GNSS高程时间序列周期项的经验模态分解提取

针对传统方法——常振幅常相位的周年+半周年谐波模型法不能准确提取GNSS高程时间序列中周期项问题,该文以中国区域10个IGS基准站在ITRF2008框架下2005—2015年高程时间序列为例,采用经验模态分解(EMD)提取各测站高程时间序列的周期项。对传统方法和EMD两种方法提取的周期项做Lomb_Scargle谱分析,用功率谱图分析了这两种方法提取序列周期项的能力。实验结果表明,EMD方法较传统方法更能准确、自适应地提取GNSS高程时间序列的周期项。     

CORS网用于会战式GPS垂向速率修正的方法研究

针对会战式观测模式GPS站估计测站垂向速率时未考虑周期项对速率的影响,导致测站垂向速率可靠性降低的问题,该文研究了基于连续运行参考站系统CORS的GPS连续站坐标时间序列建立测站周期项模型,并以此修正会战式GPS观测模式估计的垂向速率。以PBO网络阿拉斯加州88个GPS站2014—2016年3年的观测数据为基础,首先利用空间加权插值、二次曲面拟合法建立测站周期项模型;其次对区域内会战式GPS站的垂向速率予以修正。结果表明,两种方法均可拟合GPS观测站的年周期项,但二次曲面拟合的效果稍好;用拟合的年周期项对会战式观测站垂向速率修正后,垂向速率的正确性提高了46%以上,说明可用该方法修正会战式GPS观测站的垂向速率,以提高其可靠性。     

应用GPS连续观测修正流动观测垂向速率的分析与实验

目前,基于GPS流动观测确定垂向变化速率受年周期运动影响较大,但因观测数据较少,不能有效消除周期性运动的影响,使得GPS流动观测得到的垂向速率精度较低。提出利用同一区域GPS连续观测修正流动观测垂向速率的方法,首先依据GPS连续站垂向时间序列计算得到连续站的年周期运动振幅,然后进行空间插值得到各流动站的年周期运动振幅,进而对流动站垂向时间序列进行周期性运动修正,最后依据修正后的流动站垂向时间序列求取垂向线性速率。分别选用云南地区陆态网络GPS连续(2010~2013年)和流动观测数据(2011~2013年)进行了验证。结果表明,在年周期运动空间一致性较好的区域,该方法能够有效修正GPS流动观测垂向速率,提高垂向速率的解算精度。     

基于 EEMD 和 Husrt 指数的 GNSS 基准站的垂向速率估计

连续的全球卫星导航系统(GNSS)基准站的坐标时间序列中包含了复杂的噪声信号、非构造形变及其它因素的影响,尤其在垂直方向,对GNSS基准站在国际地球参考框架(ITRF)下的运动速率估计产生了较大的干扰。为进一步提高速率精度,文中采用整体模态分解(EEMD)方法对GNSS基准站的垂向观测时间序列进行分解,并根据各种信号的Hurst值进行分类及重构为噪声信号、季节性信号和长期趋势信号,采用最小二乘方法拟合长期趋势信号得到垂向速率。通过对中国大陆构造环境监测网络(CMONOC)的GNSS台站从2001—2013年近13a的垂向坐标时间序列的实例分析,采用基于EEMD和Husrt指数的最小二乘法能够准确地估计GNSS基准站的垂向速率。     

GPS时间序列中异常周期信号影响机制分析

采用功率谱分析和主成分分析的方法对GPS坐标时间序列的周期性变化进行了探讨,对IGS站的部分时段的观测资料进行了处理,分析了台站时间序列潜在的周期性质。证实了异常周期项（1．04cpy）的存在,对探测出的异常周期信号分别从构造信号、共模误差、地表质量负荷等影响因子展开讨论,分析其来源及影响机制。结果表明,上述影响因素未能对异常周期信号做出合理解释,该异常信号与GPS观测技术本身,即未模型化的GPS系统误差相关。对其影响因素做了初步探讨,为进一步建立相应的误差改正模型,增强GPS观测技术的稳健性提供了一些参考。     

