GPS坐标时间序列中非构造噪声的剔除方法研究进展

GPS台站坐标解算中包含多种地球物理参量造成的不确定性、系统误差和随机噪声.回顾了GPS台站坐标噪声分析的研究进展,包括功率谱分析、最大似然估计、区域叠加滤波、主成分变换以及质量负荷下的地壳弹性形变模拟等,并讨论了各种方法在分析噪声的类型和强度、共模误差(common-mode errors)的物理起源等方面的作用及局限性,展望了下一阶段的研究思路.     

汶川地震前后四川区域GPS时序特征演变及统计分析

为探索地震事件对GPS坐标时间序列的长周期影响,对汶川地震前后四川GPS观测网络长约10年的解算成果进行了多参数模型噪声特征分析.基于最大似然估计方法和频谱特性分析,提取了地震前后各测站坐标序列中的噪声分量,使用Λ-统计检验,得出"白噪声+闪烁噪声"模型可以作为四川GPS区域观测网络的最优噪声组合模型,同时,地震事件使得地震前后GPS噪声分量中的白噪声、闪烁噪声、随机游走噪声等发生显著改变,说明传统谱噪声分析中简单地将地震数据拼接在一起并进行统一处理的模式并不可取;使用共模误差分析方法、区域速度场变化趋势等信息对地震前后噪声模型的改变成因进行了初步的物理解析.     

高频GPS坐标时序的噪声特性分析

为研究高频GPS坐标时序的噪声特性,对芦山地震前后三天,北京时间8:00—9:00,位于四川盆地8个CORS站50Hz的高频观测资料进行解算与分析。分析过程中,分别采用恒星日滤波和主成分滤波分析以及去除时空噪声,并采用功率谱分析经滤波后的坐标时序。结果表明,高频GPS坐标时序的谱指数在1.6~2.0间,符合白噪声+随机游走噪声模型特性。建议当利用高频GPS研究地表运动特性、监测大型建筑的运动结构或确定GPS动态实验平台姿态时,应考虑高频GPS坐标时序的这一噪声特性。     

连续GPS观测中的相关噪声分析

分析了中国地壳运动观测网络GPS基准站位置时间序列中相关噪声的特性.利用最大似然估计反演了幂指数噪声的谱指数;考察了多种噪声模型,发现除闪烁噪声之外,约50%台站的东分量中的相关噪声可用"随机漫步噪声+一阶高斯-马尔可夫噪声"模型来描述,与其它分析机构产出的全球解并不一致,显示出处理策略的不同能够造成相关噪声的差异.白噪声和闪烁噪声的大小存在明显的地理分异,东南沿海台站的噪声要大于西北内陆台站.考虑相关噪声时,各站的速率估计方差要增大一个数量级以上,水平分量多在1mm/a以内,而垂向分量则较大.     

基于有色噪声模型的GPS速度场精度与时间序列长度相关性研究

利用2010—2015年陆态网络GPS连续观测站的三维站坐标时序资料, 在采用最大似然估计MLE方法计算得到云南地区GPS基准站三维站坐标分量最优噪声模型的基础上, 进一步定量对比分析了有色噪声和白噪声模型下陆态网络GPS连续站速度场稳定性与时间序列长度的关系。 结果表明: 在闪烁噪声模型下, 中国大陆大部分地区GPS连续站1 a时段的速度不确定度大。 而随着时间的逐年累积, 闪烁噪声模型下的速度不确定度与同时段白噪声模型下的差异逐步减小, 闪烁噪声模型下3～4 a时段的速度不确定度与同时段白噪声模型的差异小于0.2 mm。 研究说明在有色噪声模型下要获得高精度的速度场需要3～4 a的观测数据, 白噪声模型下GPS速度场精度可靠可信的前提是采用不少于3～4 a的数据。     

GPS位置时间序列中的中长期误差研究

连续GPS(global positioning system)已成为监测地壳形变的主要手段之一,遍布于全球的数千个GPS台站为研究板块运动、断层滑动、强震形变场等提供了可靠的数据。在GPS位置时间序列中还包含了时、空相关的噪声,与构造活动造成的位移混叠在一起,难以分离。     

