GPS测站坐标非线性变化规律分析与机制研究

论文摘要

随着目前各种空间技术的迅速发展,国际地球参考框架的精度和稳定性也在不断提高。但是为了满足更加精确的测量地球表面毫米量级地球动力学变化的需求,势必对国际地球参考框架的精度和稳定性提出更高的要求。因此通过分析建立与维持国际地球参考框架稳定的测站坐标残差序列,研究其内在规律,建立模型来改正剩余坐标残差,对于进一步提高测站地心坐标精度有重要意义。本文利用GPS测站坐标残差时间序列进行了一系列研究,从残差序列中提取出了主要的非线性周期规律,并对残差序列进行了建模拟合和机制分析。主要工作如下:1、详细介绍了最新地球参考框架ITRF2008的定义、ITRF2008解的生成以及测站坐标残差序列,通过对测站坐标残差序列图进行粗略分析,可以发现坐标残差序列内部存在一些规律明显的周期性波动。2、对GPS坐标残差序列进行数据预处理,采用ARMA模型的两种经典建模方法进行建模拟合,效果都比较理想。同时对两种方法进行了比较分析,通过实验比较得出Pandit-Wu方法在样本数量较少的情况下拟合更加有效。3、利用快速傅立叶变换以及小波分析工具,对残差序列中的周期规律进行提取拟合。其中傅立叶拟合是通过傅立叶变换提取周期项然后进行周期拟合,理论上有很好的可行性,但由于各种周期之间存在内在关联以及无法实现提取所有的周期项规律,因此拟合效果比ARMA模型的拟合效果稍差,但对于研究残差内部周期规律非常方便有效。利用小波分析工具同样能达到提取各种周期项的目的,但是提取的工作过程过于繁琐,因此研究过程中仅仅通过小波分析工具作为傅立叶分析拟合结果的验证,从而提高实验结果的可信度。4、通过对GPS坐标残差序列中的周期规律进行深入分析,发现全球大部分GPS测站都存在周年非线性位移规律,只是振幅大小不同。其他周期项不具有统一性,多为半年项或多年周期项不等。5、初步探讨分析了引起各种周期规律的地球物理机制,利用SAS统计软件对温度、气压和相对湿度与主要周期规律之间进行了相关分析,发现热胀冷缩效应及气压负荷对周年规律影响明显,其中气压负荷的相关分析结论与国际通用的气压负荷理论分析结论基本吻合,而相对湿度的影响比较复杂,主要是因为目前湿分量对GPS信号的折射效应难以分析计算。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 本文研究的主要内容
• 第二章 国际地球参考框架
• 2.1 国际地球参考框架概述
• 2.2 ITRF2008 简介
• 2.2.1 ITRF2008 基准定义及评析
• 2.2.2 地球参考架的转换
• 2.2.3 ITRF2008 解
• 2.3 本章小结
• 第三章 时间序列分析
• 3.1 时间序列分析的一般问题
• 3.1.1 时间序列的定义
• 3.1.2 时间序列的主要分类
• 3.1.3 时间序列分析方法
• 3.2 平稳时间序列模型的建立
• 3.2.1 ARMA 模型族定义
• 3.2.2 模型识别
• 3.2.3 模型定阶
• 3.2.4 模型参数估计
• 3.2.5 模型的适应性检验
• 3.3 快速傅立叶变换（Fast Fourier Transform）
• 3.3.1 快速傅立叶变换概念
• 3.3.2 快速傅立叶变换的基本原理
• 3.3.3 傅立叶变换的性质
• 3.4 小波分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 GPS 测站非线性变化规律分析与模型建立
• 4.1 数据预处理
• 4.2 基于ARMA 模型的非线性变化模型的建立
• 4.2.1 Box-Jenkins 方法建模
• 4.2.2 实验结果分析
• 4.2.3 Pandit-Wu 方法建模
• 4.2.4 实验结果分析
• 4.3 基于傅立叶级数拟合的非线性模型建立
• 4.3.1 傅立叶级数拟合思想
• 4.3.2 实验结果分析
• 4.4 基于小波分析理论的非线性变化分析
• 4.5 三种分析方法的比较
• 4.6 GPS 测站非线性变化规律分析
• 4.7 本章小结
• 第五章 GPS 测站非线性变化的机制研究
• 5.1 SAS 软件相关性分析
• 5.1.1 用相关系数测度相关关系
• 5.1.2 相关系数的显著性检验
• 5.1.3 SAS 软件处理基本流程
• 5.2 GPS 测站非线性运动的机制分析
• 5.2.1 温度变化对GPS 测站非线性运动的影响分析
• 5.2.2 气压负荷对GPS 测站非线性运动的影响分析
• 5.2.3 干湿度变化对GPS 测站非线性运动的影响分析
• 5.3 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 下一步的工作
• 参考文献
• 作者简历 攻读硕士学位期间完成的主要工作
• 致谢