to use that information in the ITRF scale definition due to its strong dependence on the GPS satellite and ground antenna phase center variations. The new position time series also show a better repeatability compared to past IGS combined products and their annual variations are shown to be more consistent with loading models. The comparison of GPS station positions and velocities to those of VLBI via local ties in co-located sites demonstrates that the IGS reprocessed solution submitted to the ITRF2008 is more reliable and precise than any of the past submissions. However, we show that some of the remaining inconsistencies between GPS and VLBI positioning may be caused by uncalibrated GNSS radomes.     

On rotation of frames and physical vectors: an exercise based on plate tectonics theory

The mathematical interaction between the simultaneous rotation of both a coordinate frame and a set of physical vectors in that frame is covered and theoretically and empirically explained. A practical example related to the secular motion of the pole determined using recent GPS results is addressed. A least-squares adjustment is introduced to determine a possible displacement of the geodetic north pole of the frame caused by plausible changes in the coordinates of the observing stations defining the frame due to the rotation of the plates on which these stations are located. Two examples of GPS networks are investigated both referred to the latest definition of the IGS08 geodetic frame. The positioning and velocities of the points were exclusively obtained using GPS data as published by the International GNSS Service (IGS). The first case comprises the complete GPS/IGS network of global stations; the second one assumes the closest GPS/IGS stations to the now discontinued International Latitude Service network. The results of this exercise hints at the possibility that the secular global rotation of the frame caused by plate rotations should be accounted for in order to rigorously determine the true absolute velocities referred to the IGS frame before the actual velocities of the rotation of the plates using GPS observations are published.     

我国GPS基准站地壳垂直位移周年变化的气象激发

利用全球大气、海洋、积雪和土壤水的地表质量负荷资料 ,计算了中国GPS基准网 2 4个台站垂向位移周年变化的气象激发 ,得到振幅 5mm10mm的高程变化。通过与GPS观测资料解算的垂向位移结果比较 ,大部分台站的结果与GPS结果在振幅上符合比较好 ,但相位普遍超前一到二个月     

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。     

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。     

联合小波和方差分量估计方法分析中国IGS测站时间序列变化特征

利用小波谱分析了中国区域IGS（International GNSS Service）站坐标时间序列中周期信号成分及其随时间的变化,根据小波谱中小波系数的能量在时域上的变化对时间序列进行分段,然后采用方差-协方差验后估计法分析了白噪声+闪烁噪声组合模型下测站在不同时间段的运动特征及变化规律。结果表明,中国区域的IGS站运动特征在不同时间段内是变化的,其中URUM站垂直速度变化大于4 mm,BJFS以及CHAN站水平速度变化大于2 mm,其余站速度变化均在2 mm以内;周年、半周年信号的振幅也均有差异,其中BJFS站垂直分量周年振幅变化最大,超过5 mm;此外,强度较弱的其他周期项存在于分段时间序列中,但其对速度、周期振幅以及噪声分量估计结果影响较小;对时间序列进行分段估计,所得的参数不同,其相差程度可反映出不同时间段内的板块运动等地球物理因素变化的差异。