中国内地GPS坐标时间序列噪声模型特征及其对站点速率影响

为了进一步评估全球定位系统(GPS)时间序列噪声模型水平和垂直速率的大小,及其对误差的影响,选取中国内地227个GPS连续基准站2010—2020年南北、东西和垂直3个方向的坐标时间序列,采用6种噪声模型或噪声组合模型对其进行噪声分析。结果表明,中国内地GPS坐标时间序列噪声模型存在多样性,且部分站点在不同方向的噪声模型也存在差异,主要以一阶高斯马尔可夫+随机漫步噪声(GGMWN)和闪烁噪声+白噪声(FNWN)为主;在100°E附近的GPS站点噪声特性差异最为显著;噪声模型与速率之间的关系分析表明噪声模型对水平向速率的大小和误差影响较小,在现实计算中可不考虑噪声对水平速度的影响,但对垂向速率的大小和误差影响显著;考虑噪声模型可有效提高垂向速率的精度,同时也可能会改变部分站点的垂向运动方向,所以在现实计算中须考虑噪声对垂向速率的影响。

GPS时间序列共模误差提取方法及对比分析

区域GPS网中,各个测站坐标时间序列会存在共模误差(CME),该误差会对GPS测站坐标精度产生一定影响,因此去除共模误差对提高站点观测精度具有重要意义。本文在叠加滤波方法的基础上,以各个GPS站点相关性大小为权重进行加权,利用相关加权滤波方法对辽宁及周边省份GPS观测数据进行处理分析,提取共模误差向量,并与叠加滤波的结果进行对比和分析。结果表明,两者均能在一定程度上提取共模误差向量,相关加权叠加滤波法比叠加滤波法具有更好的适用性,均方根提升更为明显,能够更好地提取共模误差。

基于SSA探测GPS坐标时间序列的阶跃

探测可能存在的阶跃是GPS坐标时间序列预处理的关键步骤,自动化探测阶跃对于密集台站或数量庞大的GPS网络管理具有重要意义。本文提出基于奇异谱分析的阶跃自动探测方法,并验证该方法的有效性。实验表明,该方法可以探测出有明显台阶的阶跃,且震后形变等瞬态运动不影响探测结果,但对于与背景运动差异不明显的阶跃存在一定的局限性。

时间跨度对GPS坐标时间序列噪声模型估计影响分析

文中介绍GPS坐标时间序列模型,并给出GPS噪声模型种类、估计方法及最佳噪声模型评价准则。选取来自IGS08的24个IGS核心站的时间序列作为数据基础,对不同时间跨度的时间序列噪声模型进行定量分析,探讨其随着时间变化的演化规律。结果表明:当时间序列长度较短时,噪声模型的不确定性较大,而12.5a以上时间跨度的噪声模型趋于稳定且主要表现为闪烁噪声加白噪声的组合噪声模型;大跨度时间序列中噪声的长周期分量变得显著。

GPS坐标时间序列分析研究

近20年来,以GPS为代表的空间大地测量技术观测精度不断提高,已累积了丰富的、高精度、全球覆盖的坐标时间序列数据。这些数据为研究不同时空尺度下的各类地球物理现象提供了重要的数据支撑和大地测量几何约束。然而,由于GPS坐标时间序列中同时包含了各类“信号”和“噪声”,而且噪声来源复杂,信号类型多样,水平和高程分量上信号与噪声的表现形式差异较大。如何从原始序列中提取可靠的“信号”、分离出“误差”是目前地学界研究的热点和难点之一。

谱估计在GPS坐标时间序列分析中的应用

谱估计是一类重要的频谱分析方法。通过分析几种谱估计函数,利用仿真信号结果,选择最佳的估计函数。利用选择出的功率谱函数和小波谱函数对GPS坐标时间序列进行了分析,探索了时间序列信号里面存在的周期信息;分析了信号各个方向之间存在的差异;利用小波熵对时间序列信号里面的复杂成分进行了探测。

垂向GPS坐标序列中质量负荷形变改正

垂向GPS坐标时间序列中有明显的周期性变化特征,这种周期变化主要是由地表质量负荷变化引起的。以陆态网中15个GPS基准站站点为例,分析了大气负荷、土壤水负荷引起的形变位移的影响。经过大气和土壤水负荷形变改正后,各站点坐标序列年周期项振幅平均减少50.5%,序列平均RMS值改善率为18%,这表明对垂向GPS坐标序列进行质量负荷改正在一定程度上能够改善垂向GPS坐标数据质量。

顾及共模误差的西南极GPS坐标时间序列噪声分析

使用Bernese 5.2软件双差定位程序处理西南极区域24个GPS基准站9 a的观测资料,获得各站单日解坐标时间序列。利用主分量分析法和独立分析法对其进行空间滤波,对比分析2种方法的滤波效果,然后采用极大似然估计法分析滤波前后各站时间序列的噪声特征,建立最优噪声模型,并分析共模误差对测站速度的影响。结果表明,2种方法均能有效提取西南极区域共模误差,主分量分析法的滤波效果略优于独立分析法;西南极区域GPS站的噪声模型具有多样性,各分量的噪声特征存在差异,主要以WN+FN、WN+ARMA(1)为主;去除共模误差后,部分测站最优噪声模型发生改变,最优噪声区域的分布特征不明显;空间滤波对测站速度场的影响小于0.1 mm/a,但可降低白噪声和有色噪声的量级,从而大幅度减小速度不确定度。

