李豐翔

(山東省國(guó)土測(cè)繪院, 山東 濟(jì)南, 250013)

0 引言

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(global navigation satellite system, GNSS)在大地測(cè)量、海洋學(xué)、氣候變化等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用,為相關(guān)基礎(chǔ)研究提供了豐富的數(shù)據(jù)。GNSS臺(tái)站有著明顯的年周期變化,包括非潮汐海洋負(fù)載、大氣負(fù)載、水文負(fù)載在內(nèi)的環(huán)境負(fù)載是造成測(cè)站非線性變化的主要因素。環(huán)境負(fù)載造成地面非線性變化的量級(jí)不容忽視,利用現(xiàn)代大地測(cè)量手段可以精確測(cè)量環(huán)境負(fù)載引起的地面運(yùn)動(dòng),同時(shí),這些非線性變化也會(huì)對(duì)GNSS的觀測(cè)精度造成不良影響。因此,研究環(huán)境負(fù)載對(duì)GNSS坐標(biāo)時(shí)間序列的影響并對(duì)其進(jìn)行改正是提高GNSS觀測(cè)精度的重要手段之一。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)大氣、海洋、陸地水等對(duì)GNSS臺(tái)站坐標(biāo)時(shí)間序列的影響做了大量研究。姜衛(wèi)平等利用全球地球物理流體中心提供的質(zhì)量負(fù)荷模型推導(dǎo)出的環(huán)境負(fù)載變化校正了233個(gè)全球分布的GNSS點(diǎn)位,結(jié)果表明,64%站均方根誤差(root mean square, RMS)值出現(xiàn)下降,但質(zhì)量荷載位移與GNSS觀測(cè)結(jié)果不一致的原因未做詳細(xì)討論。通過(guò)研究大氣負(fù)荷、非潮汐海洋負(fù)荷以及水文負(fù)荷等因素影響,發(fā)現(xiàn)這些因素可以解釋部分的測(cè)站垂直方向的年周期變化。目前環(huán)境負(fù)載主要是通過(guò)環(huán)境負(fù)載模型進(jìn)行改正,通過(guò)不同方法獲得的環(huán)境模型對(duì)于全球坐標(biāo)時(shí)間序列的改正效果不同。

本文的主要目的是利用香港地區(qū)2013—2019年的GNSS數(shù)據(jù),研究環(huán)境負(fù)載對(duì)GNSS測(cè)站非線性運(yùn)動(dòng)的影響,同時(shí)利用極大似然估計(jì)研究環(huán)境負(fù)載改正前后坐標(biāo)時(shí)間序列噪聲的變化特性。

1 研究區(qū)域和數(shù)據(jù)資料

香港位于低緯沿海地區(qū), 瀕臨中國(guó)南海。本文選取了香港6個(gè)GNSS站的6年(2010—2019年)的觀測(cè)數(shù)據(jù)作為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，6個(gè)測(cè)站分別為石碑山站(HKOH)、錦田站(HKKT)、沙田站(HKST)、昂坪站(HKNP)、梅窩站(HKMW)，昂船洲站(HKSC)，GNSS數(shù)據(jù)由海岸水位觀測(cè)系統(tǒng)網(wǎng)站(Système d’Observationdu Niveau des Eaux Littorales, SONEL)網(wǎng)站(http://www.sonel.org)提供，本文利用Bernese的動(dòng)態(tài)精密單點(diǎn)定位(precise point positioning, PPP)模塊對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)解算，并得到小時(shí)解。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)跨度6年,數(shù)據(jù)采樣率為30 s。數(shù)據(jù)使用Bernese軟件進(jìn)行解算,解算策略如表1所示,

表1 GNSS數(shù)據(jù)解算策略

環(huán)境負(fù)載主要包括大氣負(fù)載、水文負(fù)載和非潮汐海洋負(fù)載。大氣負(fù)載數(shù)據(jù)和非潮汐海洋負(fù)載數(shù)據(jù)是由全球地球物理流體中心(http://loading.u-strasbg.fr/ITRF/)提供,大氣負(fù)載數(shù)據(jù)時(shí)間間隔為3 h,格網(wǎng)大小為0.25°×0.25°;非潮汐海洋負(fù)載數(shù)據(jù)的時(shí)間分辨率為12 h,空間分辨率為1°。水文負(fù)載由德國(guó)地學(xué)中心(http://rz-vm115.gfz-potsdam.de:8080/repository)提供,時(shí)間間隔為24 h,格網(wǎng)大小為0.5°×0.5°。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論

2.1 環(huán)境負(fù)載對(duì)坐標(biāo)時(shí)間序列非線性變化的影響

為了研究GNSS坐標(biāo)時(shí)間序列非線性運(yùn)動(dòng)的機(jī)制并提高坐標(biāo)時(shí)間序列的精度,本文分析了環(huán)境負(fù)載對(duì)測(cè)站非線性位移的影響。

