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。     

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。     

共模误差对陆态网测站速度场估计的影响

本文基于52个陆态网连续运行观测站和中国境内及周边10个IGS站近5年的坐标时间序列,利用相关系数加权的叠加滤波法定量计算坐标序列中存在的共模误差,并使用CATS软件分别估计测站各分量剔除共模误差前后的坐标时间序列的速度及其精度,结果显示:在E、N、U分量上,相对于原始坐标时间序列,由剔除共模误差的坐标时间序列整理而得的测站各分量估计速度与陆态网发布速度偏差的均值分别减小了7.32%,1.87%,7.84%,同时各分量估计速度的精度均值也分别提高了33.43%,21.11%,59.26%,这表明在估计区域的测站速度场时,若不剔除原始坐标序列中存在的共模误差,测站的运动速度及其精度可能会被不恰当地估计,即利用剔除共模误差后的坐标时间序列而得结果理论上更加准确可靠。     

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。     

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。     

武汉市CORS坐标时间序列中共模误差分析

基于武汉市CORS近十年连续观测的单日解坐标时间序列进行数学建模,获取了残差坐标时间序列数据,分析了测站坐标时间序列的周期性变化。为了有效地提取武汉CORS基准站坐标时间序列中的共模误差,采用空间叠加滤波算法以及相关系数叠加滤波算法对其进行空间滤波,并对比分析2种方法的滤波效果。结果表明,武汉CORS基准站单日解坐标时间序列之间存在显著的相关性,2种方法均能有效提取武汉区域共模误差,相关系数叠加滤波算法的滤波效果略优于空间叠加滤波算法。     

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。     

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。     

PCA与KLE相结合的区域GPS网坐标序列分析

对于GPS区域网坐标序列中普遍存在的共模误差(CME),常规方法是利用堆栈空间滤波去除,通常假设CME是空域不变的;而主成分分析法(PCA)和Karhunen-Loeve(KLE)展开法都是把随时间变化的台站网时间序列分解成时间域的主分量和空间域的特征分量,不限制CME的本征。因此,本文尝试结合PCA和KLE方法对GPS区域网坐标序列进行空间滤波,并通过对美国中加州Carrizo平原的一个连续运行GPS监测网进行分析,表明PCA/KLE法可有效提取共模误差,提高站点坐标精度,增强空间滤波的稳健性。     

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。     

考虑多种权重因子的改进叠加滤波方法

针对在提取区域GNSS时间序列共模误差时会存在忽略站间相关性的问题,本文在已有叠加滤波的研究基础上,引入单日解精度、相关系数和距离因子等多种权重因子,提出了考虑多种权重因子的改进叠加滤波方法,并选取山西省测站数据以验证该方法的适用性。结果表明：利用本文的改进叠加滤波方法,测站坐标残差时间序列的均方根在N、E、U 3个分量上可分别平均降低48.53%、39.42%、48.61%,滤波对N、E方向上的速度影响为0.5 mm/a, U方向上为1 mm/a。相较于区域叠加滤波,改进后的方法可使残差时间序列的均方根进一步降低20%～40%,能更加准确地提取共模误差,为区域地壳运动及动力学的分析研究提供精细可靠的数据支持。     

云南及周边地区GNSS数据处理方法优化

采用麻省理工学院开发的GAMIT／GLOBK软件,将2015年-2016年全球347个IGS站观测数据分七个子网解算,得到一个固定的参考框架来解算云南及周边地区的35个全球卫星导航系统（GNSS）基准站的坐标,测站坐标均方根误差水平方向在0.7 mm以内,垂直方向在0.3 mm以内,水平方向的坐标重复性精度在5 mm以内,垂向坐标的重复性精度大多数在2.5 cm以内;与在ITRF2014下解算的测站坐标、基线长度、水平速度场结果对比表明:测站坐标存在系统误差,水平方向上的差异在8.5 mm以内,垂直方向上在3 cm以内;基线长度差异在2 mm以内,水平速度场在数值上存在毫米级的差异,方向上基本一致．      

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。     

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。     

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。     

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。     

云南地区GPS垂向时间序列周期项信号的SSA提取

针对传统的GPS时间序列最小二乘(LS)谐波函数模型方法不能精确提取GPS垂向时间序列的周期项信号问题,该文以云南地区2011年1月—2017年6月连续观测的27个GPS基准站数据为例,使用主成分分析(PCA)获得27个测站的共模误差,然后分别使用奇异谱分析(SSA)和LS方法对PCA滤波前后的测站时间序列进行周期项信号提取.实验结果表明,原始时间序列分别减去SSA、PCA-SSA、LS和PCA-LS提取周期项信号的RMS减少百分比平均为25.66％、17.23％、16.76％、16.76％;原始时间序列与4种方法提取周期项信号的相关系数平均为0.66、0.55、0.54、0.54,说明SSA提取的周期项信号要优于其他3种方法,将SSA应用于云南地区GPS垂向时间序列的周期项信号提取是可行和有效的.     

GSCORS不稳定站坐标时间序列分析

本文对114个GSCORS坐标时间序列予以分析,发现93％以上的GSCORS位置稳定,序列变化平稳.个别基准站位置不稳定,造成基准站不稳定的因素多种多样,其中基准站周边地质松软、地基不稳为主要因素,导致测站大幅沉降、倾斜.科学、精准地分析不稳定基准坐标时间序列对维护省级参考框架的稳定具有重要指导作用.     

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.      

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。