環境負載對香港地區GNSS站非線性運動及噪聲特性的影響

李豐翔

(山東省國土測繪院, 山東 濟南, 250013)

0 引言

全球導航衛星系統(global navigation satellite system, GNSS)在大地測量、海洋學、氣候變化等領域有著廣泛應用,為相關基礎研究提供了豐富的數據。GNSS臺站有著明顯的年周期變化,包括非潮汐海洋負載、大氣負載、水文負載在內的環境負載是造成測站非線性變化的主要因素。環境負載造成地面非線性變化的量級不容忽視,利用現代大地測量手段可以精確測量環境負載引起的地面運動,同時,這些非線性變化也會對GNSS的觀測精度造成不良影響。因此,研究環境負載對GNSS坐標時間序列的影響并對其進行改正是提高GNSS觀測精度的重要手段之一。

國內外學者對大氣、海洋、陸地水等對GNSS臺站坐標時間序列的影響做了大量研究。姜衛平等利用全球地球物理流體中心提供的質量負荷模型推導出的環境負載變化校正了233個全球分布的GNSS點位,結果表明,64%站均方根誤差(root mean square, RMS)值出現下降,但質量荷載位移與GNSS觀測結果不一致的原因未做詳細討論。通過研究大氣負荷、非潮汐海洋負荷以及水文負荷等因素影響,發現這些因素可以解釋部分的測站垂直方向的年周期變化。目前環境負載主要是通過環境負載模型進行改正,通過不同方法獲得的環境模型對于全球坐標時間序列的改正效果不同。

本文的主要目的是利用香港地區2013—2019年的GNSS數據,研究環境負載對GNSS測站非線性運動的影響,同時利用極大似然估計研究環境負載改正前后坐標時間序列噪聲的變化特性。

1 研究區域和數據資料

香港位于低緯沿海地區, 瀕臨中國南海。本文選取了香港6個GNSS站的6年(2010—2019年)的觀測數據作為實驗數據，6個測站分別為石碑山站(HKOH)、錦田站(HKKT)、沙田站(HKST)、昂坪站(HKNP)、梅窩站(HKMW)，昂船洲站(HKSC)，GNSS數據由海岸水位觀測系統網站(Système d’Observationdu Niveau des Eaux Littorales, SONEL)網站(http://www.sonel.org)提供，本文利用Bernese的動態精密單點定位(precise point positioning, PPP)模塊對數據進行動態解算，并得到小時解。

實驗數據跨度6年,數據采樣率為30 s。數據使用Bernese軟件進行解算,解算策略如表1所示,

表1 GNSS數據解算策略

環境負載主要包括大氣負載、水文負載和非潮汐海洋負載。大氣負載數據和非潮汐海洋負載數據是由全球地球物理流體中心(http://loading.u-strasbg.fr/ITRF/)提供,大氣負載數據時間間隔為3 h,格網大小為0.25°×0.25°;非潮汐海洋負載數據的時間分辨率為12 h,空間分辨率為1°。水文負載由德國地學中心(http://rz-vm115.gfz-potsdam.de:8080/repository)提供,時間間隔為24 h,格網大小為0.5°×0.5°。

2 實驗結果和討論

2.1 環境負載對坐標時間序列非線性變化的影響

為了研究GNSS坐標時間序列非線性運動的機制并提高坐標時間序列的精度,本文分析了環境負載對測站非線性位移的影響。

圖1是本文所使用的測站的PPP位移序列和環境負載位移序列,從圖中可以看出,PPP序列在每個方向都有著很明顯的周年信號,而環境負載位移序列在北(north,N)方向和垂直(up,U)方向有著很明顯的周年信號,且與PPP位移序列符合度較好;東(east,E)方向的環境負載位移序列的量級較小,年周期信號較另外兩個方向不明顯。這說明環境負載位移可以解釋部分的測站非線性位移現象。

圖1 各測站相對坐標時間序列(灰色)和環境負載時間序列(黑色)

為了分析環境負載位移對測站非線性位移的貢獻,本文根據式(1)計算了每個測站的各個方向環境負載位移的貢獻C(Contribution),如表2所示。

表2 環境負載位移對測站非線性位移的貢獻 單位：%

(1)

A

A

由表2可知,各個測站E方向環境負載的貢獻普遍較小,平均貢獻率為25%。N方向和U方向環境負載貢獻率的均值分別為39%和42%。換言之,通過環境負載改正后,坐標時間序列N、E和U三個方向的非線性位移會分別降低39%、25%和42%。

2.2 環境負載對坐標時間序列噪聲的影響

連續GNSS觀測站受到多種噪聲的影響,其坐標時間序列中存在白噪聲(white noise,WN)、非整數譜指數冪律噪聲(power law noise,PL)、隨機游走噪聲(random walk noise,RWN)和閃爍噪聲(flicker noise,FN)等。本文對環境負載進行了改正,并對改正前后的坐標時間序列運用極大似然估計方法進行研究,分析了測站的最佳噪聲模型,對各噪聲分量進行了定量分析。研究結果如表3所示。

表3 環境負載改正前后坐標時間序列噪聲特性分析

由表3可得,進行環境負載之后,多數測站的最佳噪聲模型未發生改變,僅有HKMW測站的U方向和HKSC測站的E方向的最佳噪聲模型由WN/FN變為了WN/RWN。白噪聲的改善并不明顯,有色噪聲(主要是閃爍噪聲)改善幅度較大,平均改善25.01%。這也說明了環境負載位移序列主要受閃爍噪聲的影響。通過以上分析表明,進行環境負載改正后,坐標時間序列的噪聲明顯降低,坐標時間序列的精度得到明顯提高。

3 結束語

利用香港地區6個GNSS站的6年的觀測數據,研究了環境負載因素對GNSS站非線性運動和噪聲特性的影響。通過研究環境負載對時間序列非線性運動的貢獻得知,各個測站E方向、N方向和U方向環境負載分別能夠解釋25%、39%和42%的測站非線性運動。對進行過環境負載之后的時間序列進行噪聲特性分析發現,進行環境負載之后,多數測站的最佳噪聲模型未發生改變,僅有HKMW測站的U方向和HKSC測站的E方向的最佳噪聲模型由WN/FN變為了WN/RWN。白噪聲的改善并不明顯,有色噪聲(主要是閃爍噪聲)改善幅度較大,平均改善25.01%。這也說明了環境負載位移序列主要受閃爍噪聲的影響。