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。     

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。     

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。     

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。     

共模误差对坐标时间序列分析的影响

基于2013年至2018年环渤海地区GPS基站6年的观测数据,研究了共模误差对坐标时间序列分析的影响。首先利用主成分分析方法提取环渤海区域27个基准站的共模误差,以N、E、U三个方向的第一主成分来计算共模误差;然后使用最大似然估计法得到各测站剔除共模误差前后的噪声。发现在消除共模误差后,N,E,U方向的相对坐标时间序列得到改善,白噪声,闪烁噪声和随机行走噪声明显减小。结果表明,共模误差的剔除有效的提高了坐标时间序列分析的精度。     

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。     

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。     

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。     

区域GPS网共模误差的提取与成因分析

以位于美国南加州区域的41个GPS站点为例,利用主成分分析法对该区域共模误差进行了有效提取,结果表明共模误差在该区域空间响应具有较好的一致性。滤波后,均方根值(RMS)在E方向上平均降低了42.9%,在N方向上平均降低了39.1%,在U方向上平均降低了28.8%,表明空间滤波能够有效提高GPS坐标精度。此外,滤波后各站点相对于LOWS站点的相关系数在E方向上平均下降了89.3%,在N方向上平均下降了92.3%,在U方向上平均下降了86.5%,结果证实了共模误差是区域GPS网中各站点之间空间相关的主要来源。最后,皮尔逊相关性分析和小波相干分析证实了质量负载并不能有效地解释共模误差,共模误差最有可能来源于空间传播延迟误差。     

基于独立分量法的新疆GNSS时间序列共模误差分析CSCD

共模误差(CME)是区域连续全球卫星导航系统(GNSS)网中的主要误差来源之一.针对GNSS时间序列具有非高斯分布特征,基于二阶统计量的主成分分析(PCA)难以准确提取出CME分量问题,采用具有高阶统计量的独立分量分析(ICA)对CME进行提取.以2011—2018年新疆区域GNSS坐标时间序列为例,将PCA滤波效果进行对比验证,分析了CME对GNSS坐标时间序列的影响,并对CME序列进行周期分析.结果表明:前6个独立分量包含CME分量,这可能与卫星轨道、地表质量负荷和时钟误差有关,ICA滤波后东(N)、北(E)、天顶(U)三个方向的均方根(RMS)值分别降低31.83%、32.29%、35.49%,速度不确定度分别降低44.14%、38.49%、43.32%,各测站的周期项振幅较滤波前更一致,有效地剔除了CME,提高了坐标时间序列的精度.     

联合区域叠加滤波法与小波变换去除GPS站坐标时间序列噪声

GPS站坐标时间序列中存在的周期性与非周期性误差严重影响了对测站运动特征的分析及其非线性变化的物理机制解释。因此,为削弱噪声的影响,本文首先利用区域叠加滤波法去除了南加利福尼亚地区16个测站时间序列的共模误差,以此削弱时间序列中存在的包括周年和半周年误差在内的周期性误差。为去除滤波后残留的噪声,对滤波后的信号进行静态离散小波变换,提取了周期为半周年以上的信号。结果表明,联合区域叠加滤波法与小波变换对GPS站坐标时间序列进行处理,既能够削弱周期性误差对信号的影响,又能较好地提取测站的非线性运动信号。     

利用改进3σ法获得残差序列的共模误差提取

针对GNSS坐标时间序列的异常值、缺失点插值和共模误差问题，该文采用一种经验模态分解(EMD)与3σ组合算法处理异常值，获取干净的残差时间序列，然后使用Matlab软件的fillmissing函数进行插补，获得连续的时间序列，最后利用独立成分分析(ICA)和主成分分析(PCA)方法对残差序列进行共模误差的提取，分析共模误差的影响。研究结果表明，与LS-3σ相比，EMD-3σ方法的探测率提高了0.2%,说明新算法的探测效果更好。PCA和ICA方法滤波后的RMS值分别平均减少了约22.01%、10.96%,说明PCA和ICA均能有效地提取残差时间序列的共模误差，提高坐标时间序列的精度，且PCA比ICA效果更好。     

陆态网络坐标时间序列中共模误差剔除与赫尔默特坐标变换的关系

共模误差存在于测站GPS坐标时间序列中,影响测站坐标和速度估计,在一定范围内其剔除过程与坐标转换等价。为研究共模误差剔除与赫尔默特坐标变换的等价关系,采用相关系数加权叠加滤波法分别计算500km和2 000km陆态网络区域网基准站坐标时间序列的共模误差,并选取公共点进行坐标转换。结果表明,平均相关系数为0.69的500km区域网基准站的较差和中误差都较小,在0.25mm以内,而平均相关系数为0.34的2 000km区域网基准站的较差和中误差与500km区域网相比至少大两倍,可达1mm,影响共模误差计算的准确性。因此,对于500km尺度以内的小区域网,可以用坐标转换的方法替代共模误差剔除,对于尺度大于500km的区域网,需根据测站间相关系数的大小及一致性选择共模误差剔除方法。     