南极半岛地区GPS坐标时间序列噪声分析及形变模式初探

有色噪声广泛存在于各种连续GPS站坐标时间序列,对GPS时间序列分析有重要影响.利用GAMIT/GLOBK软件解算了南极半岛地区8个GPS测站2010—2014年的实测数据,对坐标时间序列使用主分量分析法(PCA)进行了空间滤波,利用CATS软件估计了不同噪声模型下和空间滤波前后的噪声量级、站坐标时间序列参数及其不确定度,最后对南极半岛地区水平和垂向的形变模式进行了分析和讨论.结果表明,南极半岛地区GPS时间序列不仅存在白噪声,还存在较大量级的闪烁噪声,部分测站E方向在滤波前可能存在随机游走噪声;空间滤波能够有效降低这三种噪声的量级,从而有效减小线性项和周期项估计的不确定度;南极半岛地区在水平方向主要表现为板块运动,还可能存在局部性构造运动;在垂直方向上由冰川均衡调整(Glacial Isostatic Adjustment,GIA)因素引起的抬升较小,主要表现为现今冰雪质量损失引起的弹性抬升运动.     

连续观测站的噪声分析

分析了中国地壳运动观测网络在全国布设的27个GPS连续站开始运行以来至2005年11月的站坐标时间序列. 在对数据进行清理的基础上， 分析了各站坐标分量噪声的功率谱密度， 计算了表征各分量的噪声特性的谱指数. 谱指数显示， 大部分站的各坐标分量时间序列的噪声可以用白噪声+闪烁噪声的模型来描述， 少部分则可用白噪声+闪烁噪声+随机漫步噪声的模型来描述. 采用最大似然估计准则， 定量估计了模型中的各噪声分量. 结果表明， GPS站坐标时间序列中白噪声甚至不是噪声的主要成分. 因此， 仅顾及白噪声得到的测站运动参数的误差估计， 实际上是过高的， 或者说是过于乐观的. 相应地， 对这些运动参数作出解释时， 如果不充分考虑这一因素， 有可能会对读者产生误导.      

香港GPS基准站坐标序列特征分析

利用香港GPS连续运行参考站网络2001年1月至2007年8月的观测资料,全面深入地分析了12个基准站坐标序列特征.本文采用主成分空间滤波算法去除公共误差,来提高坐标序列的信噪比,并采用最大似然估计准则定量估计滤波后坐标序列的噪声特性,计算了地球表面质量负荷（包括大气、非潮汐海洋、积雪和土壤水）对香港GPS基准站坐标序列的影响.研究结果表明：香港GPS基准站坐标序列具有高度的空间相关性,其公共误差具有较强的季节性变化特征;地表质量负荷变化引起的香港地壳形变可以解释公共误差序列中约为3mm的垂向周年变化,经过质量负荷改正后的公共误差序列与高阶电离层误差高度相关;滤波后坐标序列的噪声特性可以用可变白噪声加闪烁噪声模型来描述,顾及闪烁噪声所计算的速度误差要比只考虑可变白噪声计算的速度误差大2~6倍;基准站间存在达1.5 mm/yr的相对水平运动,揭示香港地区存在活动断层;部分基准站坐标具有明显的振幅为1～2 mm本地季节性变化,所有测站的残差序列也表现出强烈的季节性变化.     

动态信息

有关“地球透镜计划”的新闻2006年3月28日,据美国地球透镜计划官方网站报道,该计划的GPS台站安装、地震钻井和圣安德烈斯断层深部流体取样等工作取得一定进展。1.300个GPS台站安装完毕“地球透镜计划”中的板块边界观测站计划PBO已经完成了300个GPS台站的安装。如今,在西部的每个主要构造单元,如转换断层、消减带、张性断裂、火山和主干山脉,都安装有GPS测站。由于项目的建设阶段过半,所以GPS台站的安装仍然按照预期时间和编列预算在执行。GPS台站记录的不连续颤动和滑动事件,以及火山爆发和震前、震时与震后地震事件数据,都可以…     

基于噪声谱比法的福建台网观测台站的场地响应研究

应用噪声谱比法, 收集了福建台网观测台站记录的地脉动噪声数据, 计算分析了85个观测台站的场地响应． 根据场地响应曲线形态将福建台网观测台站分为4类, 并简要分析了影响台站场地响应结果的因素． 计算结果表明, 福建台网观测台站台基情况普遍较好, 在台站观测频带内场地响应曲线平坦, 大部分台站均没有明显的频率放大点． 本文采用H/V谱比法与Moya方法所获得的37个台站的场地响应结果基本一致, 仅有少数台站存在较大差异． 应用场地响应分析结果, 结合计算震级时所量取的周期, 对福建台网观测台站的单台震级校正值进行了估计, 并与统计方法获得的单台震级校正值进行了比对． 结果表明, 两种方法获得的台站震级校正值存在一定的相关性, 但由于考虑的影响因素不同, 具体的台站震级校正值尚存在差别．      