联合LMD与EMD的GNSS站坐标时间序列去噪方法

针对GNSS站坐标时间序列信噪不易分离的问题,在传统EMD去噪方法的基础上,本文提出了一种联合LMD与EMD的坐标时间序列去噪方法。该方法首先采用LMD分解原始坐标时间序列,基于连续均方误差（CMSE）原则分离高频噪声与低频信号,保持低频分量不变;然后对高频分量进行EMD去噪;最后以2次分解所得低频信号之和作为去噪后时间序列。以仿真数据与8个GNSS基准站实测数据进行试验,通过多种评价指标进行精度评估。结果表明,与传统EMD方法相比,联合LMD与EMD的方法能够更加精确地去除坐标时间序列中的噪声。     

汾渭断陷带陆态网GPS站噪声剔除

针对汾渭断陷带及邻近地区2011—2013年陆态网络工程36个GPS连续站和227个流动观测区域站的GAMIT/GLBOK处理结果中存在的非构造噪声,借助QOCA软件剔除连续站位移序列中的周期性成分和共模误差等非构造形变的信息,使地壳监测中GPS连续站水平运动速度的精度提高约0.3mm/a,垂直运动速度的精度提高了约0.6mm/a。针对流动观测区域站中的噪声,提出了使用QOCA软件对GPS连续站的后处理参数信息构建Delaunay三角网,结合反距离内插算法,实现了GPS区域站中非构造噪声的剔除,使GPS区域站流动监测中水平运动速度的精度提高了约0.6mm/a,垂直运动速度的精度提高约1.7mm/a,为地震监测提供了精确的基础数据。     

华北区域GNSS基准站高程时间序列的非线性变化分析

基于陆态网络全球卫星导航系统（GNSS）观测成果，采用功率谱分析法和最小二乘方法，以华北地区为例，研究了区域基准站高程时间序列的非线性变化特征，并分析了不同环境负载的影响.结果表明，GNSS基准站高程方向存在显著的周年和半年周期特征，且周年特征要显著于半周年特征.位于不同地区的基准站的振幅和相位存在差异，华北平原南部地区的周年振幅要大于北部地区，整体上华北地区周年变化在秋季时节振幅达到最大.不同环境负载效应对华北GNSS高程位移的影响不一致，利用三种环境负载修正GNSS序列后，水文负载的修正效果最好，非潮汐大气负载次之，非潮汐海洋负载修正结果不理想.      

顾及运动状态改正的GNSS滑坡监测基准站切换方法

实时相对定位技术已广泛应用于高精度实时滑坡监测,其高精度定位依赖于连续稳定的基准站数据。然而基准站数据由于供电、通信等原因时常发生中断,严重影响滑坡监测结果的连续性和可靠性。本文提出顾及运动状态改正的GNSS滑坡监测基准站切换方法,首先根据待切换新基准站长期监测时间序列确定其运动状态,然后基于滑坡体变形演化规律,结合运动状态建立新基准站位移模型并定期对模型检核,最后根据新基准位移对各监测点位移进行修正。该方法成功应用于甘肃黑方台滑坡监测基准站切换,且改正后各监测站位移与真实变形接近。以改进型切线角作为滑坡预警判据,使用改正前后的监测位移-时间序列进行预警,预警结果表明,不进行改正可能导致预警的误判。本文方法针对基准站数据中断问题,通过切换新基准并对基准误差进行修正以获取连续可靠的滑坡监测序列,保障了滑坡监测的连续性和预警的及时性。     

云南地区GPS垂向时间序列周期项信号的SSA提取

针对传统的GPS时间序列最小二乘(LS)谐波函数模型方法不能精确提取GPS垂向时间序列的周期项信号问题,该文以云南地区2011年1月—2017年6月连续观测的27个GPS基准站数据为例,使用主成分分析(PCA)获得27个测站的共模误差,然后分别使用奇异谱分析(SSA)和LS方法对PCA滤波前后的测站时间序列进行周期项信号提取.实验结果表明,原始时间序列分别减去SSA、PCA-SSA、LS和PCA-LS提取周期项信号的RMS减少百分比平均为25.66％、17.23％、16.76％、16.76％;原始时间序列与4种方法提取周期项信号的相关系数平均为0.66、0.55、0.54、0.54,说明SSA提取的周期项信号要优于其他3种方法,将SSA应用于云南地区GPS垂向时间序列的周期项信号提取是可行和有效的.     

