GNSS基准站网数据处理与坐标时间序列分析

1.顾及非线性变化的速度模型建立

GNSS数据处理模型及策略的改进能够分离、探测和进一步研究其所有的非线性变化，例如测站的噪声、不连续及季节性变化、地心运动和负载影响等(刘焱雄等，2000，2005；王解先等，2005，2011；袁运斌等，2002；张小红等，2001，2010；朱建军等，2008，2011)。对于非线性变化的处理，有两种方法可供选择：①按照ITRS实现的思想，去除速度的各种非线性变化，提供测站精确的位置及线性速度信息。因为将所有周期项去除的ITRF更适合于研究与构造板块有关的长期形变(板块运动是造成测站长期线性变化趋势的最主要原因)。②对现有的位置及长期线性速度模型进行改进。因为包含除了噪声以外的全部形变信息的ITRF更加适合于检测特定的地球物理假说，用于研究区域震后张弛的粘弹性模型研究，长时间的垂直累计位移还可用于区域隆升模型的精化。

现有数据处理软件(如GAMIT，BERNESE，GIPSY)的观测模型已经考虑了固体潮、海潮、极潮改正。为了避免对其进行修改，并保持连贯性，将其余地球物理负载对测站位置的影响融入季节变化模型而非观测模型，作为线性ITRF模型的一阶季节改正，是更好的处理方法。也就是说，季节变化模型必须包括水文负荷、非潮汐海洋负荷、大气负荷以及冰后回弹的影响。将经验季节变化模型与地球物理模型相结合，把地球物理模型求得的负荷形变作为先验值，从而获得更加准确的季节性变化模型，从数值上定量解释测站的季节性变化，对ITRF速度的改进具有重要意义。不过在季节变化模型融入ITRF前还需要在处理策略及特定模型上达成共识。由此我们可以建立任意时刻t的测站速度模型，作为现有ITRF的改进，以实现真正动态的ITRF：

式中，f1(t)～f5(t)分别表示t时刻的长期趋势项(主要由板块运动引起的线性速度)、周期变化(地球物理效应引起的季节性变化)、其他的非线性变化(非年周期、半年周期变化)、异常变化(地震或者仪器变化等局部影响造成的不连续)以及地心运动；v代表噪声影响，纳入随机模型考虑。X(t)、X0及t0分别表示t时刻测站的位置、参考时刻位置及参考时刻，这样我们仅需要通过修改速度模型来更新基准，进而建立和维持参考框架。

2.不同非线性变化的处理

(1)测站的不连续性变化

不连续性指的是由于异常的地球物理现象，如地震或者仪器变化引起的测站位置时间序列的突变。对GNSS技术来说这种现象非常普遍。通过周围环境的变化以及检测并置站的时间序列可以发现该类型的不连续性变化。例如IGS的GPS永久跟踪站AREQ的坐标时间序列在2001年的第174天发生剧烈突变，其原因是由于秘鲁南部强震的影响。对时间序列进行分段，估计事件前后不同的测站位置及速度可以消除不连续性的影响。缺失的天线罩校正通常会引起虚假的时间序列不连续，从而影响地球参考框架(TRF)的长期稳定性(Steigenberger，et al.，2006)。建立绝对天线相位中心改正模型时获得的天线罩校正可以帮助减少测站坐标时间序列的不连续性，通过尽可能减少天线罩的使用，不再使用没有经过校正的天线罩(类型标记为DOME)可以避免此种不连续性的出现。

(2)噪声影响

由于各种随机因素的影响，IGS基准站位置时间序列不可避免地包括噪声。研究表明全球GPS测站噪声主要由近似遵循指数定律的高频白噪声＋闪烁噪声组成。由于测站遍布全球，所处的地理环境大不相同，其噪声影响可能存在差异。如前所述，应该在全球范围分析GPS测站的噪声频谱特征，采用极大似然估计确定最适合各区域的噪声模型，从而更加准确地分离噪声及真实信号。

(3)地球物理效应引起的季节性变化(www.xing528.com)

在闪烁噪声结合白噪声背景下，GNSS测站位置的时间序列还存在显著的季节性变化。通常认为造成季节性变化的影响源包括地球物理效应及与GPS技术相关的系统误差。Ray(2006)认为地球物理流体质量负载的再分布可以解释不到一半的季节性变化，残余的大部分变化可能由未识别的GPS技术误差及分析策略引起，然而Freymueller(Freymueller，2009)认为季节性变化主要由地球物理信号产生，而非与技术相关的噪声。因此，有必要对测站的季节性变化做进一步探讨和研究，确定各种影响源的量级及其对时间序列变化的贡献，准确地区分地球物理信号以及技术系统误差的影响。

大气压、非潮汐海洋压力以及大陆储水量的变化是引起GNSS谐波变化的主要因素。可以通过计算和比较不同地球物理源以及GNSS测站位置时间序列的频谱特征，提取时间序列里隐含的季节性地球物理信号，将经验季节性变化模型与地球物理模型相结合，建立准确的负载模型，作为ITRF线性速度的一阶改正。总的来说，地球物理效应对时间序列的贡献具有明显的地域性特征，应该在全球范围分析并确定适合于不同区域的地球物理模型。

