GPS位置时间序列中温度变化驱动的非线性信号机制解释

论文摘要

GNSS连续运行基准站坐标时间序列（以下简称为时间序列）为大地测量学及地球动力学研究提供了宝贵的基础数据。时间序列中包含由地球物理效应等因素引起的非线性变化,主要表现为测站位置的周期性振荡。从产生形变的本质出发,定量分析、有效分离不同因素对时间序列非线性变化的影响,有助于获得测站准确的位置、速度及其不确定度信息,构建并进一步完善基准站运动模型,为毫米级精度的地球坐标参考框架的建立与维持提供参考,具有重要的科学意义。时间序列中的非线性信号主要是指由固体、海洋及大气潮汐（大部分已在观测值层面改正）、环境负载（包括大气负载、非潮汐海洋负载、水文负载）、热膨胀效应等地球物理效应造成的基准站周期性位移。目前,精度最高的环境负载模型也仅能解释不到60%的垂直方向周年振幅,而时间序列中其他非线性信号（如温度）的成因、形成机制及不同时间尺度下的交互影响量化仍亟待解决。由周期性温度变化驱动的基准站天线观测墩（Thermal Expansion of the Monument,TEM）及其所在基岩的热弹性形变（Thermal Expansion of the Bedrock,TEB）统称为热膨胀效应,是时间序列非线性信号的潜在贡献源。通过构建或精化热膨胀效应模型,量化、分析热膨胀效应的影响及其时、空间分布特征,能有效解释时间序列中由温度变化驱动的非线性信号物理机制,并结合已有环境负载效应模型,更好地解释、修正时间序列中的非线性信号,已成为当前GNSS坐标时间序列分析领域的前沿方向。本文围绕时间序列中由温度变化驱动的非线性信号成因问题,深入研究了热膨胀效应在不同时间、空间尺度下的影响特征与规律。首先,阐述了GPS坐标时间序列分析以及热膨胀效应建模的理论与方法;其次,提出了一种顾及观测墩附属建筑物的TEM模型,量化了观测墩热膨胀对时间序列季节性信号的贡献;然后,有效地将周日周期TEM信号从其他非线性信号来源和噪声中分离,研究了TEM引起的时间序列周日周期变化规律,并首次量化了高频TEM信号混叠效应对虚假长周期信号的贡献;同时,计算了全球范围内TEB引起的三维地表位移,分析了其全球和区域空间分布特征;最后,定量确定了热膨胀效应对GPS时间序列中非线性信号的贡献,并结合已有环境负载模型,构建了适合坐标时间序列修正的最优地球物理效应模型。本文的主要研究内容和成果包括:（1）针对目前TEM位移计算模型不精确的问题,提出了一种改进的TEM模型,能顾及不同类型、结构的观测墩及其附属建筑物影响。通过采用观测墩差异较大的GPS短基线对模型有效性进行了验证,发现短基线时间序列中存在最大振幅达1.86±0.17 mm的周年信号;采用改进的TEM模型可解释平均84%的垂向周年振幅,较已有模型效果提高了80%以上。此外,除闪烁噪声和随机游走噪声,有60%的时间序列随机过程可用带通噪声或一阶高斯马尔科夫噪声描述。（2）针对周日周期TEM位移信号提取及精确量化难题,利用GPS短基线时段解与天解差分、并结合奇异谱分析方法,有效地将周日TEM信号从其他非线性信号源和误差中分离,分析了时间序列中周日TEM位移的变化规律,首次量化了由高频TEM信号混叠引起的虚假长周期信号。结果表明,日间温度周期变化引起的TEM位移是时间序列中周日、半周日信号的主要来源,垂直方向振幅在夏季最大可达5 mm,水平方向上位移与日温度变化规律一致。此外,高频TEM信号会由于混叠效应,在天解时间序列中表现为虚假的周年、半周年周期信号,分别可以解释N、E方向7%、25%的周年及25%、36%的半周年振幅。（3）针对当前基于弹性半空间模型的TEB位移计算未考虑水平温度梯度影响的问题,采用基于统一弹性球体假设下的TEB模型和精度更高的地表温度格网数据,计算了全球范围0.5°×0.5°分辨率格网、时间跨度为19年的三维TEB地表位移时间序列,并分析了全球和中国区域的空间分布特征。结果表明,N、E和U方向TEB位移最大振幅可以达到1.77 mm、1.55 mm和3.72 mm,分别位于伊朗东南部地区、俄罗斯远东雅库茨克地区以及俄罗斯东西伯利亚地区。中国区域TEB垂向振幅量级显著高于水平方向,N方向周年振幅普遍超过1 mm,整体呈现出西南高东北低的趋势,较大振幅主要分布在青藏高原、云贵高原、新疆东南部等高海拔区域。（4）针对时间序列中由温度变化驱动的非线性信号精确量化难题,基于上述成果定量确定了热膨胀效应对时间序列非线性信号的贡献,并结合已有的环境负载模型,构建了修正坐标时间序列的最优地球物理效应模型。通过对比2000-2018年间全球262个IGS基准站热膨胀效应引起的三维位移和GPS实测坐标时间序列,发现经热膨胀改效应正后,N、E和U方向分别有84%（220/262）、49%（129/262）和90%（236/262）的基准站周年振幅降低,周年振幅平均减小25.3%、-0.6%和17.8%。换言之,热膨胀效应平均可以解释25%的水平方向以及18%的垂直方向周年振幅。结合不同数据来源的环境负载模型,对比分析了不同地球物理效应模型对GPS观测值的修正效果,发现环境负载、热膨胀与GPS位移在垂直方向上的相关系数平均超过0.6。经地球物理模型改正后,U方向GPS位移RMS值平均可减小1.56 mm,全球范围内由环境负载和热膨胀模型构建的地球物理效应模型平均可以解释垂直方向80%以上的周年振幅。