圖1是本文所使用的測(cè)站的PPP位移序列和環(huán)境負(fù)載位移序列,從圖中可以看出,PPP序列在每個(gè)方向都有著很明顯的周年信號(hào),而環(huán)境負(fù)載位移序列在北(north,N)方向和垂直(up,U)方向有著很明顯的周年信號(hào),且與PPP位移序列符合度較好;東(east,E)方向的環(huán)境負(fù)載位移序列的量級(jí)較小,年周期信號(hào)較另外兩個(gè)方向不明顯。這說(shuō)明環(huán)境負(fù)載位移可以解釋部分的測(cè)站非線性位移現(xiàn)象。

圖1 各測(cè)站相對(duì)坐標(biāo)時(shí)間序列(灰色)和環(huán)境負(fù)載時(shí)間序列(黑色)

為了分析環(huán)境負(fù)載位移對(duì)測(cè)站非線性位移的貢獻(xiàn),本文根據(jù)式(1)計(jì)算了每個(gè)測(cè)站的各個(gè)方向環(huán)境負(fù)載位移的貢獻(xiàn)C(Contribution),如表2所示。

表2 環(huán)境負(fù)載位移對(duì)測(cè)站非線性位移的貢獻(xiàn) 單位：%

(1)

式中,

A

為進(jìn)行環(huán)境負(fù)載后的序列的平均振幅；

A

為未進(jìn)行環(huán)境負(fù)載改正的序列的平均振幅。

由表2可知,各個(gè)測(cè)站E方向環(huán)境負(fù)載的貢獻(xiàn)普遍較小,平均貢獻(xiàn)率為25%。N方向和U方向環(huán)境負(fù)載貢獻(xiàn)率的均值分別為39%和42%。換言之,通過(guò)環(huán)境負(fù)載改正后,坐標(biāo)時(shí)間序列N、E和U三個(gè)方向的非線性位移會(huì)分別降低39%、25%和42%。

2.2 環(huán)境負(fù)載對(duì)坐標(biāo)時(shí)間序列噪聲的影響

連續(xù)GNSS觀測(cè)站受到多種噪聲的影響,其坐標(biāo)時(shí)間序列中存在白噪聲(white noise,WN)、非整數(shù)譜指數(shù)冪律噪聲(power law noise,PL)、隨機(jī)游走噪聲(random walk noise,RWN)和閃爍噪聲(flicker noise,FN)等。本文對(duì)環(huán)境負(fù)載進(jìn)行了改正,并對(duì)改正前后的坐標(biāo)時(shí)間序列運(yùn)用極大似然估計(jì)方法進(jìn)行研究,分析了測(cè)站的最佳噪聲模型,對(duì)各噪聲分量進(jìn)行了定量分析。研究結(jié)果如表3所示。

表3 環(huán)境負(fù)載改正前后坐標(biāo)時(shí)間序列噪聲特性分析

由表3可得,進(jìn)行環(huán)境負(fù)載之后,多數(shù)測(cè)站的最佳噪聲模型未發(fā)生改變,僅有HKMW測(cè)站的U方向和HKSC測(cè)站的E方向的最佳噪聲模型由WN/FN變?yōu)榱薟N/RWN。白噪聲的改善并不明顯,有色噪聲(主要是閃爍噪聲)改善幅度較大,平均改善25.01%。這也說(shuō)明了環(huán)境負(fù)載位移序列主要受閃爍噪聲的影響。通過(guò)以上分析表明,進(jìn)行環(huán)境負(fù)載改正后,坐標(biāo)時(shí)間序列的噪聲明顯降低,坐標(biāo)時(shí)間序列的精度得到明顯提高。

3 結(jié)束語(yǔ)

利用香港地區(qū)6個(gè)GNSS站的6年的觀測(cè)數(shù)據(jù),研究了環(huán)境負(fù)載因素對(duì)GNSS站非線性運(yùn)動(dòng)和噪聲特性的影響。通過(guò)研究環(huán)境負(fù)載對(duì)時(shí)間序列非線性運(yùn)動(dòng)的貢獻(xiàn)得知,各個(gè)測(cè)站E方向、N方向和U方向環(huán)境負(fù)載分別能夠解釋25%、39%和42%的測(cè)站非線性運(yùn)動(dòng)。對(duì)進(jìn)行過(guò)環(huán)境負(fù)載之后的時(shí)間序列進(jìn)行噪聲特性分析發(fā)現(xiàn),進(jìn)行環(huán)境負(fù)載之后,多數(shù)測(cè)站的最佳噪聲模型未發(fā)生改變,僅有HKMW測(cè)站的U方向和HKSC測(cè)站的E方向的最佳噪聲模型由WN/FN變?yōu)榱薟N/RWN。白噪聲的改善并不明顯,有色噪聲(主要是閃爍噪聲)改善幅度較大,平均改善25.01%。這也說(shuō)明了環(huán)境負(fù)載位移序列主要受閃爍噪聲的影響。