GPS坐标时间序列中环境负载和热膨胀效应的影响研究

GPS coordinate time series exhibit significant non-linear variation characteristics. To investigate the factors that cause the non-linear motion of stations is of important scientific significance and practical value. It is very helpful to reasonably interpret physical mechanism of stations' motions and establish more accurate motion model. Thus GPS coordinate time series can be better applied to geodesy and geodynamics research. This project will take the global GPS reference stations as objects, make a deep insight into the effects of environmental loading and thermal expansion on the non-linear variations of GPS coordinate time series. Taking advantage of the precision of GPS observables, the quality of the existing global and regional environmental models will be evaluated. Then a new method of generating optimum loading time series using various environmental models will be proposed to correct the non-linear displacements of GPS reference stations. An improved 3-D surface displacement model caused by GPS monument and bedrock thermal expansion will be established to further interpret and weaken the non-linear signals in the GPS coordinate time series. Finally, global IGS reference station data will be reprocessed using state of the art GPS data processing models and strategies to obtain a more "clean" GPS coordinate time series. The environmental loading and thermal expansion displacement time series obtained from this project will then be implemented to correct the non-linear variation of the reprocessed GPS time series to further improve the consistency between environmental loading predictions and the displacement of the IGS reference stations. Results of this project will provide theoretic support for the establishment and maintenance of terrestrial reference frame, together with related geo-science researches.

GPS基准站坐标时间序列中呈现显著的非线性运动特征。研究造成非线性运动的成因，有助于正确解释测站运动的物理机制和建立更为精确的测站运动模型，进而更好地应用于大地测量及地球动力学研究，具有重要的科学意义及应用价值。本项目拟以全球GPS基准站为研究对象，深入研究环境负载与热膨胀效应对GPS坐标时间序列的非线性运动影响。结合GPS观测值精度，评价全球及区域环境模型精度；研究融合多种环境模型建立最优负载位移时间序列的新方法；精化标石和基岩热膨胀模型造成的垂直地表位移，并建立热膨胀模型与水平位移的数值联系；采用最新的GPS数据处理模型及策略对全球IGS站数据进行一致性重新处理，建立更为"干净"的GPS坐标时间序列，并根据本项目获得的环境负载及热膨胀效应位移时间序列对其进行非线性修正，进一步提高环境负载与GPS坐标时间序列的匹配度。研究成果可为地球参考框架的建立与维持及相关的地学研究提供理论支持。

GPS基准站坐标时间序列中呈现显著的非线性运动，其主要是由于基准站的地球物理效应造成的。地球物理效应主要包括环境负载和热膨胀效应。研究造成测站非线性运动的成因，有助于正确解释测站运动的物理机制和建立更为精确的测站运动模型，进而更好地应用于大地测量及地球动力学等研究，具有重要的科学意义及应用价值。.本项目主要以全球GPS基准站为研究对象，深入研究环境负载与热膨胀效应对GPS坐标时间序列非线性运动的影响：首先，定量确定未模型化的高阶电离层、海洋潮汐、地球辐射压等系统误差对基准站的影响，获取更为“干净”的坐标时间序列；然后，研究融合多种环境负载模型建立最优负载位移时间序列的新方法，并精化标石和基岩热膨胀效应造成的垂直地表位移，构建精密的环境负载和热膨胀模型，提高环境负载与GPS坐标时间序列的匹配度；最后，采用最新的数据处理模型及策略对基准站数据进行一致性重新处理，建立顾及基准站非线性运动的坐标参考框架，并研制相应的软件。项目的主要创新成果包括：.1)定量确定了未模型化高阶电离层延迟和周期性海洋潮汐分量等系统误差对坐标时间序列的影响，并构建了最优噪声模型，获得了更纯净的GPS基准站坐标时间序列，有效地分离了基准站运动的信号和噪声；.2)创建了精密环境负载新模型，精化了热膨胀效应引起的基准站非线性运动，显著削弱了非线性运动对基准站坐标和速度场估计的影响，有效地精确分离了基准站构造运动和非线性运动；.3)联合GRACE反演的地表水储量变化和质量变迁数据，分析了不同环境负载模型对多源空间大地观测数据间的修正效果，发现了环境负载因素相关的地球物理效应及未模型化误差与GPS坐标时间序列间存在耦合关系；.4)采用最新的数据处理模型及策略，获得了全球IGS和我国连续运行基准站坐标时间序列，并基于上述最优环境负载模型及热膨胀效应修正方法，确定了基准站的坐标、速率及季节性运动量，实现了顾及非线性变化的坐标参考框架的建立与维持；.5)研制了一套GPS基准站坐标时间序列分析软件。.项目已发表论文58篇，其中SCI收录 13篇，EI收录10篇；出版专著1部，申请发明专利7项（已授权3项），获软件著作权1项；培养已毕业博士7人，硕士17人。项目负责人于2015年获国家杰出青年科学基金资助，2017年入选国家“万人计划”科技创新领军人才。