论文目录

• 博士生自认为的论文创新点
• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 引言
•   1.2 国内外研究现状
•     1.2.1 基准站坐标时间序列中非线性信号的来源
•       1.2.1.1 系统误差等引起的虚假非线性变化
•       1.2.1.2 环境负载等引起的基准站周期性运动
•     1.2.2 由温度变化驱动的非线性信号来源
•       1.2.2.1 观测墩热弹性形变
•       1.2.2.2 基岩热弹性形变
•   1.3 本文的研究内容
• 第2章 时间序列分析与热膨胀效应建模理论与方法
•   2.1 GPS坐标时间序列分析方法
•     2.1.1 时间序列函数模型
•     2.1.2 时间序列参数估计方法
•       2.1.2.1 极大似然估计
•       2.1.2.2 最小二乘方差分量估计
•     2.1.3 时变周期信号的提取方法
•   2.2 热膨胀效应引起的周期性信号建模理论与方法
•     2.2.1 观测墩热弹性形变建模方法
•     2.2.2 基岩热弹性形变建模方法
•       2.2.2.1 弹性半空间模型
•       2.2.2.2 统一的球体模型
• 第3章 观测墩热膨胀引起的基准站位置季节性变化
•   3.1 一种改进的TEM模型
•   3.2 模型有效性验证实验方案设计
•     3.2.1 实验方案设计
•     3.2.2 数据及GPS处理策略
•   3.3 GPS短基线时间序列结果
•   3.4 噪声与季节性信号分析
•     3.4.1 线性速度和残差估计结果
•     3.4.2 噪声特性分析
•     3.4.3 季节性信号
•   3.5 TEM对短基线时间序列的影响
•     3.5.1 垂直方向季节性信号解释
•     3.5.2 水平方向季节性信号解释
•   3.6 本章小结
• 第4章 观测墩热膨胀引起的基准站周日周期变化
•   4.1 实验设计
•     4.1.1 可行性分析
•     4.1.2 实验对象选取
•     4.1.3 数据及处理策略
•   4.2 GPS短基线位置时间序列
•   4.3 高频TEM信号混叠效应对虚假季节性信号的贡献
•   4.4 时间序列周日信号分析
•     4.4.1 时变周期信号的提取
•     4.4.2 观测墩差异对时间序列周日信号的影响分析
•       4.4.2.1 垂直方向信号来源分析
•       4.4.2.2 水平方向信号来源分析
•   4.5 其他误差源的影响
•   4.6 本章小结
• 第5章 基岩热膨胀引起的基准站位置季节性变化
•   5.1 地表温度数据的选取
•     5.1.1 不同地表温度数值模型间的比较
•     5.1.2 地表温度数值模型与实测温度的比较
•   5.2 基岩热弹性形变引起的基准站位移
•     5.2.1 时域周期特性
•     5.2.2 全球TEB位移空间分布特征
•     5.2.3 中国大陆区域TEB位移空间分布特征
•   5.3 本章小结
• 第6章 GPS坐标时间序列非线性信号机制解释
•   6.1 GPS基准站及其坐标时间序列
•     6.1.1 IGS基准站的选取
•     6.1.2 GPS坐标时间序列
•   6.2 环境负载和热膨胀效应模型与数据
•     6.2.1 环境负载模型数据
•     6.2.2 热膨胀模型数据
•   6.3 MSLD、MTED、GPS时间序列比较
•     6.3.1 时域周期特性及相关性分析
•     6.3.2 热膨胀效应对GPS位移的贡献
•       6.3.2.1 RMS值变化
•       6.3.2.2 周年、半周年振幅变化
•     6.3.3 最优地球物理效应模型改正
•       6.3.3.1 RMS值变化
•       6.3.3.2 周年、半周年振幅变化
•   6.4 本章小结
• 第7章 结论与展望
•   7.1 主要工作与成果
•   7.2 未来工作展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间的主要工作与成果
• 致谢

文章来源

类型: 博士论文

作者: 王锴华

导师: 姜卫平,申文斌,Nico Sneeuw

关键词: 时间序列,观测墩热膨胀,基岩热膨胀,非线性信号,地球物理效应模型

来源: 武汉大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 自然地理学和测绘学

单位: 武汉大学

基金: DAAD项目,国家杰出青年科学基金《坐标时间序列中非线性变化的地球物理机制解释》

分类号: P228.4

总页数: 139

文件大小: 11063K

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