Gps坐標時間序列環(huán)境負載修正方法及系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種GPS坐標時間序列環(huán)境負載修正方法及系統(tǒng)，包括步驟：步驟1，獲取IGS基準站的觀測數(shù)據(jù)，采用最優(yōu)數(shù)據(jù)處理模型處理觀測數(shù)據(jù)獲得各IGS基準站對應的基線單天解；步驟2，根據(jù)地球彈性形變理論，在CM框架下獲得各IGS基準站的環(huán)境負載位移時間序列；步驟3，采用IGS基準站環(huán)境負載位移時間序列修正基線單天解的基準站坐標；步驟4，采用卡爾曼濾波法對修正后的基線單天解進行聯(lián)合平差，獲得IGS基準站速度和坐標時間序列。本發(fā)明可獲得更能反映基準站真實運行的GPS坐標時間序列，有助于獲得更可靠的基準測站位置和速度。
【專利說明】GPS坐標時間序列環(huán)境負載修正方法及系統(tǒng)

【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于衛(wèi)星導航定位與應用【技術領域】，尤其涉及一種GPS坐標時間序列環(huán)境負載修正方法及系統(tǒng)。

【背景技術】
[0002]GPS坐標時間序列不僅可反映基準站的線性變化，也可以反映出基準站存在著非線性變化。許多研究成果已證實了環(huán)境負載造成的地表位移與GPS基準站非線性變化的強相關性(van Dam and Herring, 1994 ；van Dam et al., 1994 ；van Dam et al., 1997 ；Zerbini et al.,2001 ；van Dam et al.,2001 ；Scherneck et al.,2003 ；Schuh et al.,2004 ；Petrov and Boy,2004 ；Tregoning et al.,2009 ；van Dam et al.,2010 ；Tesmer etal., 2011 ；Lavall' ee et al, 2010 ；Jiang et al.，2013)。研究 GPS 坐標時間序列的環(huán)境負載修正不但可以獲得基準站準確的位置和速度，有助于解釋板塊構造運動，建立和維持動態(tài)地球參考框架，而且還能更好地研究冰后回彈及海平面變化，反演冰雪質量變遷等地球動力學過程，具有重要的理論意義及應用價值。
[0003]迄今為止,GPS坐標時間序列的環(huán)境負載修正通常在地球形心(center of figure,CF)框架下進行(Collilieux et al.,2010 ；Collilieux et al., 2012),也就是說,基準轉換前的基準站坐標時間序列包含環(huán)境負載造成的位移。研究表明，環(huán)境負載造成的基準站位移主要表現(xiàn)為周年特征(Ray et al.，2008)。Freymueller (2009)發(fā)現(xiàn)，基準轉換時忽略框架點的周期性變化會導致轉換參數(shù)的扭曲，并滲透至所有基準站的坐標時間序列造成錯誤的運動趨勢。因此，CF框架下用于實施環(huán)境負載修正的GPS坐標時間序列可能并不能代表基準站的真實運動，由此獲得的環(huán)境負載修正效果同樣可能不準確。為了獲得更能代表基準站真實運動的坐標時間序列，研究基準轉換前，即CM框架下的環(huán)境負載修正方法具有重要的理論意義。


【發(fā)明內容】

[0004]針對現(xiàn)有基于CF框架的GPS坐標時間序列環(huán)境負載修正存在的不足，本發(fā)明提供了一種基于CM框架的GPS坐標時間序列環(huán)境負載修正方法及系統(tǒng)，可獲得更能代表基準站真實運動的坐標時間序列。
