田云鋒

（中國地震局地質(zhì)研究所，北京100029）

GPS位置時(shí)間序列中的中長期誤差研究

田云鋒

（中國地震局地質(zhì)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(gè)GPS臺(tái)站為研究板塊運(yùn)動(dòng)、斷層滑動(dòng)、強(qiáng)震形變場等提供了可靠的數(shù)據(jù)。在GPS位置時(shí)間序列中還包含了時(shí)、空相關(guān)的噪聲，與構(gòu)造活動(dòng)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(gòu)造成分已成為國際上的前沿研究。本論文開展的研究內(nèi)容對于加深GPS中噪聲性質(zhì)、起源的認(rèn)識(shí)具有重要意義，并最終有益于GPS應(yīng)用領(lǐng)域的進(jìn)展。

本論文的研究對象是GPS位置時(shí)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(tái)站位置中的公共運(yùn)動(dòng)。論文從非構(gòu)造噪聲的特征入手，利用時(shí)間序列分析理論來確定噪聲的類型和強(qiáng)度、分析GPS臺(tái)站周期性運(yùn)動(dòng)的振幅、相位特征，通過比較有色噪聲的大小、周期項(xiàng)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(tái)站；基于GPS臺(tái)站殘差位置時(shí)間序列，采用相關(guān)性分析來研究GPS臺(tái)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(gòu)造信息的空間濾波技術(shù)；研究參考框架的穩(wěn)定性對CME的影響。

為了獲取高質(zhì)量的GPS位置時(shí)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(yùn)動(dòng)觀測網(wǎng)絡(luò)（Crustalmotion Observation Network of China，即CMONOC）的GPS基準(zhǔn)站及100多個(gè)ITRF2005 GPS框架站自1999年以來近11年的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行了重新解算，所得GPS臺(tái)站位置時(shí)間序列是本論文的主要數(shù)據(jù)來源。同時(shí)，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(shí)間序列成果，在有色噪聲、周期項(xiàng)、CME等方面進(jìn)行了對比。

全球框架下GPS位置時(shí)間序列中的CME是相關(guān)噪聲（并非白噪聲）。本論文以中國境內(nèi)GPS基準(zhǔn)站網(wǎng)絡(luò)為主要研究對象，利用最大似然估計(jì)分析了CMONOC網(wǎng)絡(luò)中GPS基準(zhǔn)站位置時(shí)間序列中有色噪聲的類型，除閃爍噪聲和隨機(jī)漫步噪聲之外，還考慮了分?jǐn)?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(luò)中主導(dǎo)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(shí)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(zhì)。考慮有色噪聲時(shí)，各站的速率估計(jì)方差要增大一個(gè)量級以上，但多在1mm／a以內(nèi)。

基于本論文的CMONOC數(shù)據(jù)再分析結(jié)果，獲取了GPS基準(zhǔn)站周年運(yùn)動(dòng)特征的新認(rèn)識(shí)。在海拉爾（HLAR）、哈爾濱（HRBN）等地發(fā)現(xiàn)了難以解釋的周年運(yùn)動(dòng)。而幾個(gè)短基線臺(tái)站對（如長春CHAN－CHUN、昆明KMIN－KUNM）的對比結(jié)果顯示，局部因素能夠造成周年項(xiàng)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(tái)站來說，對其觀測結(jié)果的解釋要慎重。探索了GPS位置時(shí)間序列中周期項(xiàng)的起因。計(jì)算了大氣、土壤水等地表質(zhì)量負(fù)荷造成的垂向周年運(yùn)動(dòng)，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)臺(tái)站的垂向周年項(xiàng)可以用負(fù)荷效應(yīng)較好地解釋，但是在南方臺(tái)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(xiàng)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(fù)荷改正后尚有2～3mm的殘余振幅，其周邊GPS臺(tái)站的驗(yàn)證結(jié)果表明拉薩GPS臺(tái)站垂向周年項(xiàng)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(xiàng)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(tái)站的位置時(shí)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?xiàng)。此類周期項(xiàng)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?！敝芷陧?xiàng)消失。地表質(zhì)量負(fù)荷造成的位移序列中并沒有與前述“異常”周期項(xiàng)對應(yīng)的成分，不是異常周期項(xiàng)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(gòu)造信號(hào)。該新方法采用兩種加權(quán)因子：①采用臺(tái)站殘差位置時(shí)間序列間的相關(guān)性大小作為距離加權(quán)因子；②利用基于CMC基準(zhǔn)站的Voronoi圖形面積作為方位加權(quán)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(guān)加權(quán)疊加濾波能夠帶來5%～15%的殘差RMS（rootmean square）改進(jìn)。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(guān)加權(quán)疊加濾波技術(shù)不再受空間尺度的限制，也不需人工干預(yù)。

采用相關(guān)加權(quán)疊加濾波技術(shù)分析了127個(gè)全球GPS臺(tái)站的公共噪聲，在96個(gè)臺(tái)站提取到了CMC序列。較大CMC的臺(tái)站位置與閃爍噪聲大小的空間分布規(guī)律對應(yīng)，即CMC大的地區(qū)閃爍噪聲也大，但與周年項(xiàng)的振幅沒有明顯的相關(guān)關(guān)系。CMC的主要成分的空間尺度達(dá)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(yùn)動(dòng)對GPS定位結(jié)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(guān)性；②在框架定義前進(jìn)行大氣壓力負(fù)荷改正、消除部分垂向周年運(yùn)動(dòng)對框架定義的影響時(shí)，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(gòu)造信號(hào)的認(rèn)識(shí)，在數(shù)據(jù)濾波和非構(gòu)造信號(hào)消減方面取得了令人滿意的成果。然而，針對GPS位置時(shí)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(jìn)一步的分析，仍需不斷深入地開展研究，以加深對GPS信號(hào)和噪聲剔除的理解，從而促進(jìn)構(gòu)造形變研究的進(jìn)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(shí)間序列；共模分量；共模誤差；周年項(xiàng)；最大似然估計(jì)；相關(guān)系數(shù)；空間濾波