GNSS测站坐标非线性变化全球分布规律与相关机制研究

The research on the nonlinear distribution characteristics and mechanism of the GNSS station coordinates is the premise of the realization of the millimeter level earth reference frame, as well as the reference for improving the accuracy of the GNSS coordinates and studying the geophysical factors. This project will use the latest station data in global distribution and signal analysis as well as correlation analysis and other means, taking the feature analysis of station coordinate time series and nonlinear change mechanism as the main line, focus on the station coordinate time series analysis method and statistical modeling, the global distribution characteristics of amplitude and phase of the station coordinate time series, nonlinear variation mechanism and theoretical model, and also explore the establishment of a statistical model based on global observation, the theoretical model based on mechanism and the periodic error of GNSS..It is helpful to explore the geophysical influence factors of station coordinate precision globally, and to offer beneficial suggestion in order to improve the GNSS system inner model and processing strategy; while the study on the establishing model and characteristics of GNSS station coordinates error as well as the correction model and the unified correction function, will greatly enhance the GNSS coordinates precision. This research is the latest hot topic in international geodetic subjects. Not only could it improve space geodetic surveying precision obviously, but also it can improve the development of geodesy and correlative subjects.

对GNSS测站坐标非线性变化及机制进行研究，是实现毫米级地球参考框架的前提，也为提升GNSS坐标精度、研究地球物理因素等提供参考。针对当前对非线性变化地球物理机制等方面研究的现状和不足，项目拟采用最新的全球分布的测站数据，利用信号分析与相关性分析等手段，以测站坐标的时间序列特征和非线性变化机制为主线，重点研究测站坐标时间序列分析方法与统计建模、测站坐标时间序列振幅与相位的全球分布规律、测站非线性变化机制与理论建模，建立基于全球观测的坐标改正模型和基于机制的理论改正模型，分析引起GNSS周年性系统误差的因素，实现对GNSS测站坐标残差的统一建模，给出改正模型和规律改正函数等。项目成果将有益于探索全球范围内影响测站坐标精度的地球物理因素，改善GNSS系统内部模型和处理策略，极大提升GNSS坐标的精度，显著提高空间大地测量的定位精度，对促进大地测量及相关学科的发展具有重要意义。

GNSS测站坐标的非线性变化始终是限制坐标框架精度发生质跃的瓶颈。研究测站坐标的非线性变化规律，探究其形成机制，构建改正模型，是建立和维持新一代高精度地球参考框架的基础。本项目主要围绕构建全球GNSS测站坐标非线性变化的统计改正模型以及非线性变化作用机制展开研究，项目主要研究内容及取得的成果、结论如下：.1.利用频谱分析的方法探测并统计了全球范围内461个测站三维方向的周期项，结果显示周年项普遍存在于所有测站三维方向坐标时间序列中；发现了三维周年振幅随纬度增加呈现先增大后减小的规律，南北半球测站的三维周年初始相位随纬度的增加呈现了相反的变化规律，其中南北半球中纬度测站三维初始相位相差约180度，并拟合得出了GNSS测站三维方向周年振幅与初始相位的全球分布规律函数。.2.首次构建了基于分布规律函数的全球GNSS测站三维周年变化统计改正模型，并引入相应参数评价了模型对测站坐标残差的改正效果。结果显示，建立的三维周年变化统计改正模型能削弱全球多数测站N、E、U方向30%~50%的坐标残差。.3.研究了季节性温度效应、高阶电离层延迟、天线相位中心偏差、大气负荷效应等对GNSS测站坐标非线性变化的影响机制。结果表明：①季节性温度变化会导致测站三维方向的周年与半周年运动，可解释测站三维方向10%~20%的周年变化；②高阶电离层延迟会导致不同纬度测站周年和半周年的运动，可引起测站三维方向30%~35%的周年变化、23%~27%的半周年变化；③天线相位中心偏差可引起测站三维方向20%~30%的系统性误差，是造成测站在N、E、U方向周年、半周年运动的原因之一；④气压负载引起的垂向周年形变、半周年形变各占实测垂向坐标周年变化、半周年变化的30%~50%。.4.对基于全球观测的坐标改正模型和基于机制的理论模型进行对比分析，结果表明，基于机制的理论模型在垂直方向上可降低原GNSS时间序列13.6%的RMS值，但水平方向上改正效果不明显；与基于观测的统计改正模型30%~50%的改正效果相比，统计模型对原坐标时间序列的改正效果要更好。