GPS基准站坐标分量噪声的时间序列与分类特征

根据地震预测对异常信息(长期、中期和短期异常)与噪声分离(白噪声、闪烁噪声和随机漫步噪声)的需要,文中应用小波方法对中国大陆的有关GPS基准站坐标分量和测站间坐标分量进行了分离,并将它们归纳为四类高频、中频、较低频和低频。通过对高频、中频和较低频的时间序列特征进行分类分析,获得如下看法:①高频类可能主要是白噪声造成的,其离散的程度较中频类略大,或许其中在某时刻包含临震前兆和震时形变信息;②中频类主要突出闪烁噪声的特征,或许其中在某时刻包含着短临前兆信息;③较低频类若剔除年和半年周期成分则显示随机漫步噪声的特点,或许其中包含着中期前兆信息;④低频类主要体现趋势性形变信息;⑤高频与中频类噪声的大小一般与观测季节明显有关,噪声最大的时段大约是8月份,噪声最小的时段大约是2月份;⑥判定不同频域信息的显著性时,其噪声要进行相应的综合或分离;⑦一定的空间域内的测站间坐标增量噪声平均小于测站相应坐标的噪声,而且噪声大小随时间的变化更加突出,甚至相差达一倍以上。这些可能说明,虽然这些噪声是GPS观测所固有的,但并非完全是独立的,测站间越近,共性的成分越突出。所有这些将为我们变形分析时信息显著性的判断、方法的选择、资料处理时权的确定、观测的最佳时段选择、跟踪监测方案制定和参考基准站的确定等提供重要的参考。     

江苏省测震台网背景噪声特征

为进一步了解江苏地区台站的背景噪声情况,提升台站的观测资料质量,通过对江苏省宽频台站2019年连续波形记录进行噪声功率谱概率密度函数计算,对江苏地区台基噪声水平进行分析.结果表明:江苏地区的人文噪声高值主要集中在江苏中南部地区;通过对台站日变化分析,江苏省日变化较大地区主要集中在常熟、昆山等长三角地区;深井架设地震计可...     

温度变化对我国GPS台站垂直位移的影响

地表温度变化可以引起GPS台站上安装GPS天线的地表水泥墩内部温度变化,还可以通过热传导的方式引起GPS台站基岩温度变化,从而引起GPS台站垂直位移变化.在中国区域,由GPS台站基岩温度变化引起GPS台站垂直位移变化的周年振幅最大可以达到1 mm;在长江以北地区,此周年振幅一般大于0.5 mm.在我国地壳运动观测网络中的23个GPS基准站中,温度变化对GPS台站垂直位移总影响的周年振幅最大值为2.8 mm,其中13个GPS基准站垂直位移的周年振幅变化大于1 mm.因此,温度变化是引起GPS台站垂直位移周年变化的一个不可忽视因素.     

利用GPS与GRACE监测陆地水负荷导致的季节性水平形变：以喜马拉雅山地区为例

地表陆地水负荷变化是引起重力场和地壳形变呈现季节性特征的主要因素,并且能够利用地表及空间大地测量技术对其进行有效的监测.本文通过对质量负荷形变效应的理论模拟,描述了水平分量的形变指向以及垂直与水平分量的幅值比可以提高对负荷区域的辨别程度,并且联合GPS坐标时间序列及GRACE模型对喜马拉雅山地区的季节性负荷形变进行了详细对比分析,研究结果显示两者垂直分量的季节性变化具有较好的一致性,且GPS周年项幅值要大于GRACE.而由GRACE解算得到的水平分量结果表明该地区季节性形变主要受东南亚及印度东北部地区的陆地水负荷控制,位于喜马拉雅山地区多数GPS台站的垂直分量及北向分量的初相位与GRACE模型解算结果相近,而部分GPS台站的东向分量与GRACE模型存在明显不同,由此导致GPS与GRACE监测到的形变指向存在差异.通过对GRACE估算精度以及GPS垂直与水平分量幅值比的深入分析,发现GPS对局部周边地区的河流、谷地及农田灌溉等负荷变化造成的形变效应较为敏感,而GRACE由于截断阶次及平滑滤波等影响因素,不仅造成在水平分量上的分辨率远低于垂直分量,而且整体估算精度要低于GPS观测得到的形变信息.     

