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。     

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。     

尼泊尔Mw 7.8地震前后西藏西南部地区GPS时序特征演变分析

为了探索尼泊尔地震前后中国西藏西南部地区全球定位系统(Global Positioning System,GPS)时序特性的变化,选取位于西藏西南部7个GPS站2013—2018年的坐标时间序列进行分析。区域GPS网的共模误差利用主成分分析法(principal component analysis,PCA)进行提取。在垂直分量上,PCA第一主成分的贡献率由震前的48.87%上升到64.39%,共模误差的振幅也有一定的增大。噪声分析以白噪声与幂率噪声为主,采用极大似然估计法(maximum likelihood estimation,MLE)进行噪声量级的估计。尼泊尔地震之后,XZAR站、XZZB站和XZZF站出现了量级较大的随机游走噪声,与此同时,大部分站白噪声+闪烁噪声+随机游走噪声模型中白噪声量级减小,闪烁噪声+随机游走噪声的量级增大。GPS坐标时序3个分量的谱指数估值的均值也由—0.98、—1.07、—0.98变为—1.27、—1.15、—1.03。噪声分析表明,震后GPS坐标时序中白噪声成分减弱、幂率噪声占据了更加主导的地位。部分GPS站的水平速度场则出现向南偏移的现象,突出表现在离震中较近的3个站(XZAR站、XZZB站和XZZF站),且运动速率也有相应的降低。对于周期项振幅,仅LHAZ站略有减小外,其余6个GPS站均有不同程度的增大。以上结果表明,尼泊尔地震改变了西藏西南部GPS站的时序特征与运动特性,进而可能改变了青藏高原西南缘原有的地壳运动状态。     

香港CORS站坐标时间序列分析研究

针对不同地区连续运行参考站(CORS)坐标时间序列周期特性与噪声特性存在的差异性问题,本文采用功率谱分析法和极大似然法分析香港卫星参考站网(SatRef)的坐标时间序列.研究结果表明,参考站点的三个坐标分量上都存在明显的年周期项与半年周期项.各参考站坐标分量上的噪声特性存在多样化的特征,白噪声(WN)加闪烁噪声(FN)是主要噪声模型,仅考虑WN而忽视有色噪声(CN)的做法会大大低估参数估计的不确定度.根据最优噪声模型估值得出的SatRef站速度场在水平方向上有整体向东南方向运动的趋势,与华南块体的运动结果基本一致.     

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。     

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。     

GPS坐标时间序列噪声估计及相关性分析

比较分析了极大似然估计法、最小二乘方差分量估计法以及最小范数二次无偏估计法对GPS站坐标时间序列噪声的估计效果,确定最小范数二次无偏估计法为最优的噪声方差估计方法。在此基础上对中国及其周边区域20个IGS站坐标时间序列中各方向噪声方差进行一元线性回归分析。结果表明,中国及其周边区域IGS站不同方向的噪声间具有中等强度以上的相关性,其中N方向闪烁噪声与其他方向闪烁噪声的相关性要强于白噪声。水平方向的噪声振幅能够解释垂直方向噪声振幅变化的40%~60%,而N方向噪声振幅能够解释E方向噪声振幅变化的60%~80%,获得的线性回归方程具有使用价值。     

山东CORS坐标时间序列周期与噪声特征分析

针对不同区域的周期和噪声特性存在差异,以27个山东连续运行参考站(CORS)2015—2018年的坐标时间序列为研究对象,进行周期和噪声特征分析.结果 表明:坐标时间序列并没有严格的周期信号,U方向的周期运动较为规律;坐标分量的谱指数显示大部分站点可用白噪声(WN)+闪烁噪声(FN)的噪声模型进行描述;采用最大似然估计...     

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.     

有色噪声对东南极区域GPS测站三维速度估计的影响

近年来,有研究发现在GPS测站坐标时间序列中既存在白噪声,也存在有色噪声。为了研究有色噪声对东南极区域GPS测站三维速度估计的影响,本文使用GAMIT/GLOBK10.5软件对东南极区域6个连续GPS测站2005—2014年的实测数据进行解算和平差,并利用最大似然法（MLE）分别估计了在两种假设噪声模型条件下的测站三维运动速度及其不确定性。结果表明：在进行参数估计时,考虑两种有色噪声（闪烁噪声和随机游走噪声）对东南极区域GPS测站三维速度估计的量级影响不大,水平方向最大影响量级为0.3 mm/a,垂直方向最大影响量级为0.8 mm/a;但如果不考虑有色噪声,会严重低估参数估计的真实不确定性。     

GPS position time-series analysis based on asymptotic normality of M-estimation

The efficacy of robust M-estimators is a well-known issue when dealing with observational blunders. When the number of observations is considerably large—long time series for instance—one can take advantage of the asymptotic normality of the M-estimation and compute reasonable estimates for the unknown parameters of interest. A few leading M-estimators have been employed to identify the most likely functional model for GPS coordinate time series. This includes the simultaneous detection of periodic patterns and offsets in the GPS time series. Estimates of white noise, flicker noise, and random walk noise components are also achieved using the robust M-estimators of (co)variance components, developed in the framework of the least-squares variance component estimation (LS-VCE) theory. The method allows one to compute confidence interval for the (co)variance components in asymptotic sense. Simulated time series using white noise plus flicker noise show that the estimates of random walk noise fluctuate more than those of flicker noise for different M-estimators. This is because random walk noise is not an appropriate noise structure for the series. The same phenomenon is observed using the results of real GPS time series, which implies that the combination of white plus flicker noise is well described for GPS time series. Some of the estimated noise components of LS-VCE differ significantly from those of other M- estimators. This reveals that there are a large number of outliers in the series. This conclusion is also affirmed by performing the statistical tests, which detect (large) parts of the outliers but can also leave parts to be undetected.     

基于GPS时间序列分析的地震前后噪声特性差异性研究

针对现有地震预测研究中噪声特性分析研究较少,就较大地震对GPS时间序列噪声特性的影响进行分析.选取较大地震及相应的临近测站,将GPS时间序列按照时间跨度分为震前4～3 a、前3～2 a、前1～0 a、震后0～1 a、后1～2 a五个时段,分别求取各时段的谱指数,采用不同的噪声模型组合对它们进行噪声特性分析,然后对结果进...     

顾及有色噪声影响的青海地区应变场分析

基于青海地区14个中国大陆构造环境监测网络(CMONOC)连续站10年的坐标时间序列数据,利用贝叶斯信息准则(BIC)确定各连续站的最优噪声模型,进而得出修正后的水平速度场,并在此基础上建立整体旋转与线性应变模型来分析青海地区的应变特征.结果表明:青海地区CMONOC连续站坐标时间序列各方向的噪声特性存在较大差异,东(...     

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。     

基于滑动L2优化准则的GPS坐标时间序列重构

GPS坐标时间序列中不仅包含白噪声,还包含闪烁噪声、随机漫步噪声等有色噪声,这些噪声将影响GPS应用的可靠性,甚至可能对一些地球物理现象做出错误的解释,因此降低GPS坐标时间序列中有色噪声的影响、提高GPS精度是一个重要和基本的问题。提出了一种滑动L₂优化估计方法(ML₂),通过选取合适的窗口建立L₂优化模型,再利用交替迭代乘子法求解每段时间序列的优化问题,并逐年滑动得到整段GPS坐标时间序列的估计。实验结果表明,ML₂方法与奇异谱分析、小波分解、滑动普通最小二乘法相比具有更好的重构效果。