Gps坐标时间序列环境负载修正方法及系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种GPS坐标时间序列环境负载修正方法及系统，包括步骤：步骤1，获取IGS基准站的观测数据，采用最优数据处理模型处理观测数据获得各IGS基准站对应的基线单天解；步骤2，根据地球弹性形变理论，在CM框架下获得各IGS基准站的环境负载位移时间序列；步骤3，采用IGS基准站环境负载位移时间序列修正基线单天解的基准站坐标；步骤4，采用卡尔曼滤波法对修正后的基线单天解进行联合平差，获得IGS基准站速度和坐标时间序列。本发明可获得更能反映基准站真实运行的GPS坐标时间序列，有助于获得更可靠的基准测站位置和速度。
【专利说明】GPS坐标时间序列环境负载修正方法及系统
【技术领域】
[0001]本发明属于卫星导航定位与应用【技术领域】，尤其涉及一种GPS坐标时间序列环境负载修正方法及系统。
【背景技术】
[0002]GPS坐标时间序列不仅可反映基准站的线性变化，也可以反映出基准站存在着非线性变化。许多研究成果已证实了环境负载造成的地表位移与GPS基准站非线性变化的强相关性(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 坐标时间序列的环境负载修正不但可以获得基准站准确的位置和速度，有助于解释板块构造运动，建立和维持动态地球参考框架，而且还能更好地研究冰后回弹及海平面变化，反演冰雪质量变迁等地球动力学过程，具有重要的理论意义及应用价值。
[0003]迄今为止,GPS坐标时间序列的环境负载修正通常在地球形心(center of figure,CF)框架下进行(Collilieux et al.,2010 ；Collilieux et al., 2012),也就是说,基准转换前的基准站坐标时间序列包含环境负载造成的位移。研究表明，环境负载造成的基准站位移主要表现为周年特征(Ray et al.，2008)。Freymueller (2009)发现，基准转换时忽略框架点的周期性变化会导致转换参数的扭曲，并渗透至所有基准站的坐标时间序列造成错误的运动趋势。因此，CF框架下用于实施环境负载修正的GPS坐标时间序列可能并不能代表基准站的真实运动，由此获得的环境负载修正效果同样可能不准确。为了获得更能代表基准站真实运动的坐标时间序列，研究基准转换前，即CM框架下的环境负载修正方法具有重要的理论意义。
【发明内容】
[0004]针对现有基于CF框架的GPS坐标时间序列环境负载修正存在的不足，本发明提供了一种基于CM框架的GPS坐标时间序列环境负载修正方法及系统，可获得更能代表基准站真实运动的坐标时间序列。
[0005]为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案:
[0006]一、GPS坐标时间序列环境负载修正方法，包括步骤:
[0007]步骤1，获取IGS基准站的观测数据，采用基于GPS地球参考框架的最优数据处理模型处理观测数据获得各IGS基准站对应的基线单天解，所述的最优数据处理模型在传统数据处理模型基础上增加了大气潮汐、高阶电离层及次分量海洋潮汐的影响；
[0008]步骤2，根据地球弹性形变理论，在CM框架下获得各IGS基准站的环境负载位移时间序列，所述的环境负载位移时间序列包括地表大气压、大陆储水量及洋底压力造成的负载位移时间序列；
[0009]步骤3，采用步骤2获得的IGS基准站环境负载位移时间序列修正基线单天解的基准站坐标，从而获得修正后的基线单天解；
[0010]步骤4，采用卡尔曼滤波法对修正后的基线单天解进行联合平差，获得IGS基准站速度和坐标时间序列。
[0011]上述最优数据处理模型基于GAMIT软件工具实现。
[0012]步骤2具体为:
[0013]采用法雷尔格林函数和全球环境负载模型做卷积，获得CM框架下地表大气压、大陆储水量及洋底压力造成的IGS基准站负载位移时间序列。
