GPS地壳形变监测数据处理及大气水汽含量反演计算的研究

【摘要】：近年来,全球定位系统(GPS)在上千公里大尺度范围内的定位精度达到了10~(-8)～10~(-9),从而给精密大地测量、气象学等领域开辟了新的研究方向。本文借助中国地壳运动观测网络(CMONOC)及国际GPS服务(IGS)部分站点的数据资料,使用美国麻省理工学院研制的GPS精密定位定轨软件GAMIT及笔者在其基础上研制开发的后处理软件,进行了地壳形变监测数据处理与大气水汽含量反演计算的研究,主要研究内容及结论如下: 1.研究了在使用GAMIT软件的过程中采用不同基准而产生的基线及坐标结果差异,使用者应该根据自己的需要选用相应的约束基准。 2.研究了GPS用于地壳形变监测的可行性。利用GAMIT软件对CMONOC的三期数据进行基线单天解算,并对单天解结果的精度进行评定,表明:三期数据的水平方向重复率的比例误差优于10~(-9),高程方向重复率的固定误差小于5mm,比例误差也优于10~(-8),完全能够满足精密形变监测的要求。 3.分析研究了中国大陆基准站的水平形变速度及位移特征。综合已求出的CMONOC三期数据的单天解结果,通过传统漂移速度估计数学模型获得中国大陆基准站水平形变速度场。与已有的研究成果相比,速度的大小和方向基本一致,并分析得到中国大陆基准站的位移特征为:中国大陆西部地壳产生向北运动的趋势,中国大陆东部地壳产生向南运动的趋势。 4.基于弹性力学的基本理论,建立了地壳应变分析模型,并进行了实际应用。考虑到CMONOC中拉萨(LHAS)站所处地理位置的重要地学意义,对其应变和应力求解分析,得出:在拉萨站周围的地块受到东西向拉伸、南北向压缩的形变,同时受到北西—南东向拉伸、北东—南西向压缩的形变。 5 鉴于传统漂移速度估计模型具有一定的缺陷,于是结合动态卡尔曼滤波理论,构建出卡尔曼滤波漂移速度估计模型,且给出具体的实现。以IGS部分站点的多期数据为基础进行漂移速度的估计,把计算结果与IGS公布的已知值作比较,说明:精度可以达到毫米级,能满足漂移速度估计的要求,方法相对简单,且可以反映出漂移速度的动态变化情况,从而为漂移速度的估计提供了一种新的有效途径。 6.运用地基GPS气象学的理论,进行了反演大气水汽含量的计算研究。采用水汽辐射计(WVR)观测数据和并址的GPS观测数据,先求出大气可降水量(PWV)阵列,再把计算结果与WVR水汽观测值相比较,表明:利用GPS反演大气水汽含量可达到2～3mm的精度,从而验证了GPS在气象学应用中的可行性和可靠性。