GPS坐标时间序列中未模型化误差和环境负载的影响研究

邓连生

湖北理工学院光谷北斗国际学院，湖北 黄石 435003

GPS坐标时间序列广泛应用于参考框架建立与维持、地壳形变监测、冰后回弹等高精度大地测量和地球动力学研究领域。几乎所有的GPS坐标时间序列都呈现显著的非线性变化特征(尤其是高程方向)，主要表现为幂律噪声背景下显著的周年、半周年周期特征。造成GPS坐标时间序列非线性变化的主要因素有：内部与GPS技术相关的未模型化误差及外部造成地表质量迁移的环境负载效应(主要是大气，水文，非潮汐海洋负载)。深入理解二者导致的GPS坐标时间序列变化，对于提高GPS坐标时间序列的信噪比，以及更合理地解释测站所反映的实际运动、提升GPS观测成果应用价值有着重要的实际意义，相关研究成果可以为建立毫米级地球参考框架这一大地测量学的新任务提供基础，有助于更好地将大地测量成果推广应用于冰盖融化、海平面上升等全球性、大尺度范围内的地球动力学现象的研究，具有重要的理论意义和实用价值。本文围绕GPS坐标时间序列非线性变化的成因，深入研究了GPS数据处理未模型化误差、环境负载效应等对GPS坐标时间序列非线性变化的影响。本文的主要研究内容如下：

(1) 定量计算了高阶项电离层延迟(HOI)改正对全球IGS基准站坐标时间序列周期特征和噪声特征的影响。经HOI改正后，基准站的噪声类型未有显著变化，但噪声振幅有所降低，尤其是白噪声振幅降低最为明显。82%的基准站U方向上白噪声振幅降低，68%的基准站N方向闪烁噪声振幅降低。HOI延迟能够解释基准站部分周期变化特征，改正后分别有超过57%和66%的基准站周年和半周年振幅降低。

(2) 系统分析了HOI改正对中国地壳运动观测网络(CMONOC)基准站的影响，发现高阶项电离层延迟是造成CMONOC基准站半周年变化(尤其是北向和垂直方向的半周年振幅)的主要因素；并且通过研究环境负载造成的地表质量迁移改正，探讨了GPS未模型化误差和地球物理效应的耦合关系，明确了两者之间的相互作用对于合理解释区域GPS坐标时间序列变化的重要性。

(3) 提出了参考框架定义方式对研究区域基准站坐标时间序列非线性变化的准则。通过分析全球参考框架和区域参考框架对区域基准站坐标时间序列非线性变化的影响，发现了由于基准定义所引入的误差会造成坐标时间序列中未模型化误差信号的淹没；因此，建议分析GPS未模型化误差对区域网的影响时，使用区域参考框架定义基准。

(4) 深入分析了全球IGS基准站的非线性变化特征，联合GRACE时变重力场模型和GGFC环境负载模型，分析了环境负载位移序列对GPS高程坐标时间序列的修正效果。结果表明，利用GRACE和GGFC反演的地表质量迁移序列修正GPS序列后，分别能使得80.1%和73.7%的全球IGS基准站高程坐标时间序列的WRMS降低，修正后的时间序列的WRMS分别减小11.8%、5.6%。整体而言，GRACE反演的位移序列对GPS高程坐标时间序列的修正效果优于GGFC的结果。

(5) 利用一阶形变法基于最新的IGS解反演了地心运动，估计了截断阶数和平移参数对地心估计的影响。截断阶数为1～10阶时，地心X、Y、Z3个方向与SLR序列的相关系数平均值为0.49、0.48、0.58。截断阶数为5阶时，地心运动的振幅和相位与SLR结果最为接近。同时，平移参数的估计会导致相关系数有着不同程度的降低。且随着截断阶数的增加，3个方向上与SLR结果的相关性减弱，尤其是X、Z方向的相关性降低最为明显。