[0014]上述卡尔曼滤波法基于GLOBK软件工具实现。
[0015]步骤3进一步包括子步骤:
[0016]3.1对IGS基准站的环境负载位移时间序列进行重采样使其与IGS基准站对应的基线单天解具有相同的时间分辨率；
[0017]3.2采用GLOBK软件中的rename命令格式将重采样的环境负载位移时间序列转换成GLOBK软件能读取的地震文件eqjile ；
[0018]3.3采用GLOBK软件中的rename命令对IGS基准站坐标进行环境负载位移修正，获得修正后的基线单天解。
[0019]步骤4进一步包括子步骤:
[0020]4.1组合选取的所有基准站的地震文件eq_file生成组合地震文件combine, eq文件；
[0021 ] 4.2采用GLOBK软件工具对组合地震文件进行联合平差，获得IGS基准站速度和坐标时间序列。
[0022]子步骤4.1具体为:
[0023]根据步骤3.2获得的各基准站地震文件eqjile，结合GLOBK软件工具提供的包括基准站重命名信息的地震文件IGS08_disk.eq，判断基准站重命名时段内基准站名是否变化，无变化，则直接将反映基准站位移信息的地震文件eq_file存入组合地震文件combine,eq ;若有变化，则重置地震文件eq_file，更改基准站名，然后将反映该更改后基准站位移信息的地震文件eq_file存入组合combine, eq文件。
[0024]二、GPS坐标时间序列环境负载修正系统，包括:
[0025]基线单天解获取模块，用来获取IGS基准站的观测数据，采用基于GPS地球参考框架的最优数据处理模型处理观测数据获得各IGS基准站对应的基线单天解，所述的最优数据处理模型在传统数据处理模型基础上增加了大气潮汐、高阶电离层及次分量海洋潮汐的影响；
[0026]环境负载位移时间序列获得模块，用来根据地球弹性形变理论，在CM框架下获得各IGS基准站的环境负载位移时间序列，所述的环境负载位移时间序列包括地表大气压、大陆储水量及洋底压力造成的负载位移时间序列；
[0027]环境负载位移修正模块，用来基于卡尔曼滤波法，采用IGS基准站环境负载位移时间序列修正基线单天解的基准站坐标，从而获得修正后的基线单天解；
[0028]联合平差模块，采用卡尔曼滤波法对修正后的基线单天解进行联合平差，获得IGS基准站速度和坐标时间序列。
[0029]目前为止，GPS坐标时间序列环境负载修正通常在CF框架下进行，CF框架下GPS坐标时间序列包括基准转换时框架点周期性变化造成的框架畸变影响，其本身并不能代表基准站真实运动，由此获得的环境负载修正效果可能不准确。
[0030]本发明是基于CM框架的GPS坐标时间序列环境负载修正方法，可削弱框架点周期性变化造成的框架畸变，获得更能反映基准站真实运行的GPS坐标时间序列，有助于获得更可靠的基准测站位置和速度，可应用于地球参考框架的建立与维持、冰后回弹及海平面变化等地球动力学研究。
【专利附图】
【附图说明】
[0031]图1为本发明方法的具体流程图；
[0032]图2为实施例选取的109个IGS基准站分布图；
[0033]图3为环境负载修正前和环境负载修正后获得的IGS基准站水平速度场图，其中，图(a)为环境负载修正前获得的IGS基准站水平速度场图，图(b)为环境负载修正后获得的IGS基准站水平速度场图；
[0034]图4为环境负载修正前和环境负载修正后获得的IGS基准站垂直速度场图，其中，图(a)为环境负载修正前获得的IGS基准站垂直速度场图，图(b)为环境负载修正后获得的IGS基准站垂直速度场图；
[0035]图5为本发明环境负载修正造成的IGS基准站垂直、水平东及水平北方向的速度变化图，图(a)为环境负载修正造成的IGS基准站垂直方向的速度变化图，图(b)为环境负载修正造成的IGS基准站水平东方向的速度变化图，图(c)为环境负载修正造成的IGS基准站水平北方向的速度变化图；
