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武汉大学学报（信息科学版） 2011年第7期36卷 825-829页

作者：殷海涛甘卫军熊永良肖根如中国地震局地质研究所地震动力学国家重点实验室北京市德胜门外祁家豁子100029 山东省地震局济南市文化东路20号250014 西南交通大学测量工程系成都市二环路北一段11号610031

利用主成分分析法(PCA)对高频GPS时间序列进行空间滤波,并结合Karhunen-Loeve展开法(KLE)对其结果进行判定,可有效地提取共模误差,提高单历元定位精度。通过对四川GPS连续观测网的计算分析表明,PCA方法可较好地减弱区域共模误差,并能准... 详细信息

利用主成分分析法(PCA)对高频GPS时间序列进行空间滤波,并结合Karhunen-Loeve展开法(KLE)对其结果进行判定,可有效地提取共模误差,提高单历元定位精度。通过对四川GPS连续观测网的计算分析表明,PCA方法可较好地减弱区域共模误差,并能准确地反映共模误差的空间分布,且精度优于传统的堆栈法,这对高频GPS技术的应用和发展具有重要意义。

关键词：高频GPS PCA/KLE空间滤波堆栈法共模误差

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华北地区GPS连续站坐标序列特征研究

华北地区GPS连续站坐标序列特征研究

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作者：吴伟伟中国地震局地震预测研究所

学位级别：硕士

随着华北地区GPS连续观测站的不断增加ˋ目前华北地区逐渐积累了大量的GPS观测数据ˋ使得利用GPS监测华北地区地壳形变特征成为可能本文收集了华北地区及周边44个GPS连续观测站从2008年8月至2013年4月的观测数据ˋ并结合中国大陆及周边... 详细信息

随着华北地区GPS连续观测站的不断增加ˋ目前华北地区逐渐积累了大量的GPS观测数据ˋ使得利用GPS监测华北地区地壳形变特征成为可能本文收集了华北地区及周边44个GPS连续观测站从2008年8月至2013年4月的观测数据ˋ并结合中国大陆及周边地区10个IGS连续站观测数据ˋ利用Bernese GPS数据解算软件进行坐标单日解解算ˋ并组成GPS坐标时间序列计算并分析了华北地区GPS测站观测的日本东北地震同震位移ˋ结果表明ˋ日本东北地震对华北地区GPS测站产生了1～17mm不等的东西向同震位移以及较小的南北向同震位移基于华北地区37个GPS测站的坐标时间序列ˋ本文通过反复迭代进行突跳项甄选和粗差探测来不断优化拟合函数模型ˋ并基于简单的白噪声随机模型ˋ拟合并分析了华北地区37个GPS测站的速度年周期信号和半年周期信号拟合速度结果表明ˋ华北地区GPS测站水平速度场差异性较小ˋ首都圈南部地区由于地下水大量流失等原因导致15～22mm/a左右的垂向下沉速度ˋ其他地区的垂向速度均不显著拟合周期信号结果表明ˋ华北地区GPS测站存在显著但振幅较小的年周期和半年周期运动ˋ除少数测站外ˋ大部分测站南北向年周期振幅约为0.5～2mmˋ在2～4月达到最大ˋ东西向年周期振幅约为1～3mmˋ在5～7月达到最大ˋ垂向年周期振幅则达到2～7mmˋ在6～8月达到最大水平向半年周期振幅小于1mmˋ垂向半年周期振幅约为0.5～2mm基于GPS测站坐标拟合残差时间序列ˋ由测站自相关函数证明了残差中存在具有空间相关性的共模误差ˋ并利用堆栈法和主成分分析法分别进行共模误差分析研究表明堆栈法提取的共模误差的均方根为：南北向0.93mm东西向0.79mm和垂向3.19mm主成分分析得到的第一主成分对残差的总贡献率为：南北向60%东西向65%和垂向55%左右ˋ第一主成分对应的空间特征向量具有空间站点一致性响应的特点ˋ符合共模误差的特性ˋ其均方根的均值达到南北向0.84mm东西向0.95～0.97mm以及垂向3.10～3.22mm因此ˋ对于华北地区37个区域GPS测站ˋ堆栈法和主成分分析法具有等价的共模误差的剔除效果ˋ都能够显著地消除GPS网中的空间相关性ˋ将GPS坐标时间序列拟合残差均方根和拟合速度不确定度降低40%左右逐个分析37个GPS测站坐标时间序列中的噪声特征ˋ本文利用时间序列自相关系数和功率谱估计定性说明了时间序列中存在具有时域相关的有色噪声ˋ并利用功率谱估计和极大似然估计方法定量分析坐标时间序列中的噪声特征功率谱估计粗略地计算了有色噪声的功率谱指数ˋ结果表明所有残差坐标时间序列的功率谱指数处于(-1,0)区间内ˋ具有分形高斯噪声的特征ˋ共模误差的功率谱指数接近-1极大似然估计的噪声估计结果表明：共模误差滤除前的坐标时间序列以FN+VW组合为最优噪声模型ˋ共模误差的主要成分为闪烁噪声ˋ通过共模误差滤除ˋ时间序列中的总噪声水平降低60%左右ˋ其中闪烁误差成分降低了70%左右ˋ白噪声成分降低了20%左右ˋ并同时凸显了其他有色噪声如随机漫步噪声的成分ˋ导致共模误差剔除后坐标时间序列的最佳噪声模型变成RW+VW或FN+RW+VW极大似然估计的参数估计结果表明：不考虑时间序列中的有色噪声会导致拟合速度精度的严重高估ˋ顾及有色噪声的影响ˋGPS测站拟合速度变化不大ˋ但是拟合速度不确定度将扩大2～8倍ˋ达到水平向0.3mm/a以及垂向的1mm/a左右基于华北地区已有的近600个GPS连续站和流动站水平速度场ˋ本文选择150km高斯平滑半径ˋ利用高斯距离加权法计算了华北地区五组地壳应变率相关物理量——主应变率最大剪切应变率第一剪切应变率第二剪切应变率以及面膨胀率结合地质构造知识分析可知ˋ首都圈地区地壳以张-渤带上的左旋剪切形变为主ˋ其中唐山-秦皇岛地区同时存在南北向的拉张变形山西地堑带表现为沿断裂的右旋剪切变形ˋ同时兼具南挤北张的特性郯庐断裂带整体形变特征不显著ˋ只在南北两端局部区域存在较小的剪切形变鄂尔多斯块体内部比较稳定ˋ北缘以拉张和左旋剪切变形为主ˋ西缘呈现为左旋剪切以及东西向的挤压特征ˋ南缘的秦岭块体南北两侧分别具有左旋剪切和右旋剪切的特性ˋ东西两侧分别表现为正断拉张与逆断挤压特征

关键词： Bernese软件 GPS坐标时间序列分析共模误差堆栈法主成分分分析噪声分析极大似然估计 GPS拟合速度场应变率

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