[0005]為解決上述技術問題，本發(fā)明采用如下的技術方案:
[0006]一、GPS坐標時間序列環(huán)境負載修正方法，包括步驟:
[0007]步驟1，獲取IGS基準站的觀測數(shù)據(jù)，采用基于GPS地球參考框架的最優(yōu)數(shù)據(jù)處理模型處理觀測數(shù)據(jù)獲得各IGS基準站對應的基線單天解，所述的最優(yōu)數(shù)據(jù)處理模型在傳統(tǒng)數(shù)據(jù)處理模型基礎上增加了大氣潮汐、高階電離層及次分量海洋潮汐的影響；
[0008]步驟2，根據(jù)地球彈性形變理論，在CM框架下獲得各IGS基準站的環(huán)境負載位移時間序列，所述的環(huán)境負載位移時間序列包括地表大氣壓、大陸儲水量及洋底壓力造成的負載位移時間序列；
[0009]步驟3，采用步驟2獲得的IGS基準站環(huán)境負載位移時間序列修正基線單天解的基準站坐標，從而獲得修正后的基線單天解；
[0010]步驟4，采用卡爾曼濾波法對修正后的基線單天解進行聯(lián)合平差，獲得IGS基準站速度和坐標時間序列。
[0011]上述最優(yōu)數(shù)據(jù)處理模型基于GAMIT軟件工具實現(xiàn)。
[0012]步驟2具體為:
[0013]采用法雷爾格林函數(shù)和全球環(huán)境負載模型做卷積，獲得CM框架下地表大氣壓、大陸儲水量及洋底壓力造成的IGS基準站負載位移時間序列。
[0014]上述卡爾曼濾波法基于GLOBK軟件工具實現(xiàn)。
[0015]步驟3進一步包括子步驟:
[0016]3.1對IGS基準站的環(huán)境負載位移時間序列進行重采樣使其與IGS基準站對應的基線單天解具有相同的時間分辨率；
[0017]3.2采用GLOBK軟件中的rename命令格式將重采樣的環(huán)境負載位移時間序列轉換成GLOBK軟件能讀取的地震文件eqjile ；
[0018]3.3采用GLOBK軟件中的rename命令對IGS基準站坐標進行環(huán)境負載位移修正，獲得修正后的基線單天解。
[0019]步驟4進一步包括子步驟:
[0020]4.1組合選取的所有基準站的地震文件eq_file生成組合地震文件combine, eq文件；
[0021 ] 4.2采用GLOBK軟件工具對組合地震文件進行聯(lián)合平差，獲得IGS基準站速度和坐標時間序列。
[0022]子步驟4.1具體為:
[0023]根據(jù)步驟3.2獲得的各基準站地震文件eqjile，結合GLOBK軟件工具提供的包括基準站重命名信息的地震文件IGS08_disk.eq，判斷基準站重命名時段內基準站名是否變化，無變化，則直接將反映基準站位移信息的地震文件eq_file存入組合地震文件combine,eq ;若有變化，則重置地震文件eq_file，更改基準站名，然后將反映該更改后基準站位移信息的地震文件eq_file存入組合combine, eq文件。
[0024]二、GPS坐標時間序列環(huán)境負載修正系統(tǒng)，包括:
[0025]基線單天解獲取模塊，用來獲取IGS基準站的觀測數(shù)據(jù)，采用基于GPS地球參考框架的最優(yōu)數(shù)據(jù)處理模型處理觀測數(shù)據(jù)獲得各IGS基準站對應的基線單天解，所述的最優(yōu)數(shù)據(jù)處理模型在傳統(tǒng)數(shù)據(jù)處理模型基礎上增加了大氣潮汐、高階電離層及次分量海洋潮汐的影響；
[0026]環(huán)境負載位移時間序列獲得模塊，用來根據(jù)地球彈性形變理論，在CM框架下獲得各IGS基準站的環(huán)境負載位移時間序列，所述的環(huán)境負載位移時間序列包括地表大氣壓、大陸儲水量及洋底壓力造成的負載位移時間序列；
[0027]環(huán)境負載位移修正模塊，用來基于卡爾曼濾波法，采用IGS基準站環(huán)境負載位移時間序列修正基線單天解的基準站坐標，從而獲得修正后的基線單天解；