[0036]图6为本发明环境负载修正造成的IGS基准站垂直、水平东及水平北方向速度的不确定度变化图，图(a)为环境负载修正造成的IGS基准站垂直方向的速度不确定度变化图，图(b)为环境负载修正造成的IGS基准站水平东方向的速度不确定度变化图，图(c)为环境负载修正造成的IGS基准站水平北方向的速度不确定度变化图；
[0037]图7为环境负载修正造成的IGS基准站的坐标时间序列加权均方根(WeightedRoot Mean Square,WRMS)变化，其中，图(a)为环境负载修正造成的IGS基准站垂直方向的坐标时间序列WRMS变化，图(b)为环境负载修正造成的IGS基准站水平东方向的坐标时间序列WRMS变化，图(c)为环境负载修正造成的IGS基准站水平北方向的坐标时间序列WRMS变化；
[0038]图8为CF框架下和CM框架下的环境负载修正后获得的坐标时间序列WRMS变化，其中，图(a)为IGS基准站垂直方向的坐标时间序列WRMS变化，图(b)为IGS基准站水平东方向的坐标时间序列WRMS变化，图(c)为IGS基准站水平北方向的坐标时间序列WRMS变化。
【具体实施方式】
[0039]下面将结合附图和【具体实施方式】进一步说明本发明的技术方案。
[0040]下面将结合附图和【具体实施方式】进一步说明本发明的技术方案。
[0041]见图1，本发明GPS坐标时间序列环境负载修正方法的具体步骤如下:
[0042]步骤1，获取IGS基准站的观测数据，基于最优数据处理模型处理观测数据获得IGS基准站对应的基线单天解。
[0043]本发明采用的最优数据处理模型在传统数据处理模型基础上，考虑了传统数据处理模型忽视的大气潮汐、高阶电离层及次分量海洋潮汐的影响，以削弱传统数据处理模型不完善造成的IGS基准站虚假位移对环境负载信号的“淹没”效应；基于最优数据处理数据模型，采用高精度GPS数据处理软件GAMIT/GL0BK处理观测数据，获得24小时松弛的基线单天解。
[0044]上述基线单天解定义为:将一天作为一个时段解算同步观测IGS基准站数据获得的基线解。
[0045]针对目前的GPS地球参考框架ITRF2008而言，其存在以下不足:
[0046](a)未将大气潮汐纳入基准站运动模型。
[0047](b)除美国喷气推进实验室考虑了二阶电离层延迟，德国地球科学研究所计算了2阶和3阶电离层延迟影响外，各分析中心均未考虑高阶电离层延迟改正。
[0048](c)计算海潮改正时仅考虑11个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统一。
[0049](d)除麻省理工学院外，其余分析中心均未实施海洋极潮改正。海洋极潮造成的地表形变径向约1.8mm、水平方向约0.5mm,甚至更大,对于毫米级参考框架的建立可能产生影响。
[0050](e)各分析中心处理对流层延迟的方式各不相同，且没有统一的标准，与IERS协议2010推荐模型存在分歧。
[0051]为解决上述不足，本发明提出了一种最优数据处理模型，基于国际地球自转与参考系统服务(IERS)协议2010构建，具体实施时通过设置GAMIT/GL0BK软件参数，并针对部分模块进行修改实现，其形式见表I所示。
[0052]步骤2，获取地表大气压、大陆储水量及洋底压力造成的基准站负载位移时间序列，即基准站的环境负载位移时间序列。
[0053]根据地球弹性形变理论,采用法雷尔格林函数(Farrell，s Green’s Funct1napproach)和全球环境负载模型做卷积,计算地表大气压、大陆储水量及洋底压力造成的负载位移，从而获得质心(center of mass, CM)框架下给定基准站的负载位移时间序列。计算地表大气压造成的负载位移时考虑地形影响，并假设海洋对大气的反气压效应。上述全球环境负载模型包括地表大气压模型、大陆水储量模型及海底压力模型。
[0054]表I最优数据处理模型
[0055]
【权利要求】
