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.      

中国地壳运动观测网络GPS观测得到的地壳运动结果

介绍利用中国地壳运动观测网络GPS观测得到的地壳运动结果,包括区域网GPS观测所获得的中国大陆至今最详细的地壳水平位移结果、基准网GPS连续观测得到的水平位移时间序列及由此得到的8级左右大地震前的异常现象、基准网GPS连续观测得到的垂直位移时间序列及西部基准站垂直位移与地球自转速度变化的相关性,简要介绍基本网GPS观测结果.     

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。     

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.      

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。     

利用GPS基准站数据浅析我国地壳垂直运动

应用国内GPS基准站1999-2005年共？年的垂直位移时间序列数据，浅析我国的地壳垂直运动。粗略地分析GPS基准站的垂向位移分量时间序列，表明地壳垂直运动受到多种因素的影响。     

中国区域IGS基准站坐标时间序列噪声模型建立与分析

选取ITRF2005框架下中国区域(包括台湾地区)11个IGS基准站1995-2010年的坐标时间序列,采用不同噪声模型组合对它们进行噪声分析,并计算大气压负载、非潮汐海洋负载、积雪深度及土壤湿度负载对测站位移的影响,得到地表质量负载改正前后各测站分量的最优噪声模型。结果表明,中国区域IGS基准站的噪声模型存在多样性,且各分量具有不同的噪声特性,主要表现为闪烁噪声+白噪声和带通幂律噪声+白噪声。噪声模型与地表质量负载及其测站速度、速度不确定度之间的定量分析表明地表质量负载会造成测站的噪声特性变化,主要表现为带通及随机漫步噪声特征。不同复杂噪声模型对测站线性速度及不确定度会产生一定影响,少数测站高程分量差异甚至超过1 mm/a。     

基于ICEEMDAN与环境负载的GNSS坐标时序非线性形变去除

非线性形变影响全球卫星导航系统(GNSS)坐标时序精度. 采用改进的自适应噪声总体集合经验模态分解(ICEEMDAN)和环境负载改正相结合的方法开展GNSS测站非线性形变去除研究. 首先使用GMIS软件将GNSS坐标时序补充完整并去除粗差,然后使用ICEEMDAN方法对GNSS坐标时序进行分解,使用排列熵算法选取包含噪声和非线性形变的高频分量,最后使用环境负载对高频分量进行去除,利用经验模态分解(EMD)方法和环境负载结合的方法进行去除效果对比. 研究结果表明:非线性形变去除后的GNSS坐标时序均方根(RMS)变化各有区别,垂向(U)方向最为明显,最大值达6.715 mm,东(E)方向次之,北(N)方向最小;ICEEMDAN方法和环境负载改正结合后N方向的非线性形变全部得到了削弱,E方向的非线性形变有75％得到了削弱,U方向的非线性形变有62.5％得到了削弱,其改正效果优于EMD方法和环境负载结合的改正效果.      

GPS坐标序列噪声模型估计方法研究

<正>随着空间观测技术的高速发展,GPS已成为大地测量领域重要的观测技术手段之一。全球IGS基准站积累了近20余年的位置时间序列,为大地测量及地球动力学研究提供了丰富的基础数据。GPS坐标序列不仅包含构造信号,也包含地表环境负载以及未模型化的误差等干扰源的影响,降低了GPS解的精度与可靠性。分析GPS时间序列,尤其是坐标时间序列非线性变化,进一步深入系统地了解GPS非线性变化起源及其影响机制,建立相     

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.     

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.     