[0028]聯(lián)合平差模塊，采用卡爾曼濾波法對修正后的基線單天解進行聯(lián)合平差，獲得IGS基準站速度和坐標時間序列。
[0029]目前為止，GPS坐標時間序列環(huán)境負載修正通常在CF框架下進行，CF框架下GPS坐標時間序列包括基準轉換時框架點周期性變化造成的框架畸變影響，其本身并不能代表基準站真實運動，由此獲得的環(huán)境負載修正效果可能不準確。
[0030]本發(fā)明是基于CM框架的GPS坐標時間序列環(huán)境負載修正方法，可削弱框架點周期性變化造成的框架畸變，獲得更能反映基準站真實運行的GPS坐標時間序列，有助于獲得更可靠的基準測站位置和速度，可應用于地球參考框架的建立與維持、冰后回彈及海平面變化等地球動力學研究。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0031]圖1為本發(fā)明方法的具體流程圖；
[0032]圖2為實施例選取的109個IGS基準站分布圖；
[0033]圖3為環(huán)境負載修正前和環(huán)境負載修正后獲得的IGS基準站水平速度場圖，其中，圖(a)為環(huán)境負載修正前獲得的IGS基準站水平速度場圖，圖(b)為環(huán)境負載修正后獲得的IGS基準站水平速度場圖；
[0034]圖4為環(huán)境負載修正前和環(huán)境負載修正后獲得的IGS基準站垂直速度場圖，其中，圖(a)為環(huán)境負載修正前獲得的IGS基準站垂直速度場圖，圖(b)為環(huán)境負載修正后獲得的IGS基準站垂直速度場圖；
[0035]圖5為本發(fā)明環(huán)境負載修正造成的IGS基準站垂直、水平東及水平北方向的速度變化圖，圖(a)為環(huán)境負載修正造成的IGS基準站垂直方向的速度變化圖，圖(b)為環(huán)境負載修正造成的IGS基準站水平東方向的速度變化圖，圖(c)為環(huán)境負載修正造成的IGS基準站水平北方向的速度變化圖；
[0036]圖6為本發(fā)明環(huán)境負載修正造成的IGS基準站垂直、水平東及水平北方向速度的不確定度變化圖，圖(a)為環(huán)境負載修正造成的IGS基準站垂直方向的速度不確定度變化圖，圖(b)為環(huán)境負載修正造成的IGS基準站水平東方向的速度不確定度變化圖，圖(c)為環(huán)境負載修正造成的IGS基準站水平北方向的速度不確定度變化圖；
[0037]圖7為環(huán)境負載修正造成的IGS基準站的坐標時間序列加權均方根(WeightedRoot Mean Square,WRMS)變化，其中，圖(a)為環(huán)境負載修正造成的IGS基準站垂直方向的坐標時間序列WRMS變化，圖(b)為環(huán)境負載修正造成的IGS基準站水平東方向的坐標時間序列WRMS變化，圖(c)為環(huán)境負載修正造成的IGS基準站水平北方向的坐標時間序列WRMS變化；
[0038]圖8為CF框架下和CM框架下的環(huán)境負載修正后獲得的坐標時間序列WRMS變化，其中，圖(a)為IGS基準站垂直方向的坐標時間序列WRMS變化，圖(b)為IGS基準站水平東方向的坐標時間序列WRMS變化，圖(c)為IGS基準站水平北方向的坐標時間序列WRMS變化。

【具體實施方式】
[0039]下面將結合附圖和【具體實施方式】進一步說明本發(fā)明的技術方案。
[0040]下面將結合附圖和【具體實施方式】進一步說明本發(fā)明的技術方案。
[0041]見圖1，本發(fā)明GPS坐標時間序列環(huán)境負載修正方法的具體步驟如下:
[0042]步驟1，獲取IGS基準站的觀測數(shù)據(jù)，基于最優(yōu)數(shù)據(jù)處理模型處理觀測數(shù)據(jù)獲得IGS基準站對應的基線單天解。