华北地区地震环境噪声特征研究

利用华北流动地震台阵观测的垂直分向连续波形数据, 通过计算功率谱密度和相应的概率密度函数, 对华北地区地震环境噪声特征进行了分析研究. 结果表明, 东部平原和沉积盆地2 Hz以上的高频环境噪声水平与全球新高噪声模型（NHNM）相近, 周期3——18 s的平均噪声水平低于NHNM和新低噪声模型（NLNM）的平均值; 山区及西部高原的高频噪声水平明显低于NHNM, 周期1——18 s的噪声水平大多明显低于NHNM和NLNM的平均值; 不同区域18 s以上周期的噪声水平差异相对较小. 流动地震台阵部分台站的环境噪声存在明显的昼夜变化, 个别台站噪声水平明显高于周边台站, 表明这些台站受人类活动干扰较大. 不同台站的噪声水平分析表明, 将台站布设在摆坑内, 能在一定程度上降低高频和低频段的噪声水平. 台站环境噪声特征的研究结果可为流动地震台阵观测数据质量的定量评估, 观测期间的台站优化调整等提供重要依据.      

新疆地震台网对新疆呼图壁大容量气枪震源信号的接收能力及其影响因素分析

利用新疆地震台网资料和功率谱密度法,以台站噪声的功率谱密度中值曲线作为评估台站噪声水平的依据,对6个台站的噪声水平进行了评估。对比不同台站的功率谱密度和气枪震源信号的识别情况发现,通过2000次叠加,可以识别气枪震源信号的台站的噪声水平均低于无法识别气枪震源的台站,噪声功率谱密度最大差值为40dB,最小差值15dB。最后通过对噪声水平的评估,判断部分台站无法识别气枪震源信号的主要原因是台站噪声水平较高造成的。     

流动地震观测背景噪声的台基响应

大规模流动地震台阵技术发展为高分辨率深部结构成像提供了重要基础,背景噪声是影响流动地震观测质量的关键因素. 为掌握流动地震观测噪声规律,发展流动地震观测降噪技术, 编制流动地震观测技术规范, 我们开展了针对不同台基流动地震观测背景噪声的观测实验与分析. 其中,山西省临汾市五个地点架设了共22个对比观测台站, 进行了超过一年半的连续观测. 通过计算不同频段范围内背景噪声记录的加速度功率谱密度, 研究了不同场地条件和环境噪声下流动地震观测台站的噪声特征及其台基响应,分析了不同台基处理方式对噪声的抑制效果. 结果表明:(1)高频人为噪声和长周期自然噪声是影响流动地震观测质量的主要噪声, 可以通过增加台基深度和改善台基处理方式等方法降低其影响; (2)增加台基深度能有效地降低长周期噪声和高频噪声, 2 m深坑能使高人为噪声台站各分量的高频频段和长周期频段分别降低5 dB和10 dB; (3)由于其不稳定性, 沙子台基的水平分量在长周期频段一般要高于摆墩台基5 dB, 流动地震观测中推荐使用摆墩台基; (4) 台站位置、台站内部温度和空气流动都是影响台站噪声的重要因素. 在此基础上提出了不同场地条件和噪声环境下的台基处理建议和适合国情的移动地震台阵台站建设参考方案, 有助于流动地震观测野外工作的标准化和规范化.     

辽宁新建台站勘选过程概述及结果分析

利用地震台址勘选中得到的观测数据,计算勘选台站的地脉动背景噪声RMS值,噪声功率谱密度等数据,通过结果分析得到了各个台站的环境噪声水平和台基等级分类情况,为正式建设台站提供数据支持。     

黑龙江省测震台站背景噪声及动态范围分析

通过对黑龙江省测震台站台基背景噪声数据的计算和分析,得到当前各参评台站台基背景噪声地动速度均方根值（RMS）、台基噪声等级以及有效测量动态范围,并对存在突出问题的PSD曲线进行分析。通过计算各台站功率谱密度,得出台站在不同频段受干扰的情况。分析认为,黑龙江省29个台站环境地噪声水平为Ⅰ级,碾子山地震台环境地噪声水平为Ⅱ级（受当地采矿业机械震动影响）,七台河地震台环境地噪声水平为Ⅳ级;除七台河地震台观测动态范围小于130 dB,其他台站均大于130 dB。