GPS坐标序列噪声模型估计方法研究

贺小星

华东交通大学测绘工程研究所，江西 南昌 330013



GPS坐标序列噪声模型估计方法研究

贺小星

华东交通大学测绘工程研究所，江西 南昌 330013

随着空间观测技术的高速发展，GPS已成为大地测量领域重要的观测技术手段之一。全球IGS基准站积累了近20余年的位置时间序列，为大地测量及地球动力学研究提供了丰富的基础数据。GPS坐标序列不仅包含构造信号，也包含地表环境负载以及未模型化的误差等干扰源的影响，降低了GPS解的精度与可靠性。分析GPS时间序列，尤其是坐标时间序列非线性变化，进一步深入系统地了解GPS非线性变化起源及其影响机制，建立相关的处理模型和方法，具有重要的理论意义和实用价值。近来年，GPS技术取得了长足的发展，但由于GPS非线性变化的复杂性，许多问题还有待进一步研究。

本文紧跟国际相关领域的研究热点，系统地阐述了GPS 坐标时间序列分析方法及其基本理论，并开发了相应的数据处理软件工具；着重分析了GPS单日解坐标序列最优获取策略，深入分析了地表环境负载效应对IGS基准站的影响及其规律，探索了大尺度下GPS网坐标序列共模误差的空间变化规律，并提出了改进的共模误差滤波方法。最后，深入探讨了IGS基准站的坐标序列的最佳噪声模型及其变化规律，获得了一些有重要科学意义的结果。论文的主要结论和贡献包括：

(1) 提出了GPS单日解批处理策略，并开发了相应的GPS时间序列分析软件及绘图工具，提高了GPS数据处理及分析的效率，有效地降低了粗差的干扰。探讨了不同解算模型及策略对单日解坐标序列的影响，验证了不同数据处理软件(GAMIT、GIPSY)之间的一致性；提出联合解算能有效减弱单一模型及策略中引入的随机误差，改善解的时空分布，提高坐标序列的精度。通过对全球分布的IGS站试验分析，得出了GAMIT与GIPSY解的最优经验权值。

(2) 通过对区域及全球的IGS站负载效应综合分析，论证了负载修正模型计算得到的测站位移序列的可靠性，证实了负载位移序列的周年、半周年特性。通过对全球分布的IGS站的负载效应进行分析，提出了负载效应存在区域特征性，并解释了不同学者得到的环境负载对GPS坐标时间序列的贡献呈现差异的原因，为进一步分离GPS位置时间序列中的残余误差(如共模误差)提供参考。

(3) 提出了共模误差存在空间差异性，即共模误差在空间上并不是严格的均匀分布，并结合数据试验证实了共模误差在大尺度区域内存在区域性变化。结果表明，在400～500 km尺度区域内，主成分分析法滤波效果较理想，随着尺度的增大，测站之间相关性减弱，使得准确、可靠的分离出共模误差存在一定的困难。

(4) 针对共模误差分离存在的问题，提出了由于共模误差存在周期性变化，传统的去周期项后再进行CME分离的方法存在一定的局限性；同时顾及共模误差的区域性变化特征，论文提出了基于地理环境因素等因子的广义共模误差的方法，并通过实验进行验证，获得了更好的滤波效果，提高了坐标序列的精度。

(5) 最后深入探讨了GPS噪声模型对站速度及其不确定度的影响及其规律。论文提出了GPS坐标时间序列噪声模型不能由单一的噪声模型表述，坐标序列噪声模型呈现出多样性且存在区域性规律。试验结果指出，随着时间跨度的增加噪声模型、站速度及其不确定度逐步由发散趋于稳定，且随机游走噪声模型的比重有所增加，即当时间序列跨度较短时，尤其是随机游走振幅较小时，随机游走噪声被闪烁噪声等抑制不能准确的探测出来。最终确定了10年时间跨度为理想的噪声模型估计尺度。

Author：HE Xiaoxing (1986—), male, received his doctoral degree from Wuhan University in December 2016, majors in GNSS data processing and error theory.

E-mail：hexiaoxing@whu.edu.cn

Study on the Noise Model of GPS Coordinates Time Series

HE Xiaoxing

Department of Geomatics, East China Jiaotong University, Nanchang 330013, China

贺小星.GPS坐标序列噪声模型估计方法研究[J].测绘学报，2017,46(3)：398.

10.11947/j.AGCS.2017.20160549.

HE Xiaoxing.Study on the Noise Model of GPS Coordinates Time Series[J].Acta Geodaetica et Cartographica Sinica,2017,46(3):398.DOI:10.11947/j.AGCS.2017.20160549.

P228

D

1001-1595(2017)03-0398-01

国家杰出青年科学基金(41525014); 国家自然科学基金(41674005;41464001)

2016-12-16

贺小星(1986—)，男，2016年6月毕业于武汉大学，2016年12月获工学博士学位(指导教师：花向红教授，余科根教授) ，研究方向为GNSS精密数据处理。