[0043]本發(fā)明采用的最優(yōu)數(shù)據(jù)處理模型在傳統(tǒng)數(shù)據(jù)處理模型基礎上，考慮了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)處理模型忽視的大氣潮汐、高階電離層及次分量海洋潮汐的影響，以削弱傳統(tǒng)數(shù)據(jù)處理模型不完善造成的IGS基準站虛假位移對環(huán)境負載信號的“淹沒”效應；基于最優(yōu)數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)模型，采用高精度GPS數(shù)據(jù)處理軟件GAMIT/GL0BK處理觀測數(shù)據(jù)，獲得24小時松弛的基線單天解。
[0044]上述基線單天解定義為:將一天作為一個時段解算同步觀測IGS基準站數(shù)據(jù)獲得的基線解。
[0045]針對目前的GPS地球參考框架ITRF2008而言，其存在以下不足:
[0046](a)未將大氣潮汐納入基準站運動模型。
[0047](b)除美國噴氣推進實驗室考慮了二階電離層延遲，德國地球科學研究所計算了2階和3階電離層延遲影響外，各分析中心均未考慮高階電離層延遲改正。
[0048](c)計算海潮改正時僅考慮11個主潮汐分量造成的地表位移，且各分析中心采用的海潮模型不統(tǒng)一。
[0049](d)除麻省理工學院外，其余分析中心均未實施海洋極潮改正。海洋極潮造成的地表形變徑向約1.8mm、水平方向約0.5mm,甚至更大,對于毫米級參考框架的建立可能產(chǎn)生影響。
[0050](e)各分析中心處理對流層延遲的方式各不相同，且沒有統(tǒng)一的標準，與IERS協(xié)議2010推薦模型存在分歧。
[0051]為解決上述不足，本發(fā)明提出了一種最優(yōu)數(shù)據(jù)處理模型，基于國際地球自轉與參考系統(tǒng)服務(IERS)協(xié)議2010構建，具體實施時通過設置GAMIT/GL0BK軟件參數(shù)，并針對部分模塊進行修改實現(xiàn)，其形式見表I所示。
[0052]步驟2，獲取地表大氣壓、大陸儲水量及洋底壓力造成的基準站負載位移時間序列，即基準站的環(huán)境負載位移時間序列。
[0053]根據(jù)地球彈性形變理論,采用法雷爾格林函數(shù)(Farrell，s Green’s Funct1napproach)和全球環(huán)境負載模型做卷積,計算地表大氣壓、大陸儲水量及洋底壓力造成的負載位移，從而獲得質心(center of mass, CM)框架下給定基準站的負載位移時間序列。計算地表大氣壓造成的負載位移時考慮地形影響，并假設海洋對大氣的反氣壓效應。上述全球環(huán)境負載模型包括地表大氣壓模型、大陸水儲量模型及海底壓力模型。
[0054]表I最優(yōu)數(shù)據(jù)處理模型
[0055]

【權利要求】
1.GPS坐標時間序列環(huán)境負載修正方法，其特征在于，包括: 步驟1，獲取IGS基準站的觀測數(shù)據(jù)，采用基于GPS地球參考框架的最優(yōu)數(shù)據(jù)處理模型處理觀測數(shù)據(jù)獲得各IGS基準站對應的基線單天解，所述的最優(yōu)數(shù)據(jù)處理模型在傳統(tǒng)數(shù)據(jù)處理模型基礎上增加了大氣潮汐、高階電離層及次分量海洋潮汐的影響； 步驟2，根據(jù)地球彈性形變理論，在CM框架下獲得各IGS基準站的環(huán)境負載位移時間序列，所述的環(huán)境負載位移時間序列包括地表大氣壓、大陸儲水量及洋底壓力造成的負載位移時間序列； 步驟3，采用步驟2獲得的IGS基準站環(huán)境負載位移時間序列修正基線單天解的基準站坐標，從而獲得修正后的基線單天解； 步驟4，采用卡爾曼濾波法對修正后的基線單天解進行聯(lián)合平差，獲得IGS基準站速度和坐標時間序列。
