王鍇華

1. 長(zhǎng)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(yùn)行基準(zhǔn)站坐標(biāo)時(shí)間序列(以下簡(jiǎn)稱為時(shí)間序列)中由地球物理效應(yīng)引起的非線性信號(hào)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(dòng)的基準(zhǔn)站天線觀測(cè)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(shí)間序列非線性信號(hào)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(shí)間序列中由溫度變化驅(qū)動(dòng)的非線性信號(hào)形成的物理機(jī)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(duì)時(shí)間序列進(jìn)行修正，有助于獲得準(zhǔn)確的測(cè)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(yùn)動(dòng)模型，為毫米級(jí)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(shí)間序列中由溫度變化驅(qū)動(dòng)的非線性信號(hào)成因問題，深入研究了熱膨脹效應(yīng)在不同時(shí)間、空間尺度下的影響特征與規(guī)律。主要研究?jī)?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(cè)墩及其附屬建筑物。通過GPS短基線對(duì)模型有效性進(jìn)行了驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)時(shí)間序列中存在最大振幅達(dá)1.86±0.17 mm的周年信號(hào)。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(jī)游走噪聲，有60%的時(shí)間序列隨機(jī)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(shí)段解與天解差分、并結(jié)合奇異譜分析方法，將周日TEM信號(hào)從其他非線性信號(hào)源和誤差中有效分離，分析了周日TEM位移的時(shí)變規(guī)律，量化了由高頻TEM信號(hào)混疊引起的虛假長(zhǎng)周期信號(hào)。結(jié)果表明，日間溫度周期變化引起的TEM位移是時(shí)間序列中周日、半周日信號(hào)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(hào)會(huì)由于混疊效應(yīng)，在天解時(shí)間序列中表現(xiàn)為虛假的周年、半周年周期信號(hào)，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(jì)算了全球范圍0.5°×0.5°分辨率格網(wǎng)、時(shí)間跨度19年的三維TEB位移時(shí)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(guó)區(qū)域TEB垂向振幅量級(jí)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(shì)，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(duì)時(shí)間序列非線性信號(hào)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(shí)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(gè)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(duì)GPS觀測(cè)值修正效果的對(duì)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(shí)間序列平均80%的周年振幅。