基于RegEM算法的GPS坐标时间序列插值应用分析

将一种基于数据驱动的RegEM算法引入GPS坐标时间序列插值中,分别采用模拟不同比例连续缺失数据与实测含缺失数据,比较RegEM与拉格朗日方法、三次样条方法、正交多项式方法的插值效果与性能。结果表明,对于模拟不同比例连续缺失数据,RegEM算法插值效果均优于传统方法,且在大量数据连续缺失的情况下效果最优;对于实测含缺失数据,RegEM方法插值所得序列保留方差最大化效果最好,约为正交多项式方法的1.17倍、三次样条方法的1.38倍。

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。

海潮负荷地心运动对GPS坐标时间序列周期信号的影响分析

分别采用地球系统质心(center of mass of the whole earth system,CM)和固体地球质心(center of mass of the solid earth,CE)框架的海潮负荷(ocean tide loading,OTL)改正计算132个全球站的静态精密单点定位PPP坐标,分析海潮负荷引起的地心运动对GPS坐标时间序列的影响。结果表明:1)海潮负荷地心运动在水平和垂直方向上引起的坐标差异分别为0.7 mm和1.3 mm,海潮负荷地心运动对坐标时间序列的影响具有显著的区域分布特征;2)在CM-OTL和CE-OTL中,海潮负荷效应引起的周期信号明显减小,海潮负荷改正所属框架与GPS轨道所属框架的不一致将引入GPS交点年信号、14 d、9 d信号;3)利用IGS精密轨道进行PPP计算时,应采用CE框架进行海潮负荷改正。

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。

基于多变量LSTM的GPS坐标时间序列预测模型

针对全球定位系统(GPS)坐标时间序列预测中存在精度不足的问题,提出一种基于多变量长短时记忆(LSTM)的GPS坐标时间序列预测模型。利用灰色关联度方法对同一地区不同观测站的GPS坐标时间序列数据进行关联度分析,找出与待预测数据(佘山站U向历史数据)关联度较强的数据。将待预测数据和与之关联度较强的其它数据作为多变量预测模型的输入,利用LSTM能够将现有的输入信息与历史输入信息相结合的特性,建立多变量LSTM模型。通过与ARIMA、单变量LSTM模型预测结果比较,证明该方法有更好的预测效果。

GPS坐标时间序列严密三维噪声模型建立方法

积累多年的GPS基准站坐标时间序列被广泛应用于大地测量学与地球动力学研究。实现坐标时间序列中噪声与信号的有效分离并建立顾及不同分量噪声之间相关性的严密三维噪声模型,有助于确定测站线性以及非线性运动参数估值更加真实的不确定度。这对于精化速度场、合理解释地壳形变特征、建立毫米级的地球参考框架等研究具有重要的科学和现实意义。

GPS坐标时间序列中未模型化误差和环境负载的影响研究

GPS坐标时间序列广泛应用于参考框架建立与维持、地壳形变监测、冰后回弹等高精度大地测量和地球动力学研究领域。几乎所有的GPS坐标时间序列都呈现显著的非线性变化特征（尤其是高程方向）,主要表现为幂律噪声背景下显著的周年、半周年周期特征。

GPS坐标时间序列噪声协方差阵的构造及其方差估计

根据时间序列分形噪声理论及其功率谱密度讨论了幂律噪声的功率谱密度的特性,并推导了GPS坐标时间序列中幂律噪声的协方差矩阵构造过程。在此基础上论述了利用最小范数二次无偏估计分析GPS坐标时间序列噪声的方法,最后利用该方法计算了美国南加州两个测站垂直分量的噪声方差。这有助于进一步理解GPS坐标时间序列中幂律噪声的特性以及不同噪声之间的相关性,对于实现信号与噪声的有效分离,构建精确的三维噪声模型具有一定的参考价值。

基于RSI的GPS坐标时间序列瞬态地壳形变信号探测

提出了利用RSI的瞬态地壳形变信号探测方法,并将其应用于北美洲卡斯卡迪亚古陆俯冲带区域的部分GPS连续跟踪站的时间序列的瞬态形变探测中。研究结果表明:RSI方法能有效探测各序列中的瞬态形变,且能获得瞬态形变发生的开始时间、结束时间、持续时间和滑移量;与未使用偏移改正的序列相比,使用瞬态偏移改正得到的残差时间序列方差显著减小。

基于滑动L_(2)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L_(2)优化估计方法(ML_(2)),通过选取合适的窗口建立L_(2)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,ML_(2)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。

基于速率的Allan方差的GPS坐标时间序列噪声特性分析

GPS坐标时间序列中存在时空相关的噪声,对其进行噪声特性分析具有重要意义,基于此,本文采用基于速率的Allan方差对其进行分析,选取6个GPS基准站坐标时间序列数据进行试算,并将计算结果与最大似然估计得到的结果进行对比,验证了基于速率的Allan方差方法的有效性及优越性。

固体潮模型对GPS时间序列的影响研究

结合山东地壳运动GPS连续观测网与周边IGS观测站2007年的数据,分析了IERS2003和IERS1992模型对GPS基线长度和径向坐标以及天顶延迟的影响。结果显示：与IERS1992标准相比,IERS2003规范中的固体潮模型对基线的影响为亚毫米级,测站径向上的差值与测站纬度成正比,两种模型所得天顶延迟差值波幅与固体潮差值波幅呈反向对应关系,其波幅为0.6～1.0mm,约占固体潮差值波幅的6%～8%。