2.如權利要求1所述的GPS坐標時間序列環(huán)境負載修正方法，其特征在于: 所述的最優(yōu)數(shù)據(jù)處理模型基于GAMIT軟件工具實現(xiàn)。
3.如權利要求1所述的GPS坐標時間序列環(huán)境負載修正方法，其特征在于: 步驟2具體為: 采用法雷爾格林函數(shù)和全球環(huán)境負載模型做卷積，獲得CM框架下地表大氣壓、大陸儲水量及洋底壓力造成的IGS基準站負載位移時間序列。
4.如權利要求1所述的GPS坐標時間序列環(huán)境負載修正方法，其特征在于: 所述的卡爾曼濾波法基于GLOBK軟件工具實現(xiàn)。
5.如權利要求1所述的GPS坐標時間序列環(huán)境負載修正方法，其特征在于: 步驟3進一步包括子步驟: 3.1對IGS基準站的環(huán)境負載位移時間序列進行重采樣使其與IGS基準站對應的基線單天解具有相同的時間分辨率； 3.2采用GLOBK軟件中的rename命令格式將重采樣的環(huán)境負載位移時間序列轉換成GLOBK軟件能讀取的地震文件eqjile ； 3.3采用GLOBK軟件中的rename命令修對IGS基準站坐標進行環(huán)境負載位移修正，獲得修正后的基線單天解。
6.如權利要求1所述的GPS坐標時間序列環(huán)境負載修正方法，其特征在于: 步驟4進一步包括子步驟: 4.1組合選取的所有基準站的地震文件eq_file生成組合地震文件combine, eq文件； 4.2采用GLOBK軟件工具對組合地震文件進行聯(lián)合平差，獲得IGS基準站速度和坐標時間序列。
7.如權利要求6所述的GPS坐標時間序列環(huán)境負載修正方法，其特征在于: 子步驟4.1具體為: 根據(jù)步驟3.2獲得的各基準站地震文件eqjile，結合GLOBK軟件工具提供的包括基準站重命名信息的地震文件IGS08_disk.eq，判斷基準站重命名時段內基準站名是否變化，無變化，則直接將反映基準站位移信息的地震文件eqjile存入組合地震文件combine, eq ;若有變化，則重置地震文件eq_file，更改基準站名，然后將反映該更改后基準站位移信息的地震文件eq_file存入組合combine, eq文件。
8.GPS坐標時間序列環(huán)境負載修正系統(tǒng)，其特征在于，包括: 基線單天解獲取模塊，用來獲取IGS基準站的觀測數(shù)據(jù)，采用基于GPS地球參考框架的最優(yōu)數(shù)據(jù)處理模型處理觀測數(shù)據(jù)獲得各IGS基準站對應的基線單天解，所述的最優(yōu)數(shù)據(jù)處理模型在傳統(tǒng)數(shù)據(jù)處理模型基礎上增加了大氣潮汐、高階電離層及次分量海洋潮汐的影響； 環(huán)境負載位移時間序列獲得模塊，用來根據(jù)地球彈性形變理論，在CM框架下獲得各IGS基準站的環(huán)境負載位移時間序列，所述的環(huán)境負載位移時間序列包括地表大氣壓、大陸儲水量及洋底壓力造成的負載位移時間序列； 環(huán)境負載位移修正模塊，用來采用IGS基準站環(huán)境負載位移時間序列修正基線單天解的基準站坐標，從而獲得修正后的基線單天解； 聯(lián)合平差模塊，采用卡爾曼濾波法對修正后的基線單天解進行聯(lián)合平差，獲得IGS基準站速度和坐標時間序列。
【文檔編號】G01S19/37GK104199065SQ201410468973
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年9月15日 優(yōu)先權日:2014年9月15日
【發(fā)明者】姜衛(wèi)平, 李昭, 周曉慧, 馬一方 申請人:武漢大學