GPS坐标时间序列中的异常高频周期性噪声

本文分析了中国地壳运动观测网络GPS基准站及中国周边IGS连续站坐标中的周期性噪声,在北、东和垂向分量坐标时间序列中均发现了周期约351/n(n=1,…,6)天的正弦项,而地表质量负荷造成的位移序列中并没有对应的成分,不能解释异常周期项的来源。在估计台站的运动速率时,如考虑此类"异常"周期项,速率误差略微减小,而周年项振幅的估计误差显著增大,且残差离散度未见明显改善。因此,不推荐在GPS速率矢量反演中加入异常周期项参数。     

北斗二代导航卫星系统地壳运动监测能力

为了评估北斗卫星导航系统（BeiDou navigation satellite system, BDS）监测中国大陆地区地壳变形的技术能力,利用GAMIT/GLOBK软件处理了2017—2019年中国大陆构造环境监测网络23个基准站的全球定位系统（global positioning system, GPS）与BDS-2双模观测数据。结果显示,北斗二代的水平和垂向单日测站定位精度分别约为5~7 mm和13 mm,基线相对定位精度水平分量达到3~4 mm+（1~2）×10-8,水平位移速度测定精度约为0.6 mm/a。北斗二代的精密定位水平大致与20世纪90年代初GPS相当,可用于测定大尺度的板块运动及板内变形,但受卫星星座和定轨精度限制,不能准确反映季节性变动状态。作为对现有GPS监测的补充,可将基准站3年尺度的地壳运动监测精度最多提高20%。     

GPS参考站垂直位移时间序列的主成分分析

利用了主成分分析方法,分析了中国地壳运动观测网络主要基准站垂直位移时间序列的频谱特征,得出了站点的垂直位移变化具有很强的周年变化特征。     

利用GPS和GRACE研究澳大利亚地壳垂向季节性变化

为探究重力场恢复与气候实验(gravity recovery and climate experiment,GRACE)卫星与全球定位系统(global positioning system,GPS)两种独立技术获取的因陆地水储量变化引起的地壳垂向季节性位移的一致性,选取澳大利亚27个GPS站点5～10 a的高程时间序...     

我国GPS跟踪站数据处理与时间序列特征分析

应用国内GPS跟踪站7a的观测数据，分析研究跟踪站坐标位置变化规律，并给出了站坐标和速度场精度的统计分析结果，同时介绍了国内GPS基准站的数据处理方法。通过对时间序列进行分析研究表明，GPS基准站的时间序列具有一定的周期性，高程分量的周期性最为明显，并且时间序列的时频特性表现出明显的区域性。     

“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%。     

Vertical deformations from homogeneously processed GRACE and global GPS long-term series

Temporal variations in the geographic distribution of surface mass cause surface displacements. Surface displacements derived from GRACE gravity field coefficient time series also should be observed in GPS coordinate time series, if both time series are sufficiently free of systematic errors. A successful validation can be an important contribution to climate change research, as the biggest contributors to mass variability in the system Earth include the movement of oceanic, atmospheric, and continental water and ice. In our analysis, we find that if the signals are larger than their precision, both geodetic sensor systems see common signals for almost all the 115 stations surveyed. Almost 80% of the stations have their signal WRMS decreased, when we subtract monthly GRACE surface displacements from those observed by GPS data. Almost all other stations are on ocean islands or small peninsulas, where the physically expected loading signals are very small. For a fair comparison, the data (79 months from September 2002 to April 2009) had to be treated appropriately: the GPS data were completely reprocessed with state-of-the-art models. We used an objective cluster analysis to identify and eliminate stations, where local effects or technical artifacts dominated the signals. In addition, it was necessary for both sets of results to be expressed in equivalent reference frames, meaning that net translations between the GPS and GRACE data sets had to be treated adequately. These data sets are then compared and statistically analyzed: we determine the stability (precision) of GRACE-derived, monthly vertical deformation data to be ~1.2 mm, using the data from three GRACE processing centers. We statistically analyze the mean annual signals, computed from the GPS and GRACE series. There is a detailed discussion of the results for five overall representative stations, in order to help the reader to link the displayed criteria of similarity to real data. A series of tests were performed with the goal of explaining the remaining GPS–GRACE residuals.