(4)技术系统误差引起的季节性变化

与GPS技术相关的系统误差是造成测站季节性变化的另一个主要因素。为了更好地认识确定地球物理过程，我们必须准确地分离技术系统误差造成的虚假信号。学者发现的谐波周期1.04cpa(或者说周期为352天)不能用已知的地球物理源解释，大气压、非潮汐洋底压力或者陆地储水量引起的地球物理负载序列不存在该频率。同时并置站的VLBI以及SLR时间序列也不存在该频率谐波。考虑到该频率代表的350天异常周期与GPS星座重复周期接近，可初步判定该谐波是某种技术误差造成的结果。Hugentobler等(Hugentobler，et al.，2005)推测该现象可能与“GPS交点年(GPS draconitic year)”有联系，即GPS星座重复其相对于太阳的惯性定向之间的间隔。由于地球扁率的影响，GPS轨道交点在空间的漂移量大约为每年，一个GPS年相当于351.4天，或者说频率为1.039cpy。两种周期如此接近，其间可能存在某种联系，至少可能存在两种耦合机制：长期的GPS卫星轨道模型误差会直接引起测站位置的微小周期变化(在卫星动力学领域，太阳与卫星之间的相互作用十分重要，有效对其模型化十分困难)。其他的机制则包括相对于跟踪站的卫星星座的几何图形的重复性：星座重复的几何图形每天提前约246.8s，对于标准的24h采样率来说，大约350天重复一次；任何局部的与方向有关的观测误差，例如多路径效应，都具有350天的重复周期，天线或者天线罩的校正误差与近似，或者忽略近场散射都是引起该偏差的主要因素。也就是说，轨道以及与天线有关的机制都会影响IGS测站位置的时间序列。我们可以尝试通过分离轨道模型误差或者局部测站与几何形状有关的误差影响，进一步研究确定1.04cpa谐波的影响源，除非地球物理信号足够大，否则该频率谐波将覆盖地球物理源的影响。

除此以外，数据处理策略的不完善及变更，包括模型误差(如未模型化的对流层影响)、近场多路径效应会引起GPS测站位置的缓慢变形、日带及半日带潮汐频率段的未模型化分析误差同样会造成长期影响，使得测站位置时间序列产生虚假的近两星期、半年以及周年变化信号。天线相位中心改正模型，截止高度角，对流层模型的变化(包括新模型的使用以及分段线性估计时间间隔的变化)也都会引起测站坐标的偏移(姜卫平等，2009)。就天线相位中心改正而言，数据分析中常用的天线相位中心改正模型(PCV)不足以满足天线或者天线罩的变更需求。每一种天线具有唯一的PCV改正值，但是该全球模型不能正确描述PCV对于环境的依赖性。此外，对于某些未设置天线罩的天线，我们通常只能得到相对PCV改正模型。如果能够使用现场校正值，则可以降低这个问题的影响。

Ray(Ray，2006)研究表明许多IGS测站的高程变化与TEQC生成的各种数据质量矩阵有明显的相关性，例如伪距的MP1和MP2测量值通常能跟踪到高程方向的年周期变化，测站年周期信号的出现与消失和接收机模型的改变保持一致等。这种相关性表明IGS测站普遍存在近场相位多路径效应。由此说明了多数测站设计和安装天线架时的基本问题，因为这些因素可能会造成虚假信号，远远覆盖掉大尺度的地球物理负载信号。为了能进一步更准确地探测有效信号，在IGS基准网的建立过程中应该加强基础设施的升级，避免近场多路径误差源的影响。

(5)地心运动的影响

根据IERS协议，地球参考系的原点定义为包括海洋和大气在内的地球质心(Center of Mass，CM)。而基于空间大地测量技术建立的ITRF测量的是由固定在地壳上的台站确定的几何形状中心(Center of Figure，CF)。将地球作为一个系统，根据质量守恒定律，地球的质心(CM)是恒定不变的。然而由于地表水、大气、海洋和地幔对流等质量迁移的影响，台站确定的几何形状中心(CF)在不断变化。CF相对于CM的变化即为地心运动(Geocenter Motion)。为了得到定义地球参考系下的测站坐标，IERS协议规定ITRF应顾及地心运动的影响。我们可以选用两类基本方法估计地心变化：①动力学方法，通过估计重力场的一阶项实现；②几何法，通过估计相对于地心框架，如ITRF的三个平移参数实现。其中，第一种方法更为精确，因为几何法对网形和测站分布敏感。

与其他地球物理现象一样，地心运动同样存在长期性以及周期性、非周期性变化趋势(周旭华等，2000)。目前，IERS协议尚未给出确定的地心运动模型。从造成地心运动的根本原因入手，研究地心运动的理论模型或观测模型用于地球参考框架原点改正，对进一步提高空间大地测量精度，以及空间大地测量和地球物理研究都有一定的现实意义。