测站处GNSS多路径误差效应反演及其应用研究

针对测站观测环境变化对数据质量影响难以有效评估并削弱的问题,研究了一种可通用于各类卫星导航系统的多路径误差半天球格网点建模方法（multi-point hemispherical grid model,MHGM）。该方法能够综合利用不同GNSS（global navigation satellite system）系统的不同时期观测数据进行整体建模,显著削弱GNSS信号所受多路径误差影响,并图像化反演测站周围的多路径效应,确定信号干扰源的方位。算例的测试结果表明,在模拟的强多路径环境下,模型改正后模糊度固定时段的载波相位观测值残差的均方根误差（root mean square error,RMSE）统计值由0.983 cm降为0.318 cm,改善率高达67.7%。此外,MHGM建模结果中改正量较大的异常区域与对应测站处所架设挡板的方位相一致,能够反演出测站周围不同方向观测信号所受多路径误差影响。国际GNSS服务组织的历史观测数据在利用MHGM模型改正后,合计18年测试算例的观测值残差RMSE平均改善率达到29.5%。这对于评估测站观测环境在不同时期的变化状况,提升现有各类增强服务产品的精度和可靠性具有一定的潜在应用价值。     

基于虚拟参考站的GNSS滑坡变形监测方法及性能分析

全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)技术在大坝、桥梁、滑坡等形变监测领域应用广泛。针对传统监测方法需要架设基准站、导致监测成本增加的问题,提出一种基于虚拟参考站的GNSS变形监测方法,利用连续运行参考站(continuously operating reference stations,CORS)观测数据,生成虚拟参考站(virtual reference station,VRS)代替实体参考站,实现高精度变形监测。利用中国云南省屏边苗族自治县约30处滑坡监测点进行实验分析,结果表明,当CORS基准站间距小于40 km时,双差对流层和电离层延迟模型内插精度优于10 mm,利用观测时长大于8 h的数据,可以实现平面精度优于5 mm、高程精度优于10 mm的形变监测。     

北斗三号与超高频GNSS同震形变监测:以2021年青海玛多Mw 7.4地震为例

随着北斗三号完成全球组网以及硬件技术发展,地壳形变监测网络的全球导航卫星系统（global navigation satellite system, GNSS）接收机正朝着多系统、超高频（≥50 Hz）更新升级。基于陆态网络和中国青海省连续运行参考站的GNSS观测数据,获取2021年青海玛多Mw 7.4地震的同震位移波,并进行了震前精度统计和功率谱密度分析。结果表明,北斗三号在本次地震中的位移拾取精度比全球定位系统(global positioning system,GPS)更优;采样率提高到50 Hz对削弱位移时间序列混叠效应作用不显著,在10 Hz左右达到饱和;对50 Hz同震位移波差分获取到的速度和加速度序列噪声较大,难以利用。综合应用场景和成本考虑,GNSS地震监测的采样率最高设置在5~10 Hz即可。     

GNSS垂直位移反演区域地表质量变化的模拟分析

连续密集的全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)地表形变监测为反演精细的区域地表质量变化提供了有效技术手段.针对格林函数方法反演区域地表质量变化的病态问题,给出了一种改进的正则化拉普拉斯约束矩阵,讨论了广义交叉检验(generalized cross-vali...     

利用InSAR分析陕西省垂直形变

从2018—2019年欧空局Sentinel-1免费数据中获取陕西省全域垂直形变面状信息,并将其与全球导航卫星系统（global navigation satellite system,GNSS）以及水准点、线垂直形变信息进行对比分析,进一步验证合成孔径雷达干涉测量（interferometric synthetic aperture radar,InSAR）数据反映局部形变的有效性。垂直形变监测结果表明：在陕北榆林、神木地区,地下资源开采诱发的地表沉陷分布广泛、特征明显,地表沉陷速度达60 mm/a;在煤炭产区长武、彬县也出现不同程度的开采沉陷灾害,沉降速度达30 mm/a;西安市、渭南市等关中平原地区由于地下水开采出现不均匀沉降,其中,西安市的局部沉降最为严重,最大沉降速度达60 mm/a;InSAR与GNSS、水准获取的垂直运动趋势在全省范围总体上一致,但由于GNSS监测点、水准监测点一般布测在较稳定区域,其获取的沉降范围、沉降速度与InSAR沉降结果有一定差异。     

