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GPS坐标时间序列中信号与噪声分析

李振宇  
【摘要】:高精度GPS坐标时间序列精度已达到毫米级,这使GPS观测技术不仅可以实时监测地表剧烈运动造成的瞬时形变,也可监测到地表微小的蠕动形变。目前GPS已成为连续、动态、实时观测地表形变的最佳技术手段。本文在此背景下以GPS坐标时间序列为研究对象,主要探究了GPS坐标时间序列的趋势项、季节项振幅及相位、噪声类型等特征参数、不同GPS坐标时间序列分析方法所求特征参数的差异性、共模误差对GPS坐标时间序列特征参数的影响、及GPS坐标时间序列季节项成因分析。围绕上述几点研究内容,本文所做的研究工作和研究成果主要包括以下几点内容:(1)在介绍GPS数据处理基本原理、解算策略及方法、数据处理流程的基础上详细叙述了GAMIT/GLOBK软件中涉及到的常用坐标系及各坐标系之间的换算关系。(2)文中以中国内陆海原断裂、六盘山断裂、西秦岭北缘断裂所在区域(文中称A区域)、美国加州南部旧金山湾地区(文中称B区域)为研究区域,研究了区域内约130个GPS测站坐标时间序列的特征参数,发现A区域内37个GPS测站时间序列的特征参数在断裂两侧没有明显差异,B区域内有部分GPS测站的趋势项在断裂两侧有差异,说明目前B区域断裂两侧的地壳运动仍然活跃。(3)针对所选区域,研究了不同参考框架下GPS坐标时间序列的差异。研究结果表明不同参考框架下GPS坐标时间序列的水平(N、E方向)趋势项表现不同,而垂向(U方向)趋势项、各方向序列的季节性变化几乎不受参考框架影响。(4)对比了谐波模型、EMD获取的GPS坐标时间序列的特征参数,研究结果表明对绝大多数GPS测站而言,两种方法获取的测站趋势项基本一致,个别测站趋势项的不一致很可能是受序列季节性波动的影响,但两种方法获取的测站季节项、坐标残差时间序列有些许差异。通过频谱分析发现EMD获取的测站季节项包含了原始序列中主要的周期项,且季节项噪声水平远低于原始序列,而谐波模型获取的周期项仅包含了年、半年周期项。(5)本文探究了地表负载、区域GPS网共模误差对GPS测站时间序列的影响。对比了地表负载改正前后GPS测站时间序列特征参数的变化,发现地表负载改正前后测站各方向的趋势项变化甚微,可以忽略不计,但测站周期项振幅、噪声类型均有不同程度的变化。而区域网共模误差对测站各项特征参数均有影响,滤波后GPS测站时间序列的周期项振幅、相位均表现出局部一致性,而滤波前则比较离散。滤波后残差时间序列的标准差明显小于滤波前残差序列的标准差,另外滤波前后测站水平反向的速度场在运动方向上有较明显的差异。


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