GPS位置時間序列中溫度變化驅(qū)動的非線性信號機制解釋

王鍇華

1. 長江空間信息技術(shù)工程有限公司(武漢)，湖北 武漢 430010; 2. 武漢大學(xué)衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)研究中心，湖北 武漢 430079

GNSS連續(xù)運行基準(zhǔn)站坐標(biāo)時間序列(以下簡稱為時間序列)中由地球物理效應(yīng)引起的非線性信號主要指由固體、海洋及大氣潮汐、環(huán)境負(fù)載、熱膨脹效應(yīng)等造成的基準(zhǔn)站周期性位移。由周期性溫度變化驅(qū)動的基準(zhǔn)站天線觀測墩熱效應(yīng)(thermal expansion of the monument，TEM)及其所在基巖的熱彈性形變(thermal expansion of the bedrock，TEB)統(tǒng)稱為熱膨脹效應(yīng)，是時間序列非線性信號的潛在貢獻(xiàn)源之一。通過構(gòu)建或精化熱膨脹效應(yīng)模型，有效解釋時間序列中由溫度變化驅(qū)動的非線性信號形成的物理機制，量化、分析熱膨脹效應(yīng)的影響及其空間分布特性，并結(jié)合已有環(huán)境負(fù)載效應(yīng)模型，對時間序列進(jìn)行修正，有助于獲得準(zhǔn)確的測站位置、速度及其不確定度，構(gòu)建并進(jìn)一步完善基準(zhǔn)站運動模型，為毫米級精度的地球坐標(biāo)參考框架的建立與維持提供參考。

本文圍繞時間序列中由溫度變化驅(qū)動的非線性信號成因問題，深入研究了熱膨脹效應(yīng)在不同時間、空間尺度下的影響特征與規(guī)律。主要研究內(nèi)容和成果包括：

(1) 提出了一種改進(jìn)TEM模型，能顧及不同類型、結(jié)構(gòu)的觀測墩及其附屬建筑物。通過GPS短基線對模型有效性進(jìn)行了驗證，發(fā)現(xiàn)時間序列中存在最大振幅達(dá)1.86±0.17 mm的周年信號。采用改進(jìn)的TEM模型可解釋平均84%的垂向周年振幅，較已有模型效果提高了80%以上。此外，除了閃爍噪聲和隨機游走噪聲，有60%的時間序列隨機過程還可用帶通噪聲或一階高斯馬爾可夫噪聲來描述。

(2) 采用GPS短基線時段解與天解差分、并結(jié)合奇異譜分析方法，將周日TEM信號從其他非線性信號源和誤差中有效分離，分析了周日TEM位移的時變規(guī)律，量化了由高頻TEM信號混疊引起的虛假長周期信號。結(jié)果表明，日間溫度周期變化引起的TEM位移是時間序列中周日、半周日信號的主要來源，垂直方向振幅在夏季最大可達(dá)5 mm，水平方向上位移與日溫度變化規(guī)律一致。此外，高頻TEM信號會由于混疊效應(yīng)，在天解時間序列中表現(xiàn)為虛假的周年、半周年周期信號，分別可以解釋N、E方向7%、25%的周年及25%、36%的半周年振幅。

(3) 基于統(tǒng)一彈性球體假設(shè)下的TEB模型和ECMWF地表溫度格網(wǎng)數(shù)據(jù)，計算了全球范圍0.5°×0.5°分辨率格網(wǎng)、時間跨度19年的三維TEB位移時間序列，分析了其全球和區(qū)域空間分布特征。結(jié)果表明，N、E和U方向TEB位移最大振幅分別達(dá)1.8 mm、1.6 mm和3.7 mm。中國區(qū)域TEB垂向振幅量級顯著高于水平方向，N方向周年振幅普遍超過1 mm，整體呈現(xiàn)出西南高東北低的趨勢，較大振幅主要分布在青藏、云貴高原、新疆東南部等高海拔區(qū)域。

(4) 基于上述成果定量確定了熱膨脹效應(yīng)對時間序列非線性信號的貢獻(xiàn)，并結(jié)合已有的環(huán)境負(fù)載模型，構(gòu)建了用于修正坐標(biāo)時間序列的最優(yōu)地球物理效應(yīng)模型。選取2000—2018年間全球262個IGS基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)經(jīng)熱膨脹改正后，N、E和U方向分別有84%(220/262)、49%(129/262)和90%(236/262)的基準(zhǔn)站周年振幅降低，平均減小25.3%、-0.6%和17.8%。不同地球物理效應(yīng)模型對GPS觀測值修正效果的對比分析結(jié)果表明，經(jīng)地球物理模型改正后，U方向GPS位移RMS值平均減小1.56 mm，在全球范圍內(nèi)，由環(huán)境負(fù)載和熱膨脹模型構(gòu)建的地球物理效應(yīng)模型可以解釋垂直方向時間序列平均80%的周年振幅。