1.GPS坐标时间序列环境负载修正方法，其特征在于，包括: 步骤1，获取IGS基准站的观测数据，采用基于GPS地球参考框架的最优数据处理模型处理观测数据获得各IGS基准站对应的基线单天解，所述的最优数据处理模型在传统数据处理模型基础上增加了大气潮汐、高阶电离层及次分量海洋潮汐的影响； 步骤2，根据地球弹性形变理论，在CM框架下获得各IGS基准站的环境负载位移时间序列，所述的环境负载位移时间序列包括地表大气压、大陆储水量及洋底压力造成的负载位移时间序列； 步骤3，采用步骤2获得的IGS基准站环境负载位移时间序列修正基线单天解的基准站坐标，从而获得修正后的基线单天解； 步骤4，采用卡尔曼滤波法对修正后的基线单天解进行联合平差，获得IGS基准站速度和坐标时间序列。
2.如权利要求1所述的GPS坐标时间序列环境负载修正方法，其特征在于: 所述的最优数据处理模型基于GAMIT软件工具实现。
3.如权利要求1所述的GPS坐标时间序列环境负载修正方法，其特征在于: 步骤2具体为: 采用法雷尔格林函数和全球环境负载模型做卷积，获得CM框架下地表大气压、大陆储水量及洋底压力造成的IGS基准站负载位移时间序列。
4.如权利要求1所述的GPS坐标时间序列环境负载修正方法，其特征在于: 所述的卡尔曼滤波法基于GLOBK软件工具实现。
5.如权利要求1所述的GPS坐标时间序列环境负载修正方法，其特征在于: 步骤3进一步包括子步骤: 3.1对IGS基准站的环境负载位移时间序列进行重采样使其与IGS基准站对应的基线单天解具有相同的时间分辨率； 3.2采用GLOBK软件中的rename命令格式将重采样的环境负载位移时间序列转换成GLOBK软件能读取的地震文件eqjile ； 3.3采用GLOBK软件中的rename命令修对IGS基准站坐标进行环境负载位移修正，获得修正后的基线单天解。
6.如权利要求1所述的GPS坐标时间序列环境负载修正方法，其特征在于: 步骤4进一步包括子步骤: 4.1组合选取的所有基准站的地震文件eq_file生成组合地震文件combine, eq文件； 4.2采用GLOBK软件工具对组合地震文件进行联合平差，获得IGS基准站速度和坐标时间序列。
7.如权利要求6所述的GPS坐标时间序列环境负载修正方法，其特征在于: 子步骤4.1具体为: 根据步骤3.2获得的各基准站地震文件eqjile，结合GLOBK软件工具提供的包括基准站重命名信息的地震文件IGS08_disk.eq，判断基准站重命名时段内基准站名是否变化，无变化，则直接将反映基准站位移信息的地震文件eqjile存入组合地震文件combine, eq ;若有变化，则重置地震文件eq_file，更改基准站名，然后将反映该更改后基准站位移信息的地震文件eq_file存入组合combine, eq文件。
8.GPS坐标时间序列环境负载修正系统，其特征在于，包括: 基线单天解获取模块，用来获取IGS基准站的观测数据，采用基于GPS地球参考框架的最优数据处理模型处理观测数据获得各IGS基准站对应的基线单天解，所述的最优数据处理模型在传统数据处理模型基础上增加了大气潮汐、高阶电离层及次分量海洋潮汐的影响； 环境负载位移时间序列获得模块，用来根据地球弹性形变理论，在CM框架下获得各IGS基准站的环境负载位移时间序列，所述的环境负载位移时间序列包括地表大气压、大陆储水量及洋底压力造成的负载位移时间序列； 环境负载位移修正模块，用来采用IGS基准站环境负载位移时间序列修正基线单天解的基准站坐标，从而获得修正后的基线单天解； 联合平差模块，采用卡尔曼滤波法对修正后的基线单天解进行联合平差，获得IGS基准站速度和坐标时间序列。
【文档编号】G01S19/37GK104199065SQ201410468973
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年9月15日 优先权日:2014年9月15日
【发明者】姜卫平, 李昭, 周晓慧, 马一方 申请人:武汉大学