IGS站点坐标时间序列噪声特性与季节性变化分析

许 昌

浙江水利水电学院测绘与市政工程学院，浙江 杭州 310018

分析IGS站点坐标时间序列的噪声特性、季节性变化以及地表质量负载对各坐标分量的贡献，对IGS站点坐标数据的干扰改正、测站季节性运动物理机制的研究以及地固参考框架的稳定性维护具有重要的理论意义及实用价值。本文以IGS再分析中心JPL产出的单日解坐标序列产品为研究对象，对站点坐标时间序列的数据预处理方法，噪声特性分析，地表质量负载形变模拟，站点时变季节性变化提取以及站点坐标质量负载形变修正等方面进行了研究，主要内容和结论如下：

(1) 对站点坐标时间序列异常值的探测、阶跃修复及不等间隔采样数据处理等数据后处理方法进行了研究。分析表明，阶跃及非等间隔采样数据处理对站点模型参数估计具有重要影响，基于白噪声模型的LSF估计可以估计阶跃值并进行预修复。

(2) 引入重叠Hadamard方差(OHVAR)，分析了全球50个IGS站点约10年以上的坐标时间序列。该方法可以快速探测GPS坐标时间序列中的主要幂律噪声及其时空特征，但无法有效探测长时间相关性噪声(如RW)。

(3) 研究了基于不同噪声组合MLE值显著性的站点最优噪声模型探测方法。结果表明，FL+WH(或PL+WH)可以用于描述全球大部分IGS站点的噪声特性，但部分站点存在一定的RW，需顾及不同噪声模型对站点参数估计的影响。采用不同组合时段的观测数据对站点噪声分量的时空特征进行分析，排除了观测数据长度差异是造成闪烁噪声(FL)纬度依赖性不明显的原因。

(4) 分析了非潮汐大气负载(NCEP-NATML，ERAin-NATML)、非潮汐海洋负载(ECCO-NTOL)及陆地水负载(QOCA-CWSL，LSDM-HYDL)所引起的站点形变，证实了这些负载形变之间存在一定相关性，其存在自回归(AR)过程的有色噪声。

(5) 研究了基于蒙特卡洛奇异谱分析(MCSSA)的站点坐标时变季节振荡信号提取方法。论证了AR(1)噪声进行站点周年振荡信号显著性检验存在不稳定性。通过比较噪声MLE估计值，证实了SSA提取的时变周年振荡信号会吸收有色噪声。

(6) 以PL为原假设背景噪声，对站点坐标时间序列以及质量负载形变的周期振荡信号进行了显著性检验，发现1cpy周年振荡信号相对于其他高频信号具有更显著的物理意义。

(7) 针对站点坐标周年项的时变相位，提出了小波交叉谱(XWT)的相位相似性指标，其平均相位结果与LSF提取的固定相位基本相当。该方法可以从时频域上反映坐标时间序列与质量负载周年之间的相互关系。

(8) 研究了地表质量负载对站点各坐标分量的贡献。结果表明，站点坐标时间序列周年振荡信号中不仅包含物理效应，还存在其他不确定因素的影响。探讨了河流、湖泊等水体质量负载对于IGS站点垂向季节运动的影响。从加权均方根(WRMS)、站点相关性及噪声分量变化等方面探讨了地表质量负载用于站点坐标时间序列修正的可行性。