震后GPS坐标时序中对数弛豫时间的估计

全球定位系统（global positioning system, GPS）坐标时序去除同震形变和震前稳态速度场后,采用加权非线性最小二乘估计震后对数弛豫时间,可更准确地提取震后对数弛豫项,从而可以分析震后弛豫项对测站位移的独立物理贡献,并为震后余滑和黏滞性松弛效应等现象的分析提供参考。以日本2009—2019年GPS坐标时序为例,估计2011年Mw 9.0地震震后对数弛豫时间,发现不同站点的对数弛豫时间与其震中距关系显著,且服从高斯分布。据此,构建高斯函数加常数模型,可由震中距概略估计震后对数弛豫时间。高斯分布曲线的峰值、峰值位置、半宽度信息、最低位置分别为3.5 a、0 km、262 km、0.5 a,由此得出震后对数弛豫项影响时间大于0.5 a的站点主要集中在震中距约524 km范围内。震后弛豫效应区域分布的差异性显著,对数弛豫时间越长的区域,弛豫项水平位移表征越大,其中存在两个平均弛豫时间2.5 a的中心区域,与震后余滑的中心区域及时间相吻合。     

CMONOC约束下的MODIS水汽分区域函数模型校正

融合全球导航卫星系统（global navigation satellite system,GNSS）与中分辨率成像光谱仪（moderate-resolution imaging spectroradiometer,MODIS）可获得高精度、高空间分辨率的水汽分布信息。开展基于中国大陆构造环境监测网络（crustal movement observation network of China,CMONOC）观测资料的中国大陆地区MODIS水汽校正研究。首先,根据地理环境、海拔、气候类型等因素将中国大陆分为16个区域,开展区域MODIS水汽和GNSS水汽的相关性分析;其次,分区域、分季节选择不同的函数模型构建基于GNSS的MODIS水汽校正模型;然后,采取区域模型、单站点模型与实测GNSS水汽开展模型的可靠性检验;最后,通过分区域MODIS水汽校正和图像叠加,获得校正后的中国大陆地区MODIS水汽分布。研究表明,区域MODIS水汽校正模型精度与单站点模型相当,可取代单站点模型用于MODIS水汽校正。基于CMONOC的分区域函数模型可有效提高MODIS水汽精度,为短期天气预报和合成孔径雷达...     

珠峰及周边地区强震影响垂直形变特征研究

2015年尼泊尔地震对珠穆朗玛峰高程的影响,近年一直受到全世界关注.2020年珠穆朗玛峰高程测量在珠穆朗玛峰及周边地区布设了高精度的全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)形变监测网,收集了1999-2020年跨喜马拉雅山脉的32个连续运行参考站(continu...     

联合EMD-HD和小波分解的GNSS坐标时间序列降噪分析EI北大核心CSCD

针对经验模态分解(empirical mode decomposition,EMD)在GNSS坐标时间序列的降噪过程中存在筛选准则的选取和模态混叠效应等问题,本文引入Hausdorff距离(Hausdorff distance,HD)筛选准则并结合小波分解(wavelet decomposition,WD),提出EMD-HD&WD算法。通过对我国大陆构造环境监测网络149个GNSS测站的垂向坐标时间序列降噪处理,分别利用复合指标T值、测站的速度不确定度和闪烁噪声振幅验证算法的可靠性和普适性。结果显示:HD优于现有的筛选准则;EMD-HD&WD算法对测站的速度不确定度和闪烁噪声振幅的平均改正率均为88.4%。分析表明,本文算法能够有效识别和剔除噪声并且改善EMD的模态混叠效应,提高GNSS垂向坐标时间序列的模型精度。     

利用MSMPCA去噪的CEEMD方法监测高频GNSS同震形变

考虑到全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)地震信号的非线性和非平稳性,利用一种多尺度多方向主成分分析(multiscale multiway principal component analysis,MSMPCA)去噪的完备总体经验模态分解(complete...