GPS位置時間序列中的中長期誤差研究

田云鋒

（中國地震局地質研究所，北京100029）

GPS位置時間序列中的中長期誤差研究

田云鋒

（中國地震局地質研究所，北京100029）

連續(xù)GPS（global positioning system）已成為監(jiān)測地殼形變的主要手段之一，遍布于全球的數(shù)千個GPS臺站為研究板塊運動、斷層滑動、強震形變場等提供了可靠的數(shù)據(jù)。在GPS位置時間序列中還包含了時、空相關的噪聲，與構造活動造成的位移混疊在一起，難以分離。如何有效地提取與剔除GPS中的非構造成分已成為國際上的前沿研究。本論文開展的研究內容對于加深GPS中噪聲性質、起源的認識具有重要意義，并最終有益于GPS應用領域的進展。

本論文的研究對象是GPS位置時間序列中的中－長期（T＞1天，即日尺度～十年尺度）誤差，主要表現(xiàn)為共模誤差（common－mode error，即CME），即全球框架下區(qū)域網(wǎng)空間尺度上GPS臺站位置中的公共運動。論文從非構造噪聲的特征入手，利用時間序列分析理論來確定噪聲的類型和強度、分析GPS臺站周期性運動的振幅、相位特征，通過比較有色噪聲的大小、周期項的振幅或相位、沉降或抬升趨勢等，篩選出相對穩(wěn)定的GPS臺站；基于GPS臺站殘差位置時間序列，采用相關性分析來研究GPS臺站間公共噪聲的空間變化規(guī)律，研究提取不同空間尺度上CME和瞬態(tài)構造信息的空間濾波技術；研究參考框架的穩(wěn)定性對CME的影響。

為了獲取高質量的GPS位置時間序列，本論文采用最新版本的數(shù)據(jù)處理軟件（GAMIT／GLOBK v10.3）、模型，對中國地殼運動觀測網(wǎng)絡（Crustalmotion Observation Network of China，即CMONOC）的GPS基準站及100多個ITRF2005 GPS框架站自1999年以來近11年的歷史數(shù)據(jù)進行了重新解算，所得GPS臺站位置時間序列是本論文的主要數(shù)據(jù)來源。同時，本論文也參考了SOPAC（Scripps Orbit and Permanent Array Center）、JPL（Jet Propulsion Laboratory）和CMONOC數(shù)據(jù)中心產(chǎn)出的GPS位置時間序列成果，在有色噪聲、周期項、CME等方面進行了對比。

全球框架下GPS位置時間序列中的CME是相關噪聲（并非白噪聲）。本論文以中國境內GPS基準站網(wǎng)絡為主要研究對象，利用最大似然估計分析了CMONOC網(wǎng)絡中GPS基準站位置時間序列中有色噪聲的類型，除閃爍噪聲和隨機漫步噪聲之外，還考慮了分數(shù)譜指數(shù)冪指數(shù)噪聲、一階高斯－馬爾科夫噪聲、帶通濾波噪聲，發(fā)現(xiàn)CMONOC網(wǎng)絡中主導有色噪聲類型為閃爍噪聲，這與其他地區(qū)的研究成果一致。經(jīng)過空間濾波后的GPS位置時間序列中噪聲的大?。ㄓ绕涫情W爍噪聲）明顯減小，表明CME主要具有閃爍噪聲的性質。考慮有色噪聲時，各站的速率估計方差要增大一個量級以上，但多在1mm／a以內。

基于本論文的CMONOC數(shù)據(jù)再分析結果，獲取了GPS基準站周年運動特征的新認識。在海拉爾（HLAR）、哈爾濱（HRBN）等地發(fā)現(xiàn)了難以解釋的周年運動。而幾個短基線臺站對（如長春CHAN－CHUN、昆明KMIN－KUNM）的對比結果顯示，局部因素能夠造成周年項振幅或相位的明顯差異。對于周邊沒有其他GPS連續(xù)站的臺站來說，對其觀測結果的解釋要慎重。探索了GPS位置時間序列中周期項的起因。計算了大氣、土壤水等地表質量負荷造成的垂向周年運動，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)臺站的垂向周年項可以用負荷效應較好地解釋，但是在南方臺站（QION、YONG、XIAM）、拉薩（LHAS、LHAZ）、和塔什庫爾干（TASH）等地，仍有較大的殘余周年項振幅，表明尚存在其他未知的因素或較大的模擬殘差。針對拉薩站，地球物理負荷改正后尚有2～3mm的殘余振幅，其周邊GPS臺站的驗證結果表明拉薩GPS臺站垂向周年項的相位沒有明顯異常，振幅偏大。在青藏高原和喜馬拉雅地區(qū)，GPS垂向分量周年項主要受到地表水體因子控制，存在明顯的相位變化。

在CMONOC及周邊IGS（International GNSS Service）臺站的位置時間序列中均發(fā)現(xiàn)了周期約為351／n（n＝1，…，6）天的“異?！敝芷陧?。此類周期項是全球框架下GPS位置中CME的組成部分，經(jīng)過空間濾波后，大部分“異常”周期項消失。地表質量負荷造成的位移序列中并沒有與前述“異常”周期項對應的成分，不是異常周期項的來源。

提出了一套新的空間濾波思路用于提取共模分量（common－mode component，即CMC）

即傳統(tǒng)的CME和區(qū)域構造信號。該新方法采用兩種加權因子：①采用臺站殘差位置時間序列間的相關性大小作為距離加權因子；②利用基于CMC基準站的Voronoi圖形面積作為方位加權因子。與傳統(tǒng)的區(qū)域疊加濾波方法相比，本論文提出的相關加權疊加濾波能夠帶來5%～15%的殘差RMS（rootmean square）改進。通過變換距離因子，新方法能夠提取不同空間尺度上的CMC，例如發(fā)生在消減帶地區(qū)的慢滑移事件。與以往的方法相比，本論文提出的相關加權疊加濾波技術不再受空間尺度的限制，也不需人工干預。

采用相關加權疊加濾波技術分析了127個全球GPS臺站的公共噪聲，在96個臺站提取到了CMC序列。較大CMC的臺站位置與閃爍噪聲大小的空間分布規(guī)律對應，即CMC大的地區(qū)閃爍噪聲也大，但與周年項的振幅沒有明顯的相關關系。CMC的主要成分的空間尺度達上千千米，其大小的空間分布規(guī)律與框架站的分布密度存在聯(lián)系：即框架站密集的地區(qū)CMC小。因此，參考框架定義的不穩(wěn)定性可能是CMC的主要來源。

本論文最后探索了框架站的非線性運動對GPS定位結果的影響：①發(fā)現(xiàn)CMC、閃爍噪聲等與框架穩(wěn)定性存在相關性；②在框架定義前進行大氣壓力負荷改正、消除部分垂向周年運動對框架定義的影響時，白噪聲或閃爍噪聲略微減小。

本論文的研究加深了對GPS中非構造信號的認識，在數(shù)據(jù)濾波和非構造信號消減方面取得了令人滿意的成果。然而，針對GPS位置時間序列中誤差的分析還很有限，許多GPS數(shù)據(jù)獲取和處理過程中涉及的噪聲尚需進一步的分析，仍需不斷深入地開展研究，以加深對GPS信號和噪聲剔除的理解，從而促進構造形變研究的進展。

（作者電子信箱，田云鋒：tianyunfeng＠yahoo.com.cn）

P315.7；

A；

10.3969／j.issn.0235－4975.2012.09.011

GPS；位置時間序列；共模分量；共模誤差；周年項；最大似然估計；相關系數(shù)；空間濾波