GPS坐標(biāo)時(shí)間序列中未模型化誤差和環(huán)境負(fù)載的影響研究

鄧連生

湖北理工學(xué)院光谷北斗國際學(xué)院，湖北 黃石 435003

GPS坐標(biāo)時(shí)間序列廣泛應(yīng)用于參考框架建立與維持、地殼形變監(jiān)測、冰后回彈等高精度大地測量和地球動(dòng)力學(xué)研究領(lǐng)域。幾乎所有的GPS坐標(biāo)時(shí)間序列都呈現(xiàn)顯著的非線性變化特征(尤其是高程方向)，主要表現(xiàn)為冪律噪聲背景下顯著的周年、半周年周期特征。造成GPS坐標(biāo)時(shí)間序列非線性變化的主要因素有：內(nèi)部與GPS技術(shù)相關(guān)的未模型化誤差及外部造成地表質(zhì)量遷移的環(huán)境負(fù)載效應(yīng)(主要是大氣，水文，非潮汐海洋負(fù)載)。深入理解二者導(dǎo)致的GPS坐標(biāo)時(shí)間序列變化，對(duì)于提高GPS坐標(biāo)時(shí)間序列的信噪比，以及更合理地解釋測站所反映的實(shí)際運(yùn)動(dòng)、提升GPS觀測成果應(yīng)用價(jià)值有著重要的實(shí)際意義，相關(guān)研究成果可以為建立毫米級(jí)地球參考框架這一大地測量學(xué)的新任務(wù)提供基礎(chǔ)，有助于更好地將大地測量成果推廣應(yīng)用于冰蓋融化、海平面上升等全球性、大尺度范圍內(nèi)的地球動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象的研究，具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。本文圍繞GPS坐標(biāo)時(shí)間序列非線性變化的成因，深入研究了GPS數(shù)據(jù)處理未模型化誤差、環(huán)境負(fù)載效應(yīng)等對(duì)GPS坐標(biāo)時(shí)間序列非線性變化的影響。本文的主要研究內(nèi)容如下：

(1) 定量計(jì)算了高階項(xiàng)電離層延遲(HOI)改正對(duì)全球IGS基準(zhǔn)站坐標(biāo)時(shí)間序列周期特征和噪聲特征的影響。經(jīng)HOI改正后，基準(zhǔn)站的噪聲類型未有顯著變化，但噪聲振幅有所降低，尤其是白噪聲振幅降低最為明顯。82%的基準(zhǔn)站U方向上白噪聲振幅降低，68%的基準(zhǔn)站N方向閃爍噪聲振幅降低。HOI延遲能夠解釋基準(zhǔn)站部分周期變化特征，改正后分別有超過57%和66%的基準(zhǔn)站周年和半周年振幅降低。

(2) 系統(tǒng)分析了HOI改正對(duì)中國地殼運(yùn)動(dòng)觀測網(wǎng)絡(luò)(CMONOC)基準(zhǔn)站的影響，發(fā)現(xiàn)高階項(xiàng)電離層延遲是造成CMONOC基準(zhǔn)站半周年變化(尤其是北向和垂直方向的半周年振幅)的主要因素；并且通過研究環(huán)境負(fù)載造成的地表質(zhì)量遷移改正，探討了GPS未模型化誤差和地球物理效應(yīng)的耦合關(guān)系，明確了兩者之間的相互作用對(duì)于合理解釋區(qū)域GPS坐標(biāo)時(shí)間序列變化的重要性。

(3) 提出了參考框架定義方式對(duì)研究區(qū)域基準(zhǔn)站坐標(biāo)時(shí)間序列非線性變化的準(zhǔn)則。通過分析全球參考框架和區(qū)域參考框架對(duì)區(qū)域基準(zhǔn)站坐標(biāo)時(shí)間序列非線性變化的影響，發(fā)現(xiàn)了由于基準(zhǔn)定義所引入的誤差會(huì)造成坐標(biāo)時(shí)間序列中未模型化誤差信號(hào)的淹沒；因此，建議分析GPS未模型化誤差對(duì)區(qū)域網(wǎng)的影響時(shí)，使用區(qū)域參考框架定義基準(zhǔn)。

(4) 深入分析了全球IGS基準(zhǔn)站的非線性變化特征，聯(lián)合GRACE時(shí)變重力場模型和GGFC環(huán)境負(fù)載模型，分析了環(huán)境負(fù)載位移序列對(duì)GPS高程坐標(biāo)時(shí)間序列的修正效果。結(jié)果表明，利用GRACE和GGFC反演的地表質(zhì)量遷移序列修正GPS序列后，分別能使得80.1%和73.7%的全球IGS基準(zhǔn)站高程坐標(biāo)時(shí)間序列的WRMS降低，修正后的時(shí)間序列的WRMS分別減小11.8%、5.6%。整體而言，GRACE反演的位移序列對(duì)GPS高程坐標(biāo)時(shí)間序列的修正效果優(yōu)于GGFC的結(jié)果。

(5) 利用一階形變法基于最新的IGS解反演了地心運(yùn)動(dòng)，估計(jì)了截?cái)嚯A數(shù)和平移參數(shù)對(duì)地心估計(jì)的影響。截?cái)嚯A數(shù)為1～10階時(shí)，地心X、Y、Z3個(gè)方向與SLR序列的相關(guān)系數(shù)平均值為0.49、0.48、0.58。截?cái)嚯A數(shù)為5階時(shí)，地心運(yùn)動(dòng)的振幅和相位與SLR結(jié)果最為接近。同時(shí)，平移參數(shù)的估計(jì)會(huì)導(dǎo)致相關(guān)系數(shù)有著不同程度的降低。且隨著截?cái)嚯A數(shù)的增加，3個(gè)方向上與SLR結(jié)果的相關(guān)性減弱，尤其是X、Z方向的相關(guān)性降低最為明顯。