北京市CORS站坐标时间序列噪声分析

针对北京市CORS站的稳定性问题,该文利用GAMIT/GLOBK软件对北京市13个CORS站2016—2018年的观测数据进行了处理,获取了原始坐标时间序列和坐标残差时间序列,通过极大似然估计的方法对CORS基准站进行了噪声模型分析和区域速度场估计。结果表明,北京市CORS站坐标时间序列的最佳噪声模型为WN+FN+RWN组合模型;采用NEU方向的最佳噪声组合模型对北京市CORS站进行区域速度场估计,BJTZ、CHAO、DSQI、XNJC站的沉降较为严重,其他CORS站N方向速度估值在7.2~14.3 mm/a,E方向速度估值在27.5~32.5 mm/a,U方向速度估值在2.0~8.5 mm/a。     

顾及分段相关性的恒星日滤波优化算法

多路径效应是高精度GPS动态变形监测中的主要误差来源之一。本文改进了常规恒星日滤波算法,提出了一种顾及分段相关性的恒星日滤波优化算法。本算法首先采用分段滑动窗口处理相邻两天的坐标残差时间序列,然后利用相关系数法求取各分段最佳相关延迟,对当天坐标残差序列进行恒星日滤波,得到削弱多路径效应后的坐标序列。研究结果表明,该算法较常规算法在N、E、U 3个方向上的滤波效果各提高7.7%、5.0%、11.2%,动态变形监测实验验证了本算法的有效性。     

GPS坐标时间序列共模误差空间特性分析

对全球138个IGS站依据相关性进行聚类分类,采用相关系数加权叠加滤波计算了所选IGS站坐标时间序列中的共模误差,并分析了其空间特性。结果表明,共模误差主要受基准站空间分布、GPS网空间尺度以及基准站密度的影响,并且相关系数为负的测站之间仍存在共模误差。     

东北陆态网坐标时序有色噪声及环境负载分析

利用Hector软件解算我国东北地区16个陆态网络连续站近10 a的时间序列观测数据,获取连续站坐标残差时间序列数据,进而确定最优噪声模型,最终得出基于有色噪声(CN)以及环境负载改正后的速度场. 结果表明:东北地区陆态网络坐标时间序列数据中主要存在白噪声(WN)、闪烁噪声(FN)与幂律噪声(PL);北(N)和天顶(U)方向的最优噪声模型为WN+FN;E方向的最优噪声模型均为WN+PL. 在顾及CN及环境负载的影响下,东北地区陆态网络基于ITRF14框架下在N方向上运动的平均速率为?13.003 mm/a,东(E)方向上运动的平均速率为27.020 mm/a,U方向上运动的平均速率为0.528 mm/a,整体呈隆升趋势.      

共模误差对GNSS坐标时间序列影响分析

以我国西南地区44个GNSS站在ITRF2008框架下约6年的高精度GNSS坐标时间序列为例,研究CME对高精度GNSS坐标时间序列的影响。用PCA方法提取序列中的CME并分析其对高精度GNSS坐标时间序列特征参数的影响。研究结果表明,CME对高精度GNSS时间序列的振幅、相位、噪声类型及测站速率均有不同程度的影响,主要体现在滤波后44个测站N、E、U方向序列标准差分别提高75%、70%、57%;滤波前后测站U方向约50%的测站速率有1～2 mm的差异。可见,在高精度时间序列建模、地壳蠕动形变分析、毫米级参考框架建立等高精度GNSS数据应用领域中CME的影响不容忽视。     

改进的启发式分割算法在GNSS坐标时间序列阶跃探测中的应用

在启发式分割算法的基础上，引入z检验和标准正态均一性检验（standard normal homogeneity test，SNHT），提出了一种新的阶跃探测法，并将其应用于20个陆态网（Crustal Movement Observation Network ofChina，CMONOC）和10个国际全球卫星导航系统服务（International Global Navigation Satellite System Ser-vice，IGS）参考站近5 a的坐标时间序列。结果显示，对于IGS站东（east，E）、北（north，N）、垂直（up，U）3个方向分量已知阶跃的平均准确探测率分别为68.5%、71.3%、64.8%，且利用阶跃点前后25 d初始拟合残差的平均值之差得到修复后的坐标时间序列保持了良好的连续性。基于剔除粗差后的坐标时间序列，利用坐标时间序列分析软件（coordinate time series analysis software，CATS）估计出的速度显示:对于由已知阶跃与改进算法探测出的阶跃历元的组合方式，所有测站E、N、U方向的估计速度与CMONOC官网发布的速度的平均偏差分别为2.86 mm/a、1.14 mm/a、2.31 mm/a，明显小于由已知阶跃和肉眼判断明显阶跃历元的组合方式获得的平均速度偏差。上述结果表明，改进的启发式分割算法可应用于坐标时间序列的阶跃探测。     

GPS坐标时间序列广义共模误差分离方法

共模误差是GPS坐标时间序列的主要误差来源之一。针对传统的共模误差分离方法存在一定的局限性,甚至分离出错误的共模误差分量问题,该文根据共模误差的潜在起源,提出了一种依据地理环境因素、多尺度评价体系的GPS时间序列广义共模误差分离方法。该方法将相关系数、距离、经纬度、本地效应、地表环境负载效应、主分量贡献率、噪声模型特性等作为评价因子,为大区域、大尺度下GPS坐标序列共模误差,提供了可行的估计方法。实验分析结果表明,该文提出的共模误差分离方法能准确提取出GPS坐标序列中的共模误差,为进一步提高GPS坐标序列精度提供依据。