国家CORS基准站高程时间序列非线性时变研究

发布时间：2018-02-21 21:32

本文关键词： GPS高程时间序列有色噪声希尔伯特黄变换地表质量负载周期振荡非线性时变抗差谱估计瞬时频率　出处：《辽宁工程技术大学》2013年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：国内外GNSS连续运行参考站坐标时间序列分析表明,序列水平方向主要表现为线性运动,高程方向由于受多种地球物理因素的影响,既有线性运动,也包含了复杂的周期运动和非线性趋势。中国CORS基准站作为CGCS2000坐标系的框架网络,已有十余年的连续观测,其高程时间序列的非线性时变和噪声特性研究,是建立高精度的中国大陆高程速度场模型,维持中国地心坐标参考框架高程分量的现势性和动态性的基础。本文以维持中国CGCS2000坐标系的CORS基准站高程时间序列为研究对象。从GPS基准站原始数据的解算入手,利用抗差估计理论定位和剔除GPS高程时间序列中存在的粗差,并对序列的缺值点和缺值区间进行插补与均匀化,为序列时频特性与噪声分析提供干净的基础数据；采用传统的抗差谱估计方法,分析基准站包含的主周期运动特征；将自适应的时间序列时频分析技术引入GPS高程时间序列分析领域,识别序列的非线性趋势项,检测基准站包含的季节性和长周期振荡特征；并分离GPS高程时间序列包含的有色噪声。最后研究了基准站不同噪声模型下的高程运动与噪声特性,分析了地表质量负载对基准站高程分量的影响。采用最新的GAMIT/GLOBK(v10.35)软件和绝对天线相位中心模型,重新解算了中国34个CORS基准站从1999年至2010年的数据,获取了约11年的GPS坐标时间序列,为本文的研究提供了重要的数据来源。研究了抗差最小二乘估计和稳健估计粗差探测的IQR准则定位和剔除GPS高程时间序列中粗差的方法,结果表明抗差LS效果优于IQR准则。针对序列中粗差剔除后的缺值插补问题,提出了正交多项式最小二乘拟合的插补方法,试验结果表明,当连续缺值点仅有几个时与常用的三次样条插值效果相当,当连续缺值在6-10个以上时,三次样条插值效果扭曲,正交多项式最小二乘拟合方法在连续缺值不超过2个月时的拟合结果仍能保证序列的整体运动趋势。采用抗差谱估计方法,研究了中国CORS基准站高程时间序列的主要周期运动特征。结果表明,利用维纳辛钦定理的间接法功率谱估计效果优于周期图法和welch法,但传统频谱分析谱分辨率低和存在频谱泄露的问题,使估计的主周期中仅有第一主周期给出了正确可信的结果。将希尔伯特黄变换技术引入GPS高程时间序列信号分析领域。提出了GPS高程时间序列非线性趋势项的概念,结合方差贡献率等指标识别并分离序列的非线性趋势项。传统GPS高程时间序列分析时采用精确的年或半年周期的周期函数拟合模型,本文采用EMD和EEMD两种分解方法,检测GPS高程时间序列包含的周期振荡特征,发现GPS高程时间序列存在明显的近似季节性、年和双年周期运动特征,半周年项并不明显。IMF分量Hilbert变换后的频率并不是一个常数,而是存在着曲线变化,越靠近高频曲线变化越明显,靠近低频区的频率变化越平缓。提出了整体经验模式分解技术提取GPS高程时间序列有色噪声的方法。传统的策略是采用周期函数拟合的残差作为序列包含的有色噪声,实际上,GPS高程时间序列中并不存在精确的年或半年周期项,传统策略的拟合残差中不可避免的仍然存在着年周期信号等的影响,以此分析噪声特性的方法值得进一步的思考,本文提出了HHT分离的有色噪声与极大似然估计相结合的噪声特性估计新思路。论文最后采用传统分析策略估计了中国33个CORS基准站高程时间序列信号的噪声含量,考虑了白噪声、白噪声+功率谱噪声、白噪声+闪烁噪声+随机漫步噪声三种噪声模型下的基准站高程线性运动速率及其误差估计,定量分析了地表质量负载(大气负载、海洋非潮汐质量负载、土壤湿度和积雪深度)变化对基准站高程的影响。
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【学位授予单位】：辽宁工程技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：P228.4

【参考文献】