環(huán)境負載對香港地區(qū)GNSS站非線性運動及噪聲特性的影響

李豐翔

(山東省國土測繪院, 山東 濟南, 250013)

0 引言

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(global navigation satellite system, GNSS)在大地測量、海洋學、氣候變化等領(lǐng)域有著廣泛應用,為相關(guān)基礎(chǔ)研究提供了豐富的數(shù)據(jù)。GNSS臺站有著明顯的年周期變化,包括非潮汐海洋負載、大氣負載、水文負載在內(nèi)的環(huán)境負載是造成測站非線性變化的主要因素。環(huán)境負載造成地面非線性變化的量級不容忽視,利用現(xiàn)代大地測量手段可以精確測量環(huán)境負載引起的地面運動,同時,這些非線性變化也會對GNSS的觀測精度造成不良影響。因此,研究環(huán)境負載對GNSS坐標時間序列的影響并對其進行改正是提高GNSS觀測精度的重要手段之一。

國內(nèi)外學者對大氣、海洋、陸地水等對GNSS臺站坐標時間序列的影響做了大量研究。姜衛(wèi)平等利用全球地球物理流體中心提供的質(zhì)量負荷模型推導出的環(huán)境負載變化校正了233個全球分布的GNSS點位,結(jié)果表明,64%站均方根誤差(root mean square, RMS)值出現(xiàn)下降,但質(zhì)量荷載位移與GNSS觀測結(jié)果不一致的原因未做詳細討論。通過研究大氣負荷、非潮汐海洋負荷以及水文負荷等因素影響,發(fā)現(xiàn)這些因素可以解釋部分的測站垂直方向的年周期變化。目前環(huán)境負載主要是通過環(huán)境負載模型進行改正,通過不同方法獲得的環(huán)境模型對于全球坐標時間序列的改正效果不同。

本文的主要目的是利用香港地區(qū)2013—2019年的GNSS數(shù)據(jù),研究環(huán)境負載對GNSS測站非線性運動的影響,同時利用極大似然估計研究環(huán)境負載改正前后坐標時間序列噪聲的變化特性。

1 研究區(qū)域和數(shù)據(jù)資料

香港位于低緯沿海地區(qū), 瀕臨中國南海。本文選取了香港6個GNSS站的6年(2010—2019年)的觀測數(shù)據(jù)作為實驗數(shù)據(jù)，6個測站分別為石碑山站(HKOH)、錦田站(HKKT)、沙田站(HKST)、昂坪站(HKNP)、梅窩站(HKMW)，昂船洲站(HKSC)，GNSS數(shù)據(jù)由海岸水位觀測系統(tǒng)網(wǎng)站(Système d’Observationdu Niveau des Eaux Littorales, SONEL)網(wǎng)站(http://www.sonel.org)提供，本文利用Bernese的動態(tài)精密單點定位(precise point positioning, PPP)模塊對數(shù)據(jù)進行動態(tài)解算，并得到小時解。

實驗數(shù)據(jù)跨度6年,數(shù)據(jù)采樣率為30 s。數(shù)據(jù)使用Bernese軟件進行解算,解算策略如表1所示,

表1 GNSS數(shù)據(jù)解算策略

環(huán)境負載主要包括大氣負載、水文負載和非潮汐海洋負載。大氣負載數(shù)據(jù)和非潮汐海洋負載數(shù)據(jù)是由全球地球物理流體中心(http://loading.u-strasbg.fr/ITRF/)提供,大氣負載數(shù)據(jù)時間間隔為3 h,格網(wǎng)大小為0.25°×0.25°;非潮汐海洋負載數(shù)據(jù)的時間分辨率為12 h,空間分辨率為1°。水文負載由德國地學中心(http://rz-vm115.gfz-potsdam.de:8080/repository)提供,時間間隔為24 h,格網(wǎng)大小為0.5°×0.5°。

2 實驗結(jié)果和討論

2.1 環(huán)境負載對坐標時間序列非線性變化的影響

為了研究GNSS坐標時間序列非線性運動的機制并提高坐標時間序列的精度,本文分析了環(huán)境負載對測站非線性位移的影響。

圖1是本文所使用的測站的PPP位移序列和環(huán)境負載位移序列,從圖中可以看出,PPP序列在每個方向都有著很明顯的周年信號,而環(huán)境負載位移序列在北(north,N)方向和垂直(up,U)方向有著很明顯的周年信號,且與PPP位移序列符合度較好;東(east,E)方向的環(huán)境負載位移序列的量級較小,年周期信號較另外兩個方向不明顯。這說明環(huán)境負載位移可以解釋部分的測站非線性位移現(xiàn)象。

圖1 各測站相對坐標時間序列(灰色)和環(huán)境負載時間序列(黑色)

為了分析環(huán)境負載位移對測站非線性位移的貢獻,本文根據(jù)式(1)計算了每個測站的各個方向環(huán)境負載位移的貢獻C(Contribution),如表2所示。

表2 環(huán)境負載位移對測站非線性位移的貢獻 單位：%

(1)

A

A

由表2可知,各個測站E方向環(huán)境負載的貢獻普遍較小,平均貢獻率為25%。N方向和U方向環(huán)境負載貢獻率的均值分別為39%和42%。換言之,通過環(huán)境負載改正后,坐標時間序列N、E和U三個方向的非線性位移會分別降低39%、25%和42%。

2.2 環(huán)境負載對坐標時間序列噪聲的影響

連續(xù)GNSS觀測站受到多種噪聲的影響,其坐標時間序列中存在白噪聲(white noise,WN)、非整數(shù)譜指數(shù)冪律噪聲(power law noise,PL)、隨機游走噪聲(random walk noise,RWN)和閃爍噪聲(flicker noise,FN)等。本文對環(huán)境負載進行了改正,并對改正前后的坐標時間序列運用極大似然估計方法進行研究,分析了測站的最佳噪聲模型,對各噪聲分量進行了定量分析。研究結(jié)果如表3所示。

表3 環(huán)境負載改正前后坐標時間序列噪聲特性分析

由表3可得,進行環(huán)境負載之后,多數(shù)測站的最佳噪聲模型未發(fā)生改變,僅有HKMW測站的U方向和HKSC測站的E方向的最佳噪聲模型由WN/FN變?yōu)榱薟N/RWN。白噪聲的改善并不明顯,有色噪聲(主要是閃爍噪聲)改善幅度較大,平均改善25.01%。這也說明了環(huán)境負載位移序列主要受閃爍噪聲的影響。通過以上分析表明,進行環(huán)境負載改正后,坐標時間序列的噪聲明顯降低,坐標時間序列的精度得到明顯提高。

3 結(jié)束語

利用香港地區(qū)6個GNSS站的6年的觀測數(shù)據(jù),研究了環(huán)境負載因素對GNSS站非線性運動和噪聲特性的影響。通過研究環(huán)境負載對時間序列非線性運動的貢獻得知,各個測站E方向、N方向和U方向環(huán)境負載分別能夠解釋25%、39%和42%的測站非線性運動。對進行過環(huán)境負載之后的時間序列進行噪聲特性分析發(fā)現(xiàn),進行環(huán)境負載之后,多數(shù)測站的最佳噪聲模型未發(fā)生改變,僅有HKMW測站的U方向和HKSC測站的E方向的最佳噪聲模型由WN/FN變?yōu)榱薟N/RWN。白噪聲的改善并不明顯,有色噪聲(主要是閃爍噪聲)改善幅度較大,平均改善25.01%。這也說明了環(huán)境負載位移序列主要受閃爍噪聲的影響。