GPS位置时间序列中的中长期误差研究

【摘要】：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。如何有效地提取与剔除GPS中的非构造成分已成为国际上的前沿研究。本论文开展的研究内容对于加深GPS中噪声性质、起源的认识具有重要意义,并最终有益于GPS应用领域的进展。 本论文的研究对象是GPS位置时间序列中的中-长期(T 1天,即日尺度至十年尺度)误差,主要表现为共模误差(common-mode error,即CME),即全球框架下区域网空间尺度上GPS台站位置中的公共运动。论文从非构造噪声的特征入手,利用时间序列分析理论来确定噪声的类型和强度、分析GPS台站周期性运动的振幅、相位特征,通过比较有色噪声的大小、周期项的振幅或相位、沉降或抬升趋势等,筛选出相对稳定的GPS台站;基于GPS台站残差位置时间序列,采用相关性分析来研究GPS台站间公共噪声的空间变化规律,研究提取不同空间尺度上CME和瞬态构造信息的空间滤波技术;研究参考框架的稳定性对CME的影响。 为了获取高质量的GPS位置时间序列,本论文采用最新版本的数据处理软件(GAMIT/GLOBK v10.3)、模型,对中国地壳运动观测网络(Crustal Motion Observation Network of China,即CMONOC)GPS基准站及100多个ITRF2005 GPS框架站自1999年以来近11年的历史数据进行了重新解算,所得GPS台站位置时间序列是本论文的主要数据来源。同时,本论文也参考了SOPAC(Scripps Orbit and Permanent Array Center)、JPL(Jet Propulsion Laboratory)和CMONOC数据中心产出的GPS位置时间序列成果,在有色噪声、周期项、CME等方面进行了对比。 全球框架下GPS位置时间序列中的CME是相关噪声(并非白噪声)。本论文以中国境内GPS基准站网络为主要研究对象,利用最大似然估计分析了CMONOC网络中GPS基准站位置时间序列中有色噪声的类型,除闪烁噪声和随机漫步噪声之外,还考虑了分数谱指数幂指数噪声、一阶高斯-马尔科夫噪声、带通滤波噪声,发现CMONOC网络中主导有色噪声类型为闪烁噪声,这与其他地区的研究成果一致。经过空间滤波后的GPS位置时间序列中噪声的大小(尤其是闪烁噪声)明显减小,表明CME主要具有闪烁噪声的性质。考虑有色噪声时,各站的速率估计方差要增大一个量级以上,但多在1 mm/a以内。 基于本论文的CMONOC数据再分析结果,获取了GPS基准站周年运动特征的新认识。在海拉尔(HLAR)、哈尔滨(HRBN)等地发现了难以解释的周年运动。而几个短基线台站对(如长春CHAN-CHUN、昆明KMIN-KUNM)的对比结果显示,局部因素能够造成周年项振幅或相位的明显差异。对于周边没有其他GPS连续站的台站来说,对其观测结果的解释要慎重。探索了GPS位置时间序列中周期项的起因。计算了大气、土壤水等地表质量负荷造成的垂向周年运动,发现大多数台站的垂向周年项可以用负荷效应较好地解释,但是在南方台站(QION、YONG、XIAM)、拉萨(LHAS、LHAZ)、和塔什库尔干(TASH)等地,仍有较大的残余周年项振幅,表明尚存在其他未知的因素或较大的模拟残差。针对拉萨站,地球物理负荷改正后尚有2~3 mm的残余振幅,其周边GPS台站的验证结果表明拉萨GPS台站垂向周年项的相位没有明显异常,振幅偏大。在青藏高原和喜马拉雅地区,GPS垂向分量周年项主要受到地表水体因子控制,存在明显的相位变化。 在CMONOC及周边IGS(International GNSS Service)台站的位置时间序列中均发现了周期约为351/n(n=1,…,6)天的“异常”周期项。此类周期项是全球框架下GPS位置中CME的组成部分,经过空间滤波后,大部分“异常”周期项消失。地表质量负荷造成的位移序列中并没有与前述“异常”周期项对应的成分,不是异常周期项的来源。 提出了一套新的空间滤波思路用于提取共模分量( common-mode component,即CMC)──即传统的CME和区域构造信号。该新方法采用两种加权因子:1)采用台站残差位置时间序列间的相关性大小作为距离加权因子;2)利用基于CMC基准站的Voronoi图形面积作为方位加权因子。与传统的区域叠加滤波方法相比,本论文提出的相关加权叠加滤波能够带来5%~15%的残差RMS(root mean square)改进。通过变换距离因子,新方法能够提取不同空间尺度上的CMC,例如发生在消减带地区的慢滑移事件。与以往的方法相比,本论文提出的相关加权叠加滤波技术不再受空间尺度的限制,也不需人工干预。 采用相关加权叠加滤波技术分析了127个全球GPS台站的公共噪声,在96个台站提取到了CMC序列。较大CMC的台站位置与闪烁噪声大小的空间分布规律对应,即CMC大的地区闪烁噪声也大,但与周年项的振幅没有明显的相关关系。CMC的主要成分的空间尺度达上千公里,其大小的空间分布规律与框架站的分布密度存在联系:即框架站密集的地区CMC小。因此,参考框架定义的不稳定性可能是CMC的主要来源。 本论文最后探索了框架站的非线性运动对GPS定位结果的影响:1)发现CMC、闪烁噪声等与框架稳定性存在相关性;2)在框架定义前进行大气压力负荷改正、消除部分垂向周年运动对框架定义的影响时,白噪声或闪烁噪声略微减小。 本论文的研究加深了对GPS中非构造信号的认识,在数据滤波和非构造信号消减方面取得了令人满意的成果。然而,针对GPS位置时间序列中误差的分析还很有限,许多GPS数据获取和处理过程中涉及的噪声尚需进一步的分析,仍需不断深入地开展研究,以加深对GPS信号和噪声剔除的理解,从